第一章緒論1.1選題背景實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)的實(shí)踐教育中占據(jù)著十分關(guān)鍵的地位，具備了直觀和操作性的特征，是學(xué)校把知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際能力的主要渠道。而使用化工作為一個(gè)介于化學(xué)與化工之間的獨(dú)特學(xué)科領(lǐng)域[1]，其所培育的人才都必須具備化工方面的知識(shí)、基本理論、基本技術(shù)，及其相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐技術(shù)。應(yīng)該說，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)涵蓋了所有使用化工技術(shù)專業(yè)學(xué)生的本科教育學(xué)業(yè)階段。但有些試驗(yàn)因受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、條件、資源、設(shè)施，以及時(shí)間等多種因素的制約而很難進(jìn)行，從而嚴(yán)重影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，致使教學(xué)上面臨著巨大的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)達(dá)為學(xué)校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革奠定了基石，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的廣泛開展則為加強(qiáng)實(shí)踐性教育、改善基礎(chǔ)教學(xué)條件提供了重要保證。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究過程中，一種信息化、網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)集成環(huán)境被建立了出來，教師們能夠把聽覺、視覺和觸覺等感官的虛擬試驗(yàn)環(huán)境整合到課堂教學(xué)中，這就給應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)踐的課堂教學(xué)帶來了嶄新的思考模式。1.2國(guó)內(nèi)外研究綜述1.2.1國(guó)內(nèi)研究綜述1998年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）就研發(fā)了網(wǎng)上的虛擬遠(yuǎn)程試驗(yàn)室，該系統(tǒng)主要為學(xué)校學(xué)生提供了一種能夠完成微電子學(xué)與電路設(shè)計(jì)課題的試驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生們能夠遠(yuǎn)程在自已的電腦上產(chǎn)品設(shè)計(jì)和編輯電路模塊，然后可以使用互聯(lián)網(wǎng)訪問遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室收集來源于麻省理工學(xué)院試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析，并使用網(wǎng)絡(luò)虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)自已的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。德國(guó)Ruhr學(xué)校內(nèi)建有網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程中，學(xué)習(xí)者能夠在實(shí)驗(yàn)室里享受三維實(shí)驗(yàn)情境的視覺效果，同時(shí)借助虛擬實(shí)踐裝置通過交互式操作進(jìn)行虛擬實(shí)踐。再如，美國(guó)COREL公司還專為大學(xué)學(xué)生研發(fā)并設(shè)計(jì)了虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室CORELChemLab，學(xué)生可以在平臺(tái)內(nèi)自主運(yùn)行五大類的預(yù)設(shè)試驗(yàn)，并根據(jù)真實(shí)試驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程來完成具體試驗(yàn)，并觀測(cè)相應(yīng)的虛擬試驗(yàn)現(xiàn)象。總體而言，像美軍、德軍等發(fā)達(dá)地區(qū)的化學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真已進(jìn)一步發(fā)展的比較完善，在化學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可根據(jù)專業(yè)特色實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)開發(fā)，學(xué)生也可在平臺(tái)中進(jìn)行在線編訂、實(shí)時(shí)評(píng)估，進(jìn)一步縮小了地區(qū)和高校間教學(xué)設(shè)備的差異。國(guó)外使用虛擬仿真技術(shù)來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，是我國(guó)建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)、科學(xué)強(qiáng)國(guó)蓬勃發(fā)展的新方向與趨勢(shì)，是我國(guó)學(xué)術(shù)界可以深入開發(fā)與深入研究的熱點(diǎn)話題[2]。1.2.2國(guó)外研究綜述與發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)比較，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)由于興起較晚，能力上也與國(guó)外存在著一些差異。而從目前發(fā)展趨勢(shì)來看，強(qiáng)大的我國(guó)政策支撐下，其發(fā)展趨勢(shì)將不可低估。在2018年，按照《國(guó)家教育部有關(guān)繼續(xù)開展我國(guó)虛擬化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目工作的通告》的文件精神，在國(guó)家教育部公布并確認(rèn)了105個(gè)第一批的我國(guó)虛擬化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目后，將逐步建立我國(guó)虛擬化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的集中展示與公共平臺(tái)，并同時(shí)監(jiān)管建設(shè)項(xiàng)目間進(jìn)行的外部聯(lián)通與服務(wù)情況。