淺談虛擬實驗室在化學上的應用

淺談虛擬實驗室在化學上的應用【內(nèi)容摘要】實驗教學是高校化學教學中的主要環(huán)節(jié)，近年來，隨著高等教育觀念的更新、手段的改良、計算機化學的興起和化學知識的創(chuàng)新，使計算機模仿化學實驗成為可能。借助計算機模仿手段，能夠解決化學實驗教學課時不足的問題，并根據(jù)詳細實驗操作，盡可能避免直接接觸危險及有毒的化學藥品，減少廢棄物的排放，提升學生的環(huán)保意識，進而到達提升學習效率和教學水平的目的?！颈疚年P(guān)鍵詞語】虛擬實驗室計算機模仿多媒體技術(shù)在高等教育實現(xiàn)群眾化的今天，由于諸多主客觀因素制約，國內(nèi)很多高校教學質(zhì)量有所下降，十分是在理論教學中，出現(xiàn)看重課堂理論教學，忽視成本高、難度和質(zhì)量彈性都較大的理論教學。在全球競爭高度劇烈的時代，市場經(jīng)濟對人才所具備的創(chuàng)新精神、理論能力的要求越來越高，假如高校所培養(yǎng)的學生理論基礎(chǔ)與理論能力脫節(jié)，學生將無法安身于當下的市場經(jīng)濟，因而，加強高校理論教學工作是我們必需要解決的主要任務。當前，國家已將培養(yǎng)適應新現(xiàn)代化建設(shè)所需要的具有創(chuàng)新精神、理論能力和創(chuàng)業(yè)精神高素質(zhì)人才列為高等教育戰(zhàn)略工程，這種人才只要通過系列的理論教學環(huán)節(jié)能力得到有效的培養(yǎng)。而我校很多學科專業(yè)都屬于理論性較強的應用型專業(yè)，怎樣將學生的創(chuàng)新精神和理論能力有機結(jié)合起來是我們面臨的難題，下面就怎樣培養(yǎng)提升學生的理論能力談幾點自己的認識：我校實驗教學計劃重要設(shè)置有無機化學、分析化學、有機化學、儀器分析以及物理化學等實驗課程，實驗教學分散在各門理論課程中，教學重要根據(jù)理論課講授的內(nèi)容順序自成體系，各門實驗教學課程尚未進行整合構(gòu)成一個科學系統(tǒng)的實驗教學體系，內(nèi)容存在反復、脫節(jié)現(xiàn)象，晦氣于培養(yǎng)學生的綜合能力；實驗教學內(nèi)容簡單分散，多為一些驗證性的實驗，實驗內(nèi)容的深度和廣度也不夠，知識也不能及時得到更新，學生很難將化學知識和操作技能應用到工作中去解決實際問題；實驗的教學手段基本上采取傳統(tǒng)的一塊黑板、一套舊式儀器設(shè)備、一本實驗教學資料，缺乏計算機多媒體和先進儀器等現(xiàn)代化教學手段，教學方法重要是學生課前預習，老師重點講解和指點，學生按實驗指點書“照方抓藥〞，進行機械式操作，最后填寫實驗報告，學生缺乏獨立考慮和自己設(shè)計實驗的能力；實驗教學課時布置偏少，培養(yǎng)學生動手能力的理論時間不能得到充足保證。鑒于以上事實，我們以為虛擬實驗室的建設(shè)將在一定水平上解決當前存在的問題，有助于培養(yǎng)和穩(wěn)固學生把握實驗基本理論、知識、方法、技能，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和綜合分析、解決問題能力以及培養(yǎng)學生初步的科學研究能力。其根據(jù)在于：化學虛擬實驗室充足利用計算機多媒體的技術(shù)，將化學實驗經(jīng)過中的文、圖、聲像、動畫各種因素有機組合在一起，把一些抽象理論、復雜構(gòu)造、虛幻情景、跨越時空等因素，通過三維動畫、視頻圖像、虛擬現(xiàn)實等手段形象生動地展示出來，使學生通太多種感官刺激全方位地獲取豐富的信息，學生對實驗經(jīng)過和實驗現(xiàn)象觀察得很清楚，讓學生在計算機上操作也能到達身臨其境的效果，這樣就能夠激發(fā)學生的學習興趣，起到良好的教學效果。