高校化学虚拟仿真实验室的建设与发展

蔡瑶，王涛，陈杰，李海玉，王霞，曹海啸

(1.无锡学院 环境工程学院，江苏 无锡 214000；2.无锡学院 实验室与设备管理处，江苏 无锡 214000)

0 引言

高校化学实验室是进行实验教学、科学研究和人才培养的重要场所。由于高等教育逐渐普及，高校的师生规模逐渐扩大，然而由于传统高校化学实验室会涉及有毒有害试剂、易燃易爆化学品[1-2]，在实验教学中有时还会遇到高温、高压等实验条件[3]，不仅存在安全隐患，还有可能对环境造成污染。因此，如何在化学教学过程中践行绿色化学理念就显得格外重要。

在20世纪50年代初期，虚拟仿真技术被用于军事模拟训练，随着现代信息技术的不断进步，我国在20世纪90年代将虚拟仿真技术首次应用于实验室，并逐渐应用在医疗、交通、教育、通信等领域[4]。化学虚拟仿真实验室主要是以仿真技术搭建而成的实验室，主要用于仿真设计和化学实验模拟[5]。在绿色化学概念被提出后，教育部逐渐加强对化学虚拟仿真实验室工作的引导，例如教育部印发了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》等[6]。各个高校也对化学虚拟仿真实验室进行了有效创新和发展，例如中国科学技术大学在国家级示范中心的基础上组建化学虚拟仿真实验教学中心并专门构建了共享平台，广西民族大学成立了现代化学化工虚拟仿真实验教学中心。化学虚拟仿真实验室能够给高校的化学教学提供多样化的选择，优化了资源的配置，也能够降低化学实验的安全风险。

目前，大多数高校均能认识到化学虚拟仿真实验室与传统化学实验室相比有着诸多的优势，也逐渐加强对化学虚拟仿真实验室的资金投入。但另一方面，化学虚拟仿真实验同样也存在一些弊端，高校在建设和发展化学虚拟仿真实验室过程中需要值得注意。本文对高校化学虚拟仿真实验室的优点和存在的问题进行综合分析，提出了关于高校化学虚拟仿真实验室建设的思路和发展方向，以期为探索高水平的化学虚拟仿真实验室提供进一步思考。

1 化学虚拟仿真实验室优点

1.1 实验内容直观共享

传统化学实验会受限于时间和地点，还会存在多个学生共用一台设备的现象，在实验操作过程中教师难以顾及每个学生，教学效果不佳。而虚拟仿真技术能够全息化模拟化学实验环境，学生能够直观地进行实验操作，教师也可以直观看到每个学生的操作步骤，极大地提升了教学质量。而对一些复杂的或极端条件下的化学实验，传统化学实验室教学实验不仅很难达到，还费时费力，用虚拟仿真技术可以快速创造一个实验环境，学生能够轻松自如进行实验操作。另外，一个完善的化学虚拟仿真系统可以实现网络共享，突破时间、地点、师生人数的限制，学生同时在不同计算机上能够进行化学实验，实现资源共享，内容直观。

1.2 实验教学安全环保

虽然目前大多数高校化学教学所用到的试剂不涉及剧毒性或高腐蚀性，但实验过程仍不可避免具有一定的危险性，还会产生废液废渣等，进而可能污染环境。而化学虚拟仿真实验过程中，学生只需在计算机上进行实验，所用到的药品试剂都是虚拟的，同时也不会产生废弃物，降低废液废渣对环境的污染。

近些年来，虽然教育部多次强调化学实验室安全的重要性，但化学实验室事故仍时有发生，违规操作、缺少标签、试剂摆放不规范均可能引起化学实验事故。利用虚拟仿真技术，学生在化学操作过程中不会接触易制毒、易制爆等药品，能确保师生的人身安全，降低化学实验风险。