如由中科院上海有機(jī)化學(xué)研究院開發(fā)的ChemLab，現(xiàn)已成為學(xué)生預(yù)習(xí)試驗(yàn)、向老師展示試驗(yàn)成果的理想工具，學(xué)生也能夠在平臺(tái)中進(jìn)行準(zhǔn)備試驗(yàn)、完成有安全隱患的試驗(yàn)。再如，由北京市某企業(yè)研發(fā)的“亞泰盛世”集虛擬系統(tǒng)仿真、3D特效、自由互動(dòng)功能于一身，體系中包括了虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。由南京金華科集團(tuán)研發(fā)的模擬生化實(shí)驗(yàn)室，專門面向高校生化課程。老師編寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、過程，然后制作實(shí)驗(yàn)文檔，再讓學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行虛擬試驗(yàn)作業(yè)[3]。1.3研究意義1.3.1理論意義可以深入淺出地論述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效融合的路徑，并且可以為多媒體教學(xué)與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效融合提出可借鑒的思考方法與意見，從而加強(qiáng)了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論指導(dǎo)，使新的現(xiàn)代技術(shù)變成了課堂教學(xué)的有力武器，而不是累贅[4]。實(shí)驗(yàn)意義通過研究，可以高校教師使用更有效的輔助手段來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。老師在實(shí)際的課堂教學(xué)中，通過利用和開展虛擬仿真實(shí)踐輔助，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，以提高課堂教育技術(shù)創(chuàng)新能力和學(xué)科素質(zhì)；學(xué)?？蓽p輕對(duì)實(shí)驗(yàn)室資金與設(shè)施的壓力，并克服了應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)課由于客觀條件的不足或教學(xué)時(shí)間有限等局限原因。第二章虛擬仿真技術(shù)及教學(xué)應(yīng)用概述2.1虛擬仿真技術(shù)2.1.1概念虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型仿真又叫做虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)仿真技能來模擬真實(shí)環(huán)境系統(tǒng)的技術(shù)。在技術(shù)上包含了和圖形學(xué)、通訊網(wǎng)絡(luò)等有關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)[5]。同時(shí)，也融入了人機(jī)互動(dòng)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)科技等的概念，是一種綜合集成類信息技術(shù)。通過電腦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型仿真得到了逼真的圖象效果，給使用者帶來身臨其境的體驗(yàn)與感受。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)電腦仿真技術(shù)控制系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的實(shí)際動(dòng)作給與即時(shí)反應(yīng)，使虛擬環(huán)境控制系統(tǒng)給人的感覺與真實(shí)世界的感覺非常相似，從而形成了人機(jī)互動(dòng)的真實(shí)性。虛擬仿真技藝目前已在制造業(yè)、農(nóng)村、商場(chǎng)等上運(yùn)用相當(dāng)普遍，如在油田礦井、水利工程灌溉、房屋設(shè)計(jì)、旅游教學(xué)、建筑室內(nèi)裝飾、工業(yè)生產(chǎn)過程優(yōu)化、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等方面，均有新的演繹方法。2.1.2系統(tǒng)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)體系一般分為輸入裝置、輸出裝置、建模數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。輸入裝置即用戶感受虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)的開啟，從真實(shí)世界中“觸碰”虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的窗口。而建模數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)則是建立虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境、信息管理虛擬仿真信息系統(tǒng)，并根據(jù)使用者操作情況進(jìn)行更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息的主體。通過輸入或輸出裝置使用戶得到相應(yīng)感受，從而形成沉浸感受。2.2虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)分析2.2.1虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析（1）突破時(shí)間與空間局限。傳統(tǒng)生化試驗(yàn)方法需要在生化試驗(yàn)室或?qū)ｉT的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，用生化儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)藥品，并根據(jù)所規(guī)定的時(shí)限來進(jìn)行試驗(yàn)操作學(xué)習(xí)。學(xué)生在實(shí)踐過程中，可能會(huì)由于部分操作做錯(cuò)而無法繼續(xù)下去，且由于課程科目較多，時(shí)間緊迫，且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有相關(guān)安全規(guī)章管理，學(xué)生無法隨時(shí)隨地的進(jìn)行實(shí)踐作業(yè)。而虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)則能夠使實(shí)驗(yàn)操作者不受時(shí)間與空間的約束，僅需要在配備有虛擬現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)軟件的電腦上，即可隨時(shí)進(jìn)行實(shí)踐模擬，從而熟悉了實(shí)踐操作步驟。最大限度地滿足與提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，從而提升了實(shí)驗(yàn)與教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的整體效果。（2）節(jié)省實(shí)驗(yàn)室成本。傳統(tǒng)生化試驗(yàn)必須采用精密貴重的試驗(yàn)儀器設(shè)備，如操作步驟不熟練，可以造成儀器設(shè)備的巨大損傷與消耗。同時(shí)，由于秉承實(shí)驗(yàn)室管理模式，試驗(yàn)藥品無法實(shí)現(xiàn)反復(fù)或多次使用，不但可能耗費(fèi)大量的化學(xué)藥品，而且還會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室中“三廢”的現(xiàn)象形成。但學(xué)生們可以通過在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)無限多次的循環(huán)虛擬試驗(yàn)使用，從而熟練試驗(yàn)過程，減少在實(shí)際試驗(yàn)中的時(shí)間消耗，從而節(jié)省了試驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)成本。（3）維護(hù)學(xué)校與實(shí)驗(yàn)室的安全。在化學(xué)試驗(yàn)過程中，若使用到易燃易爆、高毒性強(qiáng)腐蝕藥劑，存在著相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，未知特性也使得學(xué)生容易在化學(xué)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生恐懼心理。而一旦學(xué)校的化學(xué)安全意識(shí)淡薄或使用錯(cuò)誤，很有可能導(dǎo)致化學(xué)試驗(yàn)室的安全問題。虛擬仿真技術(shù)可以提供學(xué)生一個(gè)了解試驗(yàn)用藥品、實(shí)驗(yàn)儀器等設(shè)備，并熟悉化學(xué)試驗(yàn)操作的平臺(tái)。學(xué)生能夠在虛擬仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行有害或健康風(fēng)險(xiǎn)較大的化學(xué)試驗(yàn)，從而有效減少或者防止了由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)過失所造成的安全隱患。而學(xué)生在實(shí)際試驗(yàn)過程中，又由于已經(jīng)預(yù)設(shè)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)際試驗(yàn)過程中可以更加穩(wěn)妥地進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)操作。（4）適時(shí)反映和科學(xué)性。虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)前期系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行正常的試驗(yàn)運(yùn)行過程，當(dāng)學(xué)生在平臺(tái)內(nèi)完成試驗(yàn)過程中一旦發(fā)生了錯(cuò)誤操作，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行提醒，并暫停試驗(yàn)以進(jìn)行下一個(gè)。學(xué)習(xí)者可以通過自己對(duì)試驗(yàn)過程的了解調(diào)節(jié)動(dòng)作，如果反復(fù)嘗試仍然操作出錯(cuò)，也可打開系統(tǒng)幫助，來規(guī)范自己的操作步驟。這既能夠使學(xué)生了解正常的試驗(yàn)動(dòng)作過程，也能夠使學(xué)生深入記憶試驗(yàn)失誤部分。2.2.2虛擬仿真技術(shù)的劣勢(shì)分析（1）局限想象力。虛擬仿真技術(shù)通過電腦程序設(shè)定的實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但無法對(duì)客觀世界的物質(zhì)屬性作出全面細(xì)致描繪，與學(xué)生缺乏現(xiàn)實(shí)接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不真實(shí)感。而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生學(xué)生無法預(yù)知實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，若通過虛擬電腦仿真技術(shù)來徹底替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，會(huì)使學(xué)生沒有處理突發(fā)狀況的機(jī)會(huì)，也無法刻畫客觀世界的未知領(lǐng)域，從而僵化學(xué)生對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)。（2）缺乏基礎(chǔ)實(shí)踐操作技能的培訓(xùn)。虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)營(yíng)造的平臺(tái)環(huán)境有著良好的互動(dòng)性，能夠使學(xué)生感受操作虛擬化工結(jié)果試驗(yàn)儀表來進(jìn)行化工實(shí)踐的滿足感。但是化學(xué)課程學(xué)習(xí)要培養(yǎng)的實(shí)際操作技能能力，用虛擬仿真結(jié)果試驗(yàn)來徹底代替學(xué)生實(shí)際動(dòng)筆試驗(yàn)，而完全依靠虛擬計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)很可能會(huì)使學(xué)生沒有實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，也不利于學(xué)生的動(dòng)筆實(shí)踐能力，背離了化工實(shí)驗(yàn)的本意。