虚拟仿真在农林院校基础化学实验教学中的应用思考

侯学会,王建玲

(河南牧业经济学院,河南 郑州 450046)

虚拟仿真(Virtual Reality)是指用一个系统模仿另一个真实系统的技术。“虚拟”与“现实”看似是含义相互矛盾的两个词，但是在当前科学技术高度发展的今天，它却拥有新的含义。虚拟仿真技术依托计算机系统，实现虚拟世界的创建和体验，包括再现现实世界，构想未知世界。这种技术在教学中得到了广泛的探索和应用。

基础化学是农林院校相关专业的必修专业课，其实验教学是其中的重要组成部分。传统实验及实践教学，出于条件、经济、安全环保等方面的制约，使学生对实际生产中的装置、模式缺乏体验和认识。尤其是在安全生产方面学生更是无法获得任何亲临现场的机会，这必将导致学生在安全生产方面的意识非常薄弱甚至缺失，不具备任何的应急处理能力。因此，在当前国家对环保和安全生产高度重视的严峻形势下，对高等院校对化学生产相关专业的人才培养提出了新的更高要求[1]。 在这种新形势下，高等院校对于一些高风险，高污染，高消耗的化学实验通过仿真实验的方式来实现对相关专业学生的训练和体验，从而对实现具备工业化生产技能的工程型人才培养。河南牧业经济学院在化学相关专业基础化学实验虚拟仿真实验教学的方法、手段等方面进行了初步的探索，实践证明这种方法可以大大提高学生的动手能力、解决实际问题能力和应急处理能力。下面陈述一下我们的一点体会。

1 为什么要进行虚拟仿真实验教学改革

2012年3月，教育部印发了《教育信息化十年发展规划(2011～2020年)》，规划要求开发整合各类优质教育教学资源，建立高等教育资源共建共享机制，建立优质数字教育资源和共建共享环境。2013年，教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[2]。自此，虚拟仿真技术在高等院校教学工作中拉开了应用的序幕。随着“5G”时代的到来，虚拟仿真技术在教学中的应用更加广泛和深入。

社会经济发展速度和水平高低与一个国家高等院校培养的毕业生的实践能力息息相关。学生实践能力的培养离不开各种现代信息技术和优质实验资源。但是，当前高等教育存在的一个突出的问题是实验实践教学环节缺乏或内容滞后。传统的实践教学受到教学学时、场地、仪器、安全环保等问题的制约；另外，对于一些复杂的实验，实验原理和实验过程无法观测。而虚拟仿真实验技术则不存在这些问题，达到了课堂教学的要求，成为教师有力的实验教学工具，而且这种模式大大激发了学生的求知欲。虚拟仿真实验技术使学生如同身临其境般的融入到本来难以实现的实践环境中去。这样极大地诱发学生的学习兴趣，促进了学生将所学的不同学科知识进行交叉，从而迸发出创造的思维火花。另外，在实验教学中，虚实结合，利用虚拟仿真实验技术可以解决部分成本高、危险性大、污染严重的实验实训环节，解决资源不足的难题[3]。当前，随着相关部门的大力支持，虚拟仿真教学技术日臻成熟，很多高等院校已经积累了很多成功的经验和共享化的作品，而对于一些专业性较强的院校尚需建立具有自己特色的虚拟仿真课程体系。

2 如何构建虚拟仿真实验教学体系

2.1 把握虚拟仿真实验内涵建设

明确建设思路，坚持高校人才培养紧跟社会发展需求，坚持密切把握行业发展新动向，在发展中体现特色的战略。坚持将紧密人才培养与学校特色定位相结合。拓展实验内容深度和广度，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。凸出虚拟仿真的优势；扩展互动式、研究型、团队式教学方法，推进探究式教学方法的普遍运用；采用多途径、多方案、设计性实验方法，凸显学生综合设计与创新思维能力培养的深度和广度[4]。

2.2 积极开发与共享虚拟仿真实验教学资源

虚拟仿真仿真软件是虚拟仿真资料库的重要组成部分。虚拟仿真实验教学是信息化教育建设的重要内容，在实施虚拟仿真教学的过程中要坚持“规划科学、资源共享、重点突出、效益最大、发展持续”的正确方向。目前，世界更都争相发展5G通讯技术，我过在此方面处在领先地位，“5G+教育”时代应运而生，5G通讯技术数据容量剧增，传输速度大大提升，几乎没有传输时耗。所有这些特点使得我国现有教育教学资源共享化进程加快，及时是偏远地区，先进的教学手段和前沿的教育资源也会瞬间获得。因此，高质量的虚拟仿真教学资源的开发已经成为改变教育教学资源分布不均，师资力量差别较大等现状的前提条件。只有高质量的虚拟仿真教学资源才能真正共享，所得的学生成绩才能相互承认，教学效果才有可比性。