一虛擬實驗室的建立有利于彌補實驗課時較少的問題化學虛擬實驗室的建設(shè)，能夠彌補理論教學課時不足的問題，擴大學生的信息量。實驗教學是一種手腦并用的學習方式，既要動手操作又要動腦考慮。但是由于實驗課時的限制，往往一個實驗環(huán)節(jié)需要在2～3個學時內(nèi)完成，老師只能將儀器的使用和實驗方法進行扼要的示范和描繪敘述，一般很難有足夠的時間對整個實驗經(jīng)過進行具體的演示，學生也沒有充分的時間去考慮，實驗經(jīng)費不足，儀器數(shù)量少，不能知足學生人人都能動手進行操作訓練，學生在實驗經(jīng)過中難免出現(xiàn)各種各樣的毛病，導致最后得不出正確的實驗結(jié)果，以至在實驗課結(jié)束后，對所做實驗內(nèi)容還是一知半解。因而采取新的教學手段，引導學生的學習積極性，充足利用學校的校園網(wǎng)，在保證原來實驗課的基礎(chǔ)上，利用學生的課余活動時間，開通計算機網(wǎng)絡(luò)進行虛擬模仿實驗，其詳細做法是：將實驗內(nèi)容制造為教學軟件上傳校園網(wǎng)，使學生不受時間、地點、場所的限制，翻開校園網(wǎng)就能夠進行模仿實驗，這樣既能夠節(jié)省經(jīng)費，減少環(huán)境污染，又能為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)，進而提升實驗教學質(zhì)量，到達預期的實驗目的。其次虛擬實驗室的開發(fā)將知識性、興趣性融為一體，教學方法上采取啟發(fā)式教學，使學生從被動學習改變成自動參與，進而有利于提升學生的綜合能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。二虛擬實驗室的建立有利于學生加深對實驗安全規(guī)范的認識化學實驗試劑大多數(shù)具有易燃、劇毒、腐蝕性，在實際操作經(jīng)過中要求學生高度認真，以免失誤導致事故發(fā)生。虛擬實驗室的建設(shè)能夠為學生提供一個虛擬的理論空間，加深對實驗安全規(guī)范的認識，例如，通過虛擬實驗室計算機模仿出實驗中的毛病操作，將水倒入濃硫酸中，液體沸騰并飛濺，并配上適當?shù)膱D像、聲音，進而使學生親身感受毛病操作的危險性，提醒學生避免這些毛病的發(fā)生，這樣就會給學生留下深刻的影響，對實驗中的安全規(guī)范操作引起高度看重，降低化學實驗室事故發(fā)生的概率，即便出現(xiàn)危急情況，學生在虛擬實驗室的訓練也有助于他們及時正確的處理。三計算機模仿有利于學生復習和穩(wěn)固學生做完實驗后，由于遭到主客觀條件的限制，一般難以再布置進行反復實驗，因此實驗知識往往得不到穩(wěn)固。假如將實驗內(nèi)容設(shè)計成教學軟件，學生則能夠自在地選擇時間和地點進行屢次的模仿實驗，這無疑是對實驗課的一種有力補充。例如，在分析化學實驗模仿電光天平的使用，利用計算機模仿可到達下面效果：1．演示將拆散的天平部件逐一放在正確的位置，同時采取文字和語音提示該部件的名稱、用處以及使用時的留意事項等，當組裝完成后，再演示稱量操作的步驟。在該經(jīng)過中，其動畫圖像清楚明晰、真切，語音提示能夠加深學生對實驗步驟的看重和理解，相比之下慣例演示實驗難以到達這種效果。2．