2.3虛擬仿真技術(shù)輔助應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的理論支持2.3.1“有意義接受”學(xué)習(xí)理論“意義接受”教學(xué)基礎(chǔ)理論是美籍心理醫(yī)生奧蘇貝爾(DPAuSubel)對(duì)機(jī)器教學(xué)給出的相對(duì)概念。他將教學(xué)分成兩類：“有意義學(xué)習(xí)”和“機(jī)器教學(xué)”。他強(qiáng)調(diào)，意義接收學(xué)習(xí)者的實(shí)質(zhì)是學(xué)習(xí)者可以將固有認(rèn)識(shí)框架中的新概念，與其他人規(guī)定的符號(hào)或文本中所代表的新知，形成實(shí)質(zhì)性或非人為的聯(lián)絡(luò)。奧蘇貝爾主張，如何使學(xué)習(xí)者進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)，首先就是要使學(xué)習(xí)者接觸到富有邏輯意味的學(xué)習(xí)資源，它并不一定都是合乎客觀規(guī)律或正確的新東西。然后，就應(yīng)該使學(xué)習(xí)者擁有意義學(xué)習(xí)的意愿，對(duì)新東西形成強(qiáng)烈的興趣和探求欲。最后，在學(xué)人自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中也應(yīng)該擁有相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備，并與新知加以聯(lián)絡(luò)整合。他還強(qiáng)調(diào)，進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)的三項(xiàng)要求，必須缺一不可，否則就非常容易產(chǎn)生死記硬背的機(jī)械學(xué)習(xí)。2.3.2信息技術(shù)與課程整合理論2000年，國(guó)家教育部第一次在《有關(guān)在中小學(xué)校推廣信息教學(xué)的通告》中，明確提出了信息教育和教學(xué)融合的概念。所以信息化教育和教學(xué)整合就應(yīng)當(dāng)是雙向整合，即信息化服務(wù)于各學(xué)科教育過程中，推動(dòng)學(xué)科教育的實(shí)施與變革；將學(xué)科教學(xué)課程融入教育信息化，推動(dòng)信息在學(xué)校教學(xué)中的研究運(yùn)用與發(fā)展。二者交叉融通，各取所需，在同一個(gè)教育過程中既要完成課程教學(xué)任務(wù)，也要達(dá)到培育學(xué)習(xí)者信息素質(zhì)的目標(biāo)。實(shí)際教學(xué)中運(yùn)用教育信息化和教學(xué)融合理論，首先要構(gòu)建一種基于信息技術(shù)的信息化課堂教學(xué)環(huán)境，以達(dá)到老師主體與學(xué)生主體的“雙主”化模式。授課過程中及時(shí)變革了課堂架構(gòu)，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行信息化管理，有效轉(zhuǎn)變了學(xué)生認(rèn)知模式，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效能，開闊了學(xué)生的學(xué)習(xí)眼界。目前，教育信息化與教學(xué)的融合過程大致包括了三個(gè)階段：“學(xué)信息”、“從信息中學(xué)知識(shí)”、“用信息學(xué)知識(shí)”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟硬件設(shè)施的迅速進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)與教學(xué)融合的日益緊密，將計(jì)算機(jī)技術(shù)納入專業(yè)課堂教學(xué)，是未來教學(xué)的首選形式。第三章構(gòu)建虛擬仿真技術(shù)的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式3.1三點(diǎn)一虛擬仿真技術(shù)，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)3.1.1“虛擬貫通”類教學(xué)內(nèi)容“虛幻貫穿”類課程即化工試驗(yàn)現(xiàn)狀不明確或不易于被觀測(cè)到，教學(xué)過程中具有危險(xiǎn)性，通常條件下不易于展示或分組試驗(yàn)的化工試驗(yàn)具體內(nèi)容。且試驗(yàn)的成本大，步驟繁雜，成活率低。建議采取虛幻貫穿的教學(xué)方法來進(jìn)行教育。比如，“濃硫酸的特性”，課程中涉及了大批的化學(xué)性質(zhì)驗(yàn)證性實(shí)踐。如“黑面包實(shí)驗(yàn)”工作過程中會(huì)排放大批污染空氣品質(zhì)的二氧化硫廢氣，化工試驗(yàn)反應(yīng)很嚴(yán)重。當(dāng)說明濃硫酸強(qiáng)烈腐蝕這一特性時(shí)，必須使用濃硫酸和銅反應(yīng)來解釋，試驗(yàn)步驟中還必須加熱強(qiáng)烈腐蝕的液態(tài)物質(zhì)，若使用不嚴(yán)格極易產(chǎn)生試驗(yàn)室問題。用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，并產(chǎn)品設(shè)計(jì)成虛擬現(xiàn)實(shí)版的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。把平時(shí)根本無法完全觀察到的實(shí)踐現(xiàn)狀而不丟失的呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，通過沉浸式感受增強(qiáng)參與感，從而增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的可視化。3.1.2“虛實(shí)結(jié)合”類教學(xué)內(nèi)容“虛實(shí)結(jié)合”類內(nèi)容即典型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)內(nèi)容，并注重于鍛煉學(xué)生實(shí)踐基本操作技能的實(shí)踐內(nèi)容。建議教師通過虛實(shí)結(jié)合的方法，來提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效性。比如，“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實(shí)驗(yàn)，雖然過程很明確但過程中仍有許多需注意的試驗(yàn)要點(diǎn)，若學(xué)生聽課不認(rèn)真，極容易忽視這些試驗(yàn)細(xì)節(jié)。而使用虛擬仿真技術(shù)可適當(dāng)導(dǎo)入虛擬情景，以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。