2.3 合理设置虚拟仿真实验教学课程内容

①以学生为中心的实验教学理念，根据培养对象的需求，设置的教学内容要充分调动学生积极和主动性，注重学生能力提升。②准确适宜的实验教学内容，以问题、需求导向，本科教学人才培养为目标，体现必要性，适用性，坚持能实不虚。③创新多样的教学方式方法利用各种可提升实验教学效果的方式方法，比如研讨式、探究式，倡导学生自主式、合作式、探究式学习。④先进可靠的实验研发技术，结合学科特点和教学目标，选择合适的研发技术。⑤虚拟仿真实验教学项目应该是开放的，所建立的平台和系统应该是稳定的、安全的。⑥敬业专业的实验教学队伍，完善实验教学队伍考核、奖励、监督机制，鼓励及支持教师参与。⑦在相关专业的培养方案中，不断改进修正虚拟仿真实验教学的评价体系，探索优质资源共享机制和学业成绩相互承认的机制。⑧显著示范的实验教学效果，注重实际应用、教学效果、服务质量、持续更新， 提升学生的实践创新能力。

2.4 正确把握项目建设方向

①坚持问题导向和需求导向；②符合培养计划中既定的能力培养的目标；③把握好学生各种能力培养过程中传统实验教学方法中难以取得突破的环节；④教学内容应当具有独立性，同时还应该适合开发性操作和实施；⑤加大探索性实验分量，减少演示性实验比例；⑥培养学生动手能力和创新意识。

3 虚拟仿真教学采用何种教学方式实施

虚拟仿真教学模式的总体原则是“虚实结合、能实不虚”，通过模拟的实验环境和实验对象，学生可以在开放、独立、交叉的虚拟环境中开展效率高、安全性高而且低消耗、低污染的实验，进而达到传统教学中难以实现的教学效果；将实验由被动模式变为主动模式；形成一个系统的、虚实结合、课内与课外、教与学为一体，具有基础性、集成性、先进性的创新人才培养的化学类实验教学新体系。

3.1 以探索研究式教学为主导

首先，通过平台发布学习任务，要求学生通过平台系统预习并熟悉教学内容，然后登陆系统通过软件自主对实验内容进行设计，并初步验证，然后点击标准操作进行对比纠错修正，完成实验步骤的正确操作，最终形成对工业化生产操作全面完整的认识，深刻理解工艺过程。通过这种模式的实施，培养学生主动学习的能动性。

3.2 以分组为主，统分结合的模式为主

在实验情景的仿真设计中采用小组为实验主体，讨论与分组共存的操作方式，通过完成实验任务，锻炼学生的协作能力。当今时代不仅要求建设者具有很好的专业技能，同时要求成员间的协作意识和能力。因此，在实验项目设置时，增加小组成员间的讨论内容和不同小组之间的协作元素。

3.3 以学生推动实验教学活动进程为主

命题的选择充分体现学生为中心的思想理念，要求学生主动地预习，讨论熟悉实验内容，通过小组讨论自主设计实验步骤，通过系统软件进行验证和修正完善。通过完成这些任务激发了学生探索实验机理的兴趣，培养学生的团队合作精神。

4 如何客观评价虚拟仿真实验教学效果

鉴于虚拟仿真技术的特点，其考核方式不同于传统教学的考核方式。在教师教的方面主要包括以下几点：①修改采用虚拟仿真实验教学的相关专业的培养方案，使之相互适应。②制订相关教学效果评价办法，根据虚拟仿真实施过程中学生和教师的反馈情况，不断修正相关教学评价方法；③采取切实有效的奖励机制，推动教师探索虚拟仿真技术推广和共享的绩效评价办法；④基于虚拟仿真技术平台的资源共享下，各资源共享高校成员之间，实现相关实验教学项目成绩相互认可协议。

在学生利用虚拟仿真资源的学习效果的评价主要从以下几个方面变革。①对学生的学习效果的评价时间不再固定在期末课程结束后进行，既然某课程的虚拟实验课程授课内容，学生可以在该学年内的任何时段，通过自己的移动终端进行学习，那么学生可以在学年开课后的任何时间根据个人掌握的程度进行申请考核，如此有利于学生充分利用学习时间。②虚拟仿真课程的考核模式自由化，在开发虚拟教学资源时，设置多种考核模块，考核内容不局限于相同的试卷或操作项目，不固定时间和地点进行考核。使考核内容多样化，设置理论，创新、设计、应急处理等考核内容。③在共享虚拟仿真资源的系统内，学生的考核成绩给共享单位应当给与承认，这样有利于各共享单位对所开发资源的深度利用、有利于共享教学资源质量和水平的快速提升。

5 结论

虚拟仿真技术在高等院校教学中的应用将使实验实训教学的示教、训练和考核方式更为科学、有趣、简便易行。虚拟实验的直观不抽象、互动不被动、构想早验证等特点可以大大提升学生的学习兴趣！虚拟实验的 绿色、安全、可共享 等特点有利于大规模改善学校的教学环境。