虚拟仿真在有机化学实验中应用

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［摘要］有机化学实验是化工类专业及其相关专业的必修课，传统的有机化学实验教学效率低，将有机化学虚拟仿真实验作为实验教学的辅助手段，可有效提高有机化学实验教学的质量。在有机化学实验教学中，既不能单纯地依赖虚拟仿真实验教学，也不能只依赖传统的有机化学实验教学，需要将两者有机地结合在一起。通过虚拟仿真实验来完成对实验的预习和实验过程的模拟，通过真实的实验操作来提高学生的动手能力和处理突发状况的能力，从而使教学效果更好。

［关键词］虚拟仿真；有机化学实验；教学模式

虚拟仿真技术又称虚拟现实技术或模拟技术，是利用虚拟系统模仿真实系统的一门综合性技术［1］。伴随计算机技术的迅猛发展，虚拟仿真技术在高校实验教学中开始得以应用［2］。有机化学实验是有机化学教学的一个重要组成部分，在实验过程中会涉及很多实验装置、大型精密仪器以及各种化学药品，将虚拟仿真实验与传统的有机化学实验进行有效整合，有利于提升有机化学实验教学效果。

一、传统有机化学实验教学模式存在的问题

传统的有机化学实验教学模式一般包括学生预习实验、教师讲解及演示、学生进行实验、撰写实验报告4个阶段，每一个阶段都会存在一些难以解决的问题。

（一）学生预习实验阶段

在做有机化学实验前，学生要对实验进行预习，以掌握实验目的、原理及实验步骤，但学生根本不重视预习，对预习只是敷衍了事或者根本不预习，直接抄袭有机化学实验教材内容来完成预习报告。影响了学习效果。

（二）教师讲解及演示阶段

在进行有机化学实验前，指导教师需要在有机化学实验室对本次实验的内容（包括实验题目、实验目的、实验原理、实验步骤以及实验过程中的注意事项和安全问题等）做详细的讲解。但现实中存在以下问题：有的学生本身对实验缺乏兴趣；学生在实验前对实验预习不够，对实验掌握不深；实验人数较多且实验场地不足，无法满足一人一组的条件，只能是2人或者多人一组，这就导致有的同学能够认真听讲，而有的同学既不认真听讲也不认真做实验，有的同学甚至根本不做实验等。此种模式不仅不能激发学生对有机化学实验的兴趣，有时还会把学生探索知识的欲望扼杀在摇篮之中。

（三）实验室进行实验阶段

1．在传统的有机化学实验中，实验内容基本上是一成不变的，教师在上课时照本宣科，学生也是机械地进行模仿并完成实验，就连实验报告都是照着实验讲义抄下来的。2．有机化学实验中会涉及到一些分子模型及反应机理，这是传统有机化学实验所达不到的领域。3．受实验场地和实验仪器数量的限制，即使是最基本的实验，都要2个人或者是2个人以上一组，这样就造成个别同学少做实验或者根本不做实验，根本达不到预期的教学目的。4．需要在有机化学实验室完成的教学任务非常繁重，加上学生的学习任务也非常繁重，对于每一个有机化学实验，每个学生都只有一次进入有机化学实验室进行实际操作的机会，无论实验成功与否，都没有再次来到有机化学实验室进行重复实验的机会，所以对于一些重要的实验知识很难掌握牢固。5．有机化学实验所用的反应仪器多数都是玻璃仪器，非常容易破损，每次做完实验都会有不同程度的损坏，造成很大的经济损失；实验中所用的溶剂和实验中所产生的气体对环境会造成污染，同时也会对实验人员身体造成一定的伤害；有机化学实验所得到的合格产品、不合格产品及废液等，一般情况下都是采取统一收集和销毁的方式来处理，增加了学校的经济压力。6．学生不认真预习有机化学实验讲义，对实验不熟悉，担心在实验过程中将仪器打碎，更担心实验会产生对人体有害的固体、液体和气体，所以宁可在旁边观看别人做实验也不亲自动手。

（四）撰写实验报告阶段

在每次实验结束后，学生需要撰写本次实验的报告。学生对实验目的、实验原理和实验步骤只是照抄照搬实验讲义上的内容，即使是实验的数据处理和结果分析部分，也都是相互抄袭，有的同学甚至连产率都不会计算，更缺乏对本次实验的正确分析。

二、将虚拟仿真实验应用于有机化学实验教学中的意义

（一）有利于提高预习质量和充分有效地利用课上课下时间

由于虚拟仿真实验的引入，学生可以在上有机化学实验前对本次实验进行预习，充分掌握实验的目的、实验原理、实验步骤和实验中需要注意的事项，这样就可以使实验教师从讲解实验中解脱出来，使学生有足够的时间进行实验操作。同时，学生在虚拟仿真程序中进行实验的模拟，教师可以在该程序中看到学生做虚拟仿真实验所用的时间及质量。这种方式一方面能保证学生预习实验的质量，又能保证学生进行真实实验的质量，更能提高做实验的效率［3］。

（二）有利于提高学生发现问题、认识问题和解决问题的能力

在有机化学虚拟仿真实验中，学生首先要了解本次实验所需要使用的玻璃仪器、玻璃仪器的组装及拆卸和实验过程中需要注意的事项；其次，学生要了解实验过程中所使用的药品、溶剂以及所生成的产物会对人体产生哪些伤害，如何将伤害减小到最低；再次，学生还需要了解三废应该如何处理，尽自己最大能力来减小实验对环境的影响；最后，学生还要在有机化学虚拟仿真实验中学到如何处理反应过程中出现的意外情况（如失火、爆炸等）。学生通过有机化学虚拟仿真实验充分了解实验每个环节及其问题处理方法，使学生提高发现问题和解决问题的能力。