然后再在實(shí)際情景中使用技術(shù)，還原在虛擬仿真結(jié)果試驗(yàn)中使用的虛擬情景，可增強(qiáng)試驗(yàn)教學(xué)效果，也可維持學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的教學(xué)趣味。3.1.3“虛擬拓展”類內(nèi)容“虛擬拓展”類課程即課本中的學(xué)生探索活動(dòng)建議，而實(shí)際大學(xué)生往往缺乏實(shí)踐探索客觀條件的內(nèi)容。建議通過虛擬擴(kuò)展的方式，來增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。如化工生產(chǎn)類中大型的工藝知識(shí)、化工綜合性試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容、對(duì)化合物分子結(jié)構(gòu)的微觀構(gòu)造認(rèn)識(shí)等。在介紹有機(jī)物質(zhì)分子特性時(shí)，為要求學(xué)習(xí)者發(fā)揮思維能動(dòng)性，常使用球棍模式來幫助學(xué)生掌握碳原子排列次序。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表明，多數(shù)學(xué)習(xí)者都無法對(duì)抽象而晦澀的化學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)建立三重表征，從而實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)。在考察含有更多碳原子組成的有機(jī)物質(zhì)分子共線共面類問題時(shí)，其準(zhǔn)確度也極低。使用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助該類化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)者可以在課余時(shí)間中自由探索各種可能性，并適時(shí)進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)反應(yīng)，可豐富學(xué)生的化學(xué)認(rèn)識(shí)層面。而對(duì)于這類知識(shí)點(diǎn)涉及面廣、無法在教學(xué)中全面展示的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，也可以通過虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助讓學(xué)生進(jìn)行自由探索，來擴(kuò)大學(xué)習(xí)者的知識(shí)面。如表3-3所顯示。3.2虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略3.2.1轉(zhuǎn)變教育理念，以解決實(shí)際的化學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目的之一，就是訓(xùn)練學(xué)生處理化學(xué)現(xiàn)實(shí)問題的能力。在虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，以問題為引導(dǎo)，能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。比如，當(dāng)教師講述“濃硫酸的化學(xué)性質(zhì)”這一經(jīng)典化學(xué)事實(shí)時(shí)，可以詢問學(xué)生假如在化學(xué)真實(shí)試驗(yàn)過程中，不小心淋潑濃硫酸到了皮下，怎樣處理這一棘手的化學(xué)問題。而虛擬電腦仿真技術(shù)可以仿真濃硫酸灑濺在皮下表面，如不及時(shí)處理則可能發(fā)生的嚴(yán)重后果等。從化學(xué)實(shí)際問題入手，以處理現(xiàn)實(shí)的化學(xué)問題為主要需求，啟發(fā)學(xué)生去認(rèn)識(shí)并把握濃硫酸的化學(xué)性質(zhì)，最后運(yùn)用處理現(xiàn)實(shí)的化學(xué)問題，從而提升了化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂效果。透過化學(xué)問題來掌握有機(jī)化學(xué)基本知識(shí)，感受利用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)處理化學(xué)問題而產(chǎn)生的成就感。3.2.2綜合虛擬仿真技能，創(chuàng)造了優(yōu)秀的化學(xué)實(shí)踐與教學(xué)環(huán)境學(xué)習(xí)情境是指用來調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)興趣，以及可以加深學(xué)生了解和認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)、體會(huì)有機(jī)化學(xué)重要性的任何事情。它既可能是現(xiàn)實(shí)中具體的，也可以是虛幻仿真的。虛擬仿真技術(shù)能夠模仿真人實(shí)驗(yàn)情景，從而有效引導(dǎo)學(xué)生的注意力到課堂教學(xué)上。還可在平臺(tái)中還可以設(shè)定了大量的實(shí)驗(yàn)問題情景，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的求知欲。在實(shí)驗(yàn)教育過程中，平臺(tái)還會(huì)針對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作狀況，不斷給出帶有時(shí)效性的評(píng)估反饋，使學(xué)生緊緊地圍繞著實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。3.2.3組織虛擬仿真試驗(yàn)，提供生動(dòng)有趣的化學(xué)試驗(yàn)研究過程化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究是科學(xué)探索的重要部分，在化學(xué)實(shí)踐課堂過程中，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探索能力是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心任務(wù)之一。學(xué)生們能夠在化學(xué)實(shí)踐研究過程中逐步提高對(duì)科學(xué)探索的認(rèn)識(shí)，并感受科學(xué)探索在促進(jìn)人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)文明發(fā)展過程中的重要性。