浅谈虚拟化学实验室在教学中的优势
【摘要】 实验教学是化学教学中的重要环节。目前，我国化学实验教育中还存在着一些我们不能回避的事实，借助虚拟化学实验室，可以解决传统化学实验教学存在的一些问题，并根据具体实验操作，尽可能避免直接接触危险及有毒的化学药品，减少废弃物的排放，提高学生的环保意识等，从而达到提高学习效率和教学水平的目的。
【关键字】 虚拟实验室 化学实验 优势
化学是一门以实验为基础的自然科学。因此，国内外课程改革中出现的各种理科(科学)教材中，都有一个共同的趋势：走向实验。化学实验是培养学生的实践能力和创新精神，激发学生学习兴趣和强烈求知欲的重要内容。教师的责任，既要利用化学实验这一得天独厚的条件，引导学生去观察、感知、探究化学知识，还要通过探究性实验活动，教会学生科学研究的方法，发展学生的思维能力和创新能力。戴安邦教授认为：“实验室应该是学生学习化学最有效和收获最丰富的场所。”[1]
虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类是与进行实验的实验系统。[2]在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。与传统实验室相比，虚拟实验室有以下几个方面的优势：
一、学生由被动听讲转为主动学习。
化学实验教学模式通常是学生预习，教师现场讲解，学生再进行实验。学生在整个实验过程只能机械记忆、机械操作，而很少深入思考结论是如何得来的，为什么这样做，而不那样做，很少有机会尝试用不同的实验途径去探索发现和获得，缺乏学习的主动性和积极性。对实验课不重视，教学效果差，达不到实验教学的目的。长此以往，学生主体性的发挥受到影响和限制，阻止学生个性能力的全向发展。化学是一门实验科学，离开了实验，黑板上“做实验”，本来经过实验很简单的现象，很简单的道理，由于学生没有亲自实验，结果完全由教师在黑板上分析来分析去，就变得极为艰难和深奥，因为理论脱离了实际。
在虚拟化学实验室上，我们可以通过声音、画面、文字、于一体能展示微观世界，微缩的客观世界，模拟化学反应，打破了学生认识中的时空限制，用各种感官来感知信息有利于学生的主动参与，激发学习兴趣，更符合现代学生的思维学习习惯，在通过交互功能和模拟技术，对一些危险性、危害性的实验。放心的让学生大胆操作，为学生的探索和创造提供条件。虚拟化学实验室的将知识性、趣味性融为一体，教学方法上采用启发式教学，使学生从被动学习转变成主动参与，从而有利于提高学生的综合能力，培养学生的创新意识。
二、有利于避免真实操作所带来的各种危险。
绝大多数高中化学实验教学中，都不可避免地对环境造成污染，高中实验室是师生学习的重要场所，由此产生的环境污染和对师生健康的直接影响也小可忽视。化学实验试剂大多数具有易燃、剧毒、腐蚀性，在实际操作过程中要求学生高度认真，以免失误导致事故发生。虚拟实验室可以为学生提供一个虚拟的实践空间，加深对实验安全规范的认识，例如，通过虚拟化学实验室模拟出实验中的错误操作，将水倒入浓硫酸中，液体沸腾并飞溅，从而使学生亲自感受错误操作的危险性，提醒学生避免这些错误的发生，这样就会给学生留下深刻的影响，对实验中的安全规范操作引起高度重视，降低化学实验室事故发生的概率，即使出现危急情况，学生在虚拟实验室的训练也有助于他们及时正确的处理。
三、虚拟实验室仪器零消耗，也无污染
常规的化学实验中不可避免地要消耗大量的药品和水资源，实验过程中伴随着有毒气体、废水以及有害物质，这既污染环境，又影响实验效果，既不利于学生实验能力的培养，也不利于环境保护。例如，在学习硫的知识中：（1）模拟硫与氧气反应，指出生成的 SO2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大气中，就会产生环境污染。虚拟化学实验室不存在着磨损、破坏，可反复使用而且节约了时间、药品，又加深了学生的印象。既满足了教学要求，又能提高办学效益，同时减少实验损耗[37]。学生足不出户便可以做各种各样的实验，这就大大的激发了学生的学习兴趣，学生在掌握知识的同时又可以加强环保意识，从而起到良好的教学效果
四、实验效率高，节约时间
虚拟实验室省去了真实实验时的许多简单劳动[20]，如实验器材准备等，让实验者可以集中精力研究实验对象本身的特性和规律。同时，虚拟实验室通过提供良好的在线帮助和学习功能，可帮助实验者迅速掌握实验研究内容和达到实验研究的具体目标和要求，从而提高了学习和研究效率。