（三）真正实现有机化学实验室向学生开放

在传统的有机化学实验教学中，由于受教学任务、实验仪器和实验室面积的限制，有机化学实验室不能向学生完全开放。当将虚拟仿真实验引入到有机化学实验教学中时，由于虚拟仿真是在计算机上运行相关程序来模拟实验，可以不受时间和空间的限制，所以可以真正地实现有机化学实验室向学生开放。学生可以选择在课余时间，通过计算机来模拟有机化学实验。学生既可以按照教学大纲规定的实验进行模拟操作，也可以自行设计实验和自行组织实验，进行反复操作，使自己的动手能力得到提高，同时在实验过程中学生的主观能动性和创新性得到充分发挥。

（四）改变有机化学实验教学思路［4］

在传统的有机化学实验教学中，主要以验证性实验为主，即使有少数的综合性实验，也都是非常简单的，学生只需要按照实验讲义机械地操作就可以，缺乏做实验的自主性。将虚拟仿真引入到有机化学实验后，学生不仅可以完成传统有机化学实验中规定的实验项目，还可以根据自己的兴趣自行设计实验方案，通过这种方式可以培养学生独立分析问题和解决问题的能力，激发学生的学习兴趣。在传统的有机化学实验中，由于指导教师人数少而学生人数较多，所以指导教师在做实验前只能对实验进行泛泛地讲解，在实验过程中也不能对每一名同学进行指导，在实验结束后才能对学生的实验报告进行批阅。相反，在进行有机化学虚拟仿真实验时，指导教师与学生可以实现在线互动，教师可以及时发现学生存在的问题并及时进行纠正，从而使教学质量得以提高。

（五）能够节省实验经费、弥补实验室面积不足

有机化学实验有自己的特点：需用玻璃仪器作为反应仪器、药品和溶剂都为消耗品、需要用核磁和高分辨质谱作产品的表征，这些方面都是极其耗费实验经费的；由于受实验仪器和实验室面积的影响，在实验过程中不能保证一个人一组，为了按时完成有机化学实验的教学任务，只好2个或者2个人以上为一组进行实验。而有机化学虚拟仿真实验只需要固定的实验室来安放一批计算机，再投入一些购置仿真软件以及更新软件的费用即可，实验经费远低于传统的有机化学实验。另外，虚拟有机化学实验并不需要真实的玻璃仪器、药品和溶剂，从而避免了这方面的浪费，进一步节省了学校在有机化学实验方面的投入。

（六）弥补没有特殊实验仪器的缺陷

在有机化学实验里面，有的实验对条件要求比较苛刻：有的实验要求高温高压、有的实验要求无水无氧、有的实验要求有特殊气体处理装置等。在做实验时，如果实验室暂时没有这些特殊的实验仪器，将会导致实验无法开展。相反，将虚拟仿真引入到有机化学实验后，将不受实验仪器的限制，在虚拟环境下能够完成各类有机化学实验，使教学效果更加明显。

（七）真正做到绿色、无污染、避免潜在危险［5］

在传统的有机化学实验教学里，学生在做实验前不注重对实验的预习，不了解实验的实验原理和实验步骤，对实验仪器也不熟悉，做实验时只是按照实验讲义机械地进行实验，实验的失败率较高，这样就会造成实验药品及溶剂的浪费，同时增加了对环境的污染。将虚拟仿真引入到有机化学实验后，学生在实操阶段就能够减少失败率，同时也减少了对实验药品及溶剂的浪费，也进一步降低了对环境的污染。在传统的有机化学实验中，所使用的有机化学药品多数是对人体有害的物质，即使是乙醇等常用溶剂也会对人体造成一定的伤害。另外，在实验过程中有时还会产生有毒气体或者是发生药品的喷溅乃至爆炸，学生一旦不认真做实验，就有可能对自身造成一定的伤害。将虚拟仿真引入到有机化学实验中，就会避免上述危险，既能按时完成教学任务，又能保证学生的人身安全。

三、将虚拟仿真应用于有机化学实验的策略

将虚拟仿真引入到有机化学实验中有着诸多优点，但虚拟仿真是不可能完全代替真实实验操作的。首先，虚拟仿真实验虽然是整个实验过程的模拟，但要想培养学生的动手能力，还必须通过真实的实验操作来完成；其次，在真实的实验过程中，会出现一些无法预料的突发状况，这也是在虚拟仿真实验中无法模拟到的［6］。因此，在有机化学实验教学中，为了达到更好的教学效果，我们既不能单纯地依赖虚拟仿真实验教学，也不能只依赖传统的有机化学实验教学，而需要将两者有机地结合在一起。通过虚拟仿真实验来完成对实验的预习和实验过程的模拟，通过真实的实验操作来提高学生的动手能力和处理突发状况的能力，从而使教学效果更好。

参考文献：

［1］狄宝晶．三维动态虚拟现实仿真与大学机械类实验教学中的软件建设［J］．现代制造技术与装备，2016（5）：172－175．

［2］赵经成．运用现代技术开展仿真模拟实验教学［J］．中国高等教育，2003（10）：30－31．

［3］茹婷婷，石莹岩，初学峰．基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议［J］．高教学刊，2016（12）：54－55．

［4］苏旭霞，刘素楠，管立新．开展虚拟仿真实验促进实验教学改革［J］．科技广场，2008（3）：252－254．

［5］曾凡斌，刘汉兰，谢劲松．利用虚拟化学实验促进有机化学教学［J］．中国现代教育装备，2008（12）：89－90．

［6］郭亚宁．仿真模拟技术在有机化学实验教学中的作用［J］．高校实验室工作研究，2011，108（2）：46－47．

作者:陈国军 单位:长春工程学院