同時(shí)，為提高自身科研創(chuàng)新能力，扎實(shí)基礎(chǔ)的化學(xué)實(shí)踐專業(yè)技能、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備應(yīng)用方法和化學(xué)實(shí)踐技術(shù)綜合運(yùn)用的技巧，是未來化學(xué)職業(yè)發(fā)展和專業(yè)發(fā)展的重要實(shí)踐基石。但由于化學(xué)試驗(yàn)研究過程具有未知性和開放性，在實(shí)際應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，往往難以達(dá)到化學(xué)實(shí)踐研究教學(xué)的特點(diǎn)。而虛擬化學(xué)仿真技術(shù)則沖破了時(shí)間與空間的束縛，可以提供更生動(dòng)的化學(xué)實(shí)踐研究過程。3.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)原則目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)評(píng)的方法主要為紙筆測(cè)試，通過對(duì)習(xí)題的了解運(yùn)用程度來評(píng)估學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)點(diǎn)的熟悉程度。利用虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其評(píng)估方法就應(yīng)積極響應(yīng)新課程中對(duì)化學(xué)課程評(píng)估方法的改革要求。在評(píng)估中，通過將學(xué)生自評(píng)和工作小組網(wǎng)絡(luò)共享等有機(jī)地結(jié)合的方法完成了定性評(píng)估部分。同時(shí)，還結(jié)合了紙筆測(cè)試和動(dòng)手能力考核進(jìn)行了量化評(píng)估。力求按照有機(jī)化學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的評(píng)估策略。把實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估工作作為建設(shè)有機(jī)化學(xué)實(shí)踐課堂的重要推手，以加快應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的發(fā)展。為此，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的工作特性，革新了對(duì)生化試驗(yàn)課堂評(píng)價(jià)的具體內(nèi)容。同時(shí)把考評(píng)的工作主動(dòng)權(quán)交還給了學(xué)校，使學(xué)生也是由被考評(píng)者同時(shí)轉(zhuǎn)身為考評(píng)人和被考評(píng)人，身份的變化更能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。實(shí)踐中教學(xué)評(píng)估的主要具體內(nèi)容，如圖3-1所顯示。圖3.1實(shí)驗(yàn)記錄自評(píng)表組成內(nèi)容根據(jù)化學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，學(xué)校決定采用將自評(píng)和他評(píng)、量化和定性結(jié)合的方式，編寫化學(xué)實(shí)踐記錄自評(píng)表來檢測(cè)教學(xué)效果。故該研究過程中的試驗(yàn)記錄自評(píng)表由以下三個(gè)部分構(gòu)成，包含了試驗(yàn)記錄、現(xiàn)場(chǎng)檢查、實(shí)驗(yàn)習(xí)題。使用整分制，100分為評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的表現(xiàn)。3.4實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)原則3.4.1科學(xué)性原則教學(xué)方法上一定要堅(jiān)持科學(xué)性原則，即以學(xué)生的原有化學(xué)水平特點(diǎn)和課程實(shí)踐狀況為大前提，在教學(xué)內(nèi)容中一定要遵循化學(xué)的客觀事實(shí)和基本規(guī)律，在教學(xué)過程上一定要遵守教和學(xué)的順序和原則，堅(jiān)持運(yùn)用綜合方法、強(qiáng)調(diào)教育實(shí)踐過程中的綜合性評(píng)價(jià)方法。本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，以化學(xué)反應(yīng)基本原理、生化試驗(yàn)方法融合于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助實(shí)驗(yàn)及教學(xué)活動(dòng)實(shí)際設(shè)計(jì)的全過程。在教學(xué)活動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，學(xué)校一直秉承著培育學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的宗旨。3.4.2虛實(shí)結(jié)合原則虛實(shí)緊密結(jié)合教學(xué)原則是指教師在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中始終堅(jiān)持將虛擬現(xiàn)實(shí)功能與實(shí)踐動(dòng)手能力使用緊密結(jié)合，而虛擬現(xiàn)實(shí)電腦的模擬技能則是教師輔助于實(shí)驗(yàn)的重要工具。培養(yǎng)學(xué)生在虛擬仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境中，能獨(dú)立進(jìn)行基本化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程，掌握基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)理，了解基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備應(yīng)用方式，并適當(dāng)開展化學(xué)實(shí)踐研究活動(dòng)等。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)環(huán)境中，培養(yǎng)學(xué)生通過自己對(duì)基本化學(xué)實(shí)踐的熟悉程度，更高效的進(jìn)行基本有機(jī)化學(xué)實(shí)踐。3.4.3雙主互動(dòng)原則雙主互動(dòng)式設(shè)計(jì)原則是指教師在實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，既要發(fā)揮指導(dǎo)老師對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，又同樣突出了學(xué)生的市場(chǎng)主體地位，二者相輔相成。