1.3 减少实验仪器成本

传统化学实验教学需要配置多种多套教学设备，还要购买满足学生实验的化学药品和试剂。在实验操作中，还会遇到错误操作导致仪器损坏、仪器老化等情况[7]，既增加了仪器维护成本，也需要大量的人力物力。化学虚拟仿真实验室只需要购买一定量的计算机和虚拟仿真软件，能减少对传统化学实验室设备的投入和维护保养费用，还不需要各种各样的耗材。当需要不同的实验环境，教师只要更改相应的参数与设置相应的实验环境，就可以重复进行化学教学，这样不仅提高了工作效率，还降低了教学成本，高效完成教学。

1.4 激发学生化学兴趣

化学虚拟仿真实验室突破了时间和地点的限制，学生只需要在计算机进行化学实验操作。在传统化学实验过程中，学生操作过程出现错误就很难弥补，在虚拟仿真实验室，学生能直观了解化学实验步骤，还可以随时随地进行多次重复实验，从而更加了解实验过程，提升化学实验能力，快速掌握化学实验知识。在疫情当下的教学过程中，学生在家也同样可以利用虚拟仿真技术进行线上化学实验，教学内容不会受到影响，也极大地激发学生的兴趣，提高了学习的效率，激发学生的创新性思维。

1.5 提高实验教学效率

由于高等教育的普及，高校师生规模日益扩大。学生作为高校化学实验室的主体，有部分学生对化学知识了解很少，不清楚化学实验步骤，甚至在化学实验课上都不能进行正确的操作，这影响着教师的教学效率。在虚拟仿真实验室，学生可以模拟各种化学实验，快速了解实验内容，掌握实验步骤，教师也能缩短备课时间，提高备课效率，从而提高实验教学效率。

2 化学虚拟仿真实验室存在的问题

2.1 实验过程不真实

在化学虚拟仿真实验过程，模拟的实验环境都是最理想的、最标准的，但在真实化学实验过程中，由于实验设备、试剂浓度、实验场地不同，实验环境和虚拟仿真模拟出的环境不一致，学生在真实实验过程中，没办法达到虚拟仿真实验的最优结果。另外，由于化学虚拟仿真实验都是标准操作，而学生实际操作过程可能存在错误的操作，如：滴定管滴定操作、溶液稀释操作。化学实验是一门需要动手的实验课，如果所有的化学实验都在虚拟仿真实验室进行，势必会造成学生理论和实际脱节的情况，给学生日后实际工作带来影响。

2.2 实验设计程序化

化学虚拟仿真实验操作步骤都是系统后台提前设定的，学生如果想要完成某一化学实验，就需要按照操作步骤一步一步来，如果学生想要跳过则会无法进行，导致学生实验过程被限定，学生无法进行其他操作，不能进行自主探索，不利于创造性思维的激发。每一步都按照程序要求操作，使得每个学生都出现相似甚至相同的结果，也不利于学生化学兴趣的激发，与现实脱节。

2.3 交流共享程度低

近些年来，许多高校为了保障化学实验室内的师生安全，提高师生的教学质量，纷纷建立了化学虚拟仿真实验室，但彼此之间的交流合作甚少。某一院校拥有的优势资源没办法让其他高校享受到，资源优势没法互补，不利于社会整体的发展。

3 化学虚拟仿真实验室建设思路

虚拟仿真实验室一般由计算机、模拟输入系统、视觉系统以及感觉模拟系统组成[8]。建立化学虚拟仿真实验室除了需要配备计算机、不同化学仿真软件外，还需要制定一个清晰的建设思路。

3.1 厘清建设需求

虚拟仿真的核心是仿真，在计算机上通过虚拟操作实现仿真。化学实验本身就涉及大量不同的实验课程，如：无机化学实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析化学实验等，每一门课程不单是需要不同的仿真软件，更需要弄清研究对象本身，弄清不同课程的特点和课程需求，结合院校实际需要，不盲目引进，建设有自己特色的化学虚拟仿真实验室。

3.2 以学生为中心

在建设化学虚拟仿真实验室时，各高校都应秉持着“教、学、做”为一体的教学实验理念，以人为本。本身化学虚拟仿真实验室建设的目标受众是教师和学生，学生既是学校的主体又是实验室的主体，建设思路理应满足化学实践教学和虚拟教学相结合的需求，增加学生化学专业知识，提高学生化学创新能力，从而达到满足现代社会化学复合型创造性人才的需求。

