計算機仿真對傳統教學模式革新的作用

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本文作者：桑雪梅、王敏、李軍、尚宏利、許俊強、林勇 單位：重慶理工大學化學化工學院

為充分發揮物理化學實驗教學的積極作用，摒棄傳統實驗教學的弊端，并適應二十一世紀培養人才的需要[1]，利用計算機仿真技術對傳統的教學模式進行改革，從而實現物理化學實驗教學的綠色化、開放化、素質化和節約化。

1計算機仿真實驗教學平臺

計算機仿真實驗平臺是以計算機仿真技術為核心，利用計算機創建一個可視化的實驗操作環境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種實驗[2-3]。

具體的仿真實驗項目可采取如下操作過程：(1)在Windows下運行“化學實驗計算機仿真系統”；(2)授權登陸，選擇實驗；(3)根據需要選擇相關內容進行學習，在“實驗演示”中，根據實驗要求，用戶可選擇儀器及藥品自己