中間設(shè)計(jì)老師與學(xué)生、教員與虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)間、學(xué)校教師與學(xué)生、學(xué)校教員與虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)內(nèi)部的交互，并鼓勵(lì)學(xué)生交流與自由探討。指導(dǎo)老師要針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程中的反應(yīng)及時(shí)做出引導(dǎo)，而學(xué)生則在交互中要確定實(shí)踐活動(dòng)的任務(wù)與目標(biāo)。3.4.4發(fā)展性原則科技是發(fā)展的過程，在人類歷史的長(zhǎng)河中，科學(xué)家不斷提高著人們對(duì)自然界的了解，并推動(dòng)著社會(huì)發(fā)展與科技的前進(jìn)。而化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程也是學(xué)生們了解科技的重要一部分。在化學(xué)教學(xué)內(nèi)容選取上，應(yīng)使學(xué)生深刻意識(shí)到化學(xué)物質(zhì)對(duì)人們經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起到的巨大影響，從而有助于學(xué)校建立可持續(xù)發(fā)展觀。在教學(xué)模式上，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展的宗旨，通過不斷引進(jìn)最新科技和新教育思想，強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)課程的本質(zhì)，以滿足科學(xué)、技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需要。3.5虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式綜上，對(duì)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)策略、課堂評(píng)價(jià)方法以及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)原則等的剖析研究匯總，在奧蘇貝爾的“有意義接受”教學(xué)基礎(chǔ)理論，皮亞杰的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和正高速發(fā)展的信息與課堂融合教學(xué)指導(dǎo)下，筆者認(rèn)為整個(gè)虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可融合為“三三三三”的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，教學(xué)模式實(shí)施具體如圖3-2所示。圖3.2為虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式實(shí)施示意圖即三種教學(xué)形式、三個(gè)階段、三元互動(dòng)。三種教學(xué)形式分別為虛擬課堂、虛實(shí)結(jié)合、虛擬拓展；三個(gè)階段分別指老師的課堂預(yù)備階段、課程實(shí)踐階段、評(píng)估優(yōu)化階段，由老師嚴(yán)密地把控授課過程中的重難點(diǎn)問題，為學(xué)習(xí)者提供了豐富的信息資料與課堂輔導(dǎo)。而學(xué)習(xí)者的第三個(gè)階段為知識(shí)過渡階段、知識(shí)建構(gòu)階段、強(qiáng)化優(yōu)化階段，學(xué)習(xí)者將需要由舊的教學(xué)模式逐步轉(zhuǎn)換到全新學(xué)習(xí)模式，運(yùn)用學(xué)習(xí)機(jī)器與虛擬仿真技術(shù)，融合信息資料、自主學(xué)習(xí)，并主動(dòng)地基于自身知識(shí)基礎(chǔ)來完成認(rèn)知意義建立，最后實(shí)現(xiàn)并訓(xùn)練了學(xué)習(xí)者解決問題的能力；三元互動(dòng)，即人機(jī)虛實(shí)互動(dòng)、師生交互、生生互動(dòng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教育過程中并沒有一種完全單向的教學(xué)活動(dòng)，而只是一種人機(jī)、師生、環(huán)境生生互動(dòng)的教育過程。力求把虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)全面融入到應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程中，以達(dá)到用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的效果。“三三三三”化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和傳統(tǒng)的實(shí)踐課程有所不同，它把整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行了重構(gòu)，從而使得虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。在課程預(yù)備階段，老師可以分析課程和教學(xué)對(duì)象，并提出最適合學(xué)校的課程目標(biāo)。同時(shí)制定了虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并設(shè)定了相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容與策略。在實(shí)際教學(xué)過程中，老師可以通過同學(xué)們的反映意見來把控制實(shí)踐課程的節(jié)奏，并運(yùn)用適當(dāng)?shù)亩嗝襟w手段和教學(xué)策略，把學(xué)生們帶到實(shí)際教學(xué)情景中，并講述實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理，給學(xué)生們演示試驗(yàn)過程。而在學(xué)生實(shí)踐過程中，老師還可以巡視指導(dǎo)，并適當(dāng)?shù)貙?duì)學(xué)生們指出了有關(guān)問題，最后可以綜合匯總學(xué)生們?cè)谡麄€(gè)實(shí)踐過程中的試驗(yàn)失誤狀況。在評(píng)價(jià)優(yōu)化階段，首先對(duì)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)形成客觀評(píng)價(jià)，再通過評(píng)價(jià)彌補(bǔ)和調(diào)整課程的內(nèi)涵，并反思課堂教學(xué)過程。