3.3 依托自身优势

各个院校在不同学科都有一些各自的优势，要加强各自学科和化学之间的联系，依托学科建设，整合优势学科资源，建设以自身优势为特色的化学虚拟仿真实验室。例如：吉林化工学院将多媒体技术与化学专业相结合，学生进行化学虚拟仿真实验过程中还会出现真实实验录像和仿真动画；四川大学有机化学虚拟仿真实验中“Roskamp-Feng反应及应用虚拟仿真实验”是依据该校具有代表性的科研成果研发出来的。因此，各个高校在建设化学虚拟仿真实验室时需要根据自身优势，集中优势科研成果和学术力量资源，研发具有自身代表性特色的虚拟仿真软件。

3.4 配齐复合型专业人才

各高校传统化学实验室的教学过程需要配备专任教师教学外，还会配备实验员人员进行耗材的事先准备。而虚拟仿真实验除了需要专任教师还需要有虚拟仿真软件的开发者，即需要会软件开发。但目前绝大多数虚拟仿真软件开发人员很少掌握化学实验知识，而化学专业专任教师也没有软件开发经验，这就可能导致开发出来的软件不适合教师的教学，影响教学质量，这就需要在虚拟仿真实验室建设过程中引进复合型专业人才。

4 化学虚拟仿真实验室发展方向

4.1 完善教学管理队伍

在实验室建成后，虚拟仿真实验室需要形成一个知识结构、学历结构、年龄结构合理的师资队伍，逐渐加强教学队伍体系建设。在管理方面，同样需要建有一套完善科学的管理体系，需要有中心负责人和虚拟实验室分管负责人，层层递进，保证实验室管理的正常运行。总之，需要建有一套教学和管理相并行的队伍体系。

4.2 加强校企合作

虚拟仿真实验室的发展不单单只能依靠学校自身，社会上有不同技术特点的企业，里面有各种各样的人才资源。各个高校可以充分发挥自身影响力，和不同类型的企业合作，将高校的科技力量和企业的技术资源融合，通过共建联合虚拟仿真实验室、师生进企实习等方式进行校企合作，从而形成长期交流、合作共赢、持续发展的校企合作模式。

4.3 注重虚实结合

化学虚拟仿真实验室是教师进行化学实验教学的一个手段，各个院校应将虚拟仿真实验室和传统化学实验室相结合，构建虚实结合的化学实验教学体系。学生既能快速便捷地进行化学实验操作，又能感受到真实化学实验的过程。虚实结合的化学实验教学体系既能够满足当代化学教学要求，还能适应培养高素质创新型人才的培养需求。

4.4 实施开放共享

一个院校的化学虚拟仿真实验室如果不涉及保密要求，那就应当对外开放共享，减少其他高校不必要的重复建设，如西南大学化学化工虚拟仿真实验教学中心对西南地区不同类型学校开放共享，充分发挥其引领作用。同时化学虚拟仿真实验室开放共享也可以加强各个高校之间的合作交流，对化学虚拟仿真实验室的理论水平提高与化学虚拟仿真成果完善具有相当大的作用。

5 结语

在“双一流”政策的大背景下，传统化学实验室越来越难以适应人才培养的需求。在信息化时代下，化学虚拟仿真实验室拥有诸多优势，不仅突破了时间和空间的限制，还能大大降低常规化学实验室的风险。但化学虚拟仿真实验室并不能完全取代传统化学实验室，两者需要进行融合，构建一个虚实结合的化学教学实验体系，从而为化学实验室优质教学奠定基础，高效培养复合型创新型人才。

在科技飞速发展的时代，化学虚拟仿真实验室也需要不断突破与创新，相信能够与医学、材料学、生物学等学科互通有无，为教育事业的发展发挥更大的作用。另外，有条件的企业应当不断开发新的化学虚拟仿真系统，并持续创新发展，确保化学虚拟仿真适应各个高校的化学实验教学，让化学虚拟仿真教学无限接近真实化学实验过程，提高实验效率，提高教学质量。相信化学虚拟仿真实验室在未来能够发挥更加重要的作用。