计算机模拟有利于学生复习和巩固学生做完实验后，由于受到主客观条件的限制，一般难以再安排进行重复实验，因而实验知识往往得不到巩固。如果将实验内容设计成教学软件，学生则可以自由地选择时间和地点进行多次的模拟实验，这无疑是对实验课的一种有力补充。例如，在分析化学实验模拟电光天平的使用，利用计算机模拟可达到以下效果：1．演示将拆散的天平部件逐一放在正确的位置，同时采用文字和语音提示该部件的名称、用途以及使用时的注意事项等，当组装完成后，再演示称量操作的步骤。在该过程中，其动画图像清晰、逼真，语音提示可以加深学生对实验步骤的重视和理解，相比之下常规演示实验难以达到这种效果。2．练习给出拆散的各天平部件，让学生自己去完成组装和称量练习，每一个操作步骤都给出正确与否的判断，若错误则提示正确的操作方法。3．巩固给出实验器材，在没有正确提示的前提下完成所有操作，正确时给出欢快的掌声；错误时则指出其错误，同时给出提示并给予鼓励至完全正确，因此这种计算机模拟实验模式完全可以成为课堂教学的有力补充。
五、化微型为宏观，微量夸大化
在有的实验中微观粒子的流动是不可视的，学生只能听老师讲解，不能亲自观察实验，如原电池中微观的电子流流向，阴、阳离子流向，电子互换；弱电解质的电离平衡过程，有的实验反应瞬间即成，如氯气与氢气混合光照反应刹那间就完成了，观察者很难捕捉到过程现象，利用虚拟实验室可以减缓反应速度，帮助理解反应原理，又如把一瞬即逝的生成氢氧化铁，白色沉淀的现象定格在屏幕上，学生就能清晰地看到白色的氢氧化铁。利用虚拟化学实验室，将实验现象变抽象为具体，变静态为动态，将微观过程进行宏观模拟，把宏大场景作缩微处理，对瞬变搞定格分析，化枯燥为生动。
六、制作课件简单,方便观看
利用实验室近几年更新的计算机控制处理的实验设备，重新录制比较标准的实验教学录像片。该教学片系统地讲授化学实验技术以及每个实验的实验原理、具体的操作步骤、正确的实验现象。学生在实验前通过观看教学录像，了解所用实验仪器的原理和操作方法、实验中的现象。使学生在进入实验室后，能在有限的实验教学时间内，熟悉所用仪器，加深对物理化学研究方法的了解。拓宽学生知识面，增强学生学习兴趣，完善学生的知识结构，全面理解实验的各个步骤，进而熟练的进行实验操作
七、实现实验技能自动测评
对于学生来说，实验技能的培养受到重视。但与此不相对称的是，当前实验技能测评的方法却相当落后，常见的有实验报告法、表现性评定法等，这些方法的缺点显而易见。
录制与回放技术的实现使虚拟化学实验室用于测评成为可能。当前的录制与回放技术主要有屏幕录制和回放技术、底层事件录制和回放技术和高层事件录制和回放技术。采用高层事件录制与回放技术录制的数据文件可读性强，方便对学生和教师的操作进行对照分析，从而找到学生操作的错误；采用该技术实现的录制与回放模块在虚拟化学实验中占用系统资源较少，对实验效果的呈现不会造成任何影响；采用该技术实现的录制与回放模块开发比较简单，而且可以方便地集成到各种化学实验室中去，方便用户的使用。
【结语】“以实验为基础”是化学学科的基本特征。化学实验是化学教育的基础、是化学科学认识的源泉、是训练科学方法的有效途径、是养成科学态度的必由之路。从培养学生科学素质、为学生终身发展奠定基础的角度重新审实验在中学化学教学中的作用和功能。
时代特征决定社会需要能够孕育出新观念，并将其付诸实施、取得新成果的创新型人才，但传统的验证性实验忽视学生的认知主体作用，束缚和制约学生的创新意识，传统教学模式培养出的人才越来越不符合社会所需人才的标准。中学阶段是学生创新思维形成的最佳阶段，化学实验教学对培养学生创新思维具有十分重要的作用，所以，改革传统化学实验教学模式势在必行。虚拟的化学实验室具有高效、易用、开放、灵活、功能强大、性价比高、用户自由定义等优点，可以提高实验效率，降低实验成本。虚拟化学实验室必将更广泛地应用到化学教学。
参考文献：
（1）王磊等译．中小学科学教学——基于项目的方法与策略[M]．北京：高等教育
出版社，2004：36．
（2）李笑、董云耀，基于WEB的虚拟实验室的研究与设计[J]计算机与数字工程.2006(2)132
（3）王程杰 主编．中学化学实验研究[M]．上海：华东师范大学出版社，2005：60．
（4）龙剑 多媒体在基础化学实验教学中的应用[期刊论文]-六盘水师范高等专科学校学报 2010(3)
（5）张英樱 多媒体技术在化学实验教学中的运用[考试周刊] 2008(53)
（6）协热尖措 关于中学化学实验教学也可以应用多媒体教学技术【大观周刊】2011(10)
（7）刘红玲，杨凯，基于VRML的网络虚拟实验室建设[J]，徐州工程学院学报，第20卷第5期，第101页
(8)屈凌波，郑杰．虚拟现实技术在化学中的应用——虚拟化学实验室[J]河南科学1998 (02)241~244
（9）傅骞，曲朝霞，面向测评的虚拟化学实验室研究与实现[J].开放教育研究，2006（3）76~79
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