最后，為學(xué)生提供知識(shí)拓展的課程資源。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，及時(shí)預(yù)習(xí)課程，明確試驗(yàn)要求，對(duì)老師所給出的信息資料加以總結(jié)，并制定好自主學(xué)習(xí)的方法，在試驗(yàn)之前就能掌握試驗(yàn)要領(lǐng)。在實(shí)踐中，通過認(rèn)真聽講，組織學(xué)生內(nèi)部協(xié)作、自主設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)踐作業(yè)。仔細(xì)觀察和記憶過程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析總結(jié)在此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)感受。并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)自評(píng)測(cè)試，在業(yè)余時(shí)間整理所學(xué)內(nèi)容，以擴(kuò)大自己知識(shí)面。在本研究的對(duì)比實(shí)驗(yàn)課程中，重點(diǎn)針對(duì)試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容類型差異，開展了三個(gè)差異程度的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)課程結(jié)構(gòu)形式。(1)“虛擬貫通”類教學(xué)形式“虛擬貫通”類的教學(xué)形式將利用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫通整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，以利用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)教學(xué)為主，由原老師演示化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，改成學(xué)生在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行與虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)內(nèi)交互性良好的化學(xué)實(shí)踐操作流程，最后再由學(xué)生小組來總結(jié)整理出本課程的化學(xué)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。在整體教育過程中，要時(shí)時(shí)把控住“雙主”教育思想，指導(dǎo)學(xué)生小組協(xié)作，開展研討，反省自己的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、拓展實(shí)驗(yàn)思維的目標(biāo)。該類教學(xué)方案主要適用于建議“虛擬貫通”類的實(shí)踐課程。此種課程形式需要老師能夠正確分析課程和教育的對(duì)象，重心在于運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)準(zhǔn)備階段。因此學(xué)生在教學(xué)準(zhǔn)備階段，應(yīng)該提前掌握虛擬化計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用方式，通過學(xué)習(xí)整合試驗(yàn)信息資料，確定試驗(yàn)要求，掌握試驗(yàn)內(nèi)容的關(guān)鍵信息。在課程實(shí)踐階段，由老師指導(dǎo)學(xué)生通過完成實(shí)踐探究完成課程任務(wù)。學(xué)生可以自主實(shí)操虛擬化試驗(yàn)，并記下虛擬仿真結(jié)果及試驗(yàn)現(xiàn)狀，然后進(jìn)行分組或協(xié)同練習(xí)。在教學(xué)評(píng)估優(yōu)化階段，老師利用虛擬化計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)對(duì)學(xué)生形成教學(xué)評(píng)估，并給出教學(xué)拓展資料。而學(xué)生則使用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)平臺(tái)來進(jìn)行測(cè)試，以及時(shí)梳理所學(xué)內(nèi)容，從而完成整個(gè)教學(xué)過程。（2）“虛實(shí)結(jié)合”類教學(xué)形式“虛實(shí)結(jié)合”類的課堂教學(xué)形式，就是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)來鞏固原有課堂形式，以增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，所謂虛實(shí)結(jié)合，主要包括以下二個(gè)部分。第一部分，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究總結(jié)，是學(xué)生自主組織獲得實(shí)踐認(rèn)識(shí)的過程；而第二部分則以學(xué)生驗(yàn)證能力和動(dòng)手實(shí)操為主，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生實(shí)踐操作技能的鍛煉和實(shí)踐創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，是學(xué)生自主體驗(yàn)獲得實(shí)踐感觀的過程。當(dāng)然，全程離不開老師的科學(xué)引導(dǎo)。而此種課程形式，大多適合于建議“虛實(shí)結(jié)合”類的實(shí)驗(yàn)課程。在課堂準(zhǔn)備階段，老師還需要同時(shí)提供虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在側(cè)重于的課程進(jìn)行階段，由老師進(jìn)行化學(xué)理論知識(shí)介紹，并指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)問題，以指出自己所存疑的地方。再通過合理的誘導(dǎo)與啟發(fā)，讓學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)探究問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生讀書的動(dòng)機(jī)，從而幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)，并啟動(dòng)腦洞，從而發(fā)掘他們的讀書潛力。第二階段則