練習給出拆散的各天平部件，讓學生自己去完成組裝和稱量練習，每一個操作步驟都給出正確與否的判定，若毛病則提示正確的操作方法。3．穩(wěn)固給出實驗器材，在沒有正確提示的前提下完成所有操作，正確時給出愉快的掌聲；毛病時則指出其毛病，同時給出提示并給予鼓勵至完全正確。4．測試在沒有任何提示的情況下完成所有操作，根據(jù)操作情況和所用時間計分，并在最后給出毛病所在，因而這種計算機模仿實驗形式完全能夠成為課堂教學的有力補充。四虛擬實驗室的建立有利于保衛(wèi)環(huán)境慣例的化學實驗中不可避免地要消耗大量的藥品和水資源，實驗經(jīng)過中伴隨著有毒氣體、廢水以及有害物質(zhì)，這既污染環(huán)境，又影響實驗效果，既晦氣于學生實驗能力的培養(yǎng)，也晦氣于環(huán)境保衛(wèi)。因而在保證明驗教學目的的前提下，對化學實驗內(nèi)容進行大幅度改革和調(diào)整是非常需要的，例如，在學習硫的知識中可設(shè)計成模仿實驗：〔1〕模仿硫與氧氣反應，指出生成的so2是酸雨構(gòu)成的重要成分之一，若直接排放到大氣中，就會產(chǎn)生環(huán)境污染；〔2〕模仿實驗室中溫度計摔碎后對汞的處理，在汞的外表覆蓋一層硫粉，以防發(fā)生汞中毒等等，由于多媒體模仿化學實驗，畫面生動、真切，十分是將反應經(jīng)過慢放和重播，學生能清楚的觀察實驗經(jīng)過和實驗現(xiàn)象，這就大大的激發(fā)了學生的學習興趣，學生在把握知識的同時又能夠加強環(huán)保意識，進而起到良好的教學效果。虛擬實驗室的建立突破傳統(tǒng)理論教學形式單一的局限，學生課前進入虛擬實驗室，利用多媒體虛擬操作進行前期實驗預備工作，后期在實驗經(jīng)過中詳細操作將有助于提升學生理論能力，其詳細操作程序為：1．建立虛擬實驗室運行網(wǎng)絡(luò)平臺通過建立網(wǎng)站教學平臺，為學生營造一個完全自立的學習環(huán)境，學生能夠在該環(huán)境中通過自學、模仿、回答以下問題等多種學習方式，在理論中得到提升。2．化學實驗演示以及模仿課件的研制研究、開發(fā)、制造化學虛擬實驗室支撐軟件，管理和開發(fā)有關(guān)實驗教學資源庫，通過對實驗教學資源的整理、存貯、加工、修改、整合以及維護等，使資源庫不斷完善和發(fā)展。3．化學實驗內(nèi)容的整合和優(yōu)化為了使學生系統(tǒng)把握化學基礎(chǔ)學科的實驗技能，培養(yǎng)科學素質(zhì)、提升綜合分析問題和開展科學研究的基本思路，看準國內(nèi)外實驗教學改革的趨勢，加強對學生實驗技能培養(yǎng)的系統(tǒng)性和連貫性，遵守教學規(guī)律和認識規(guī)律，并結(jié)合林業(yè)院校教學特點，對化學實驗教學內(nèi)容進行整合優(yōu)化。實驗教學內(nèi)容構(gòu)造規(guī)范為：基礎(chǔ)實驗、綜合性應用實驗和研究〔設(shè)計〕型實驗等三個條理，使學生在把握和穩(wěn)固化學實驗基本理論知識的基礎(chǔ)上，提升學生的綜合理論能力以及初步的科研能力。五結(jié)束語突破高等教育理論教學沿用的傳統(tǒng)形式，建立化學虛擬實驗室，將現(xiàn)代多媒體技術(shù)應用在理論教學中，并根據(jù)林業(yè)院校教學要求的特點，對化學實驗內(nèi)容進行整合優(yōu)化，開創(chuàng)建立綜合實驗教學的新體系，進而培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力，提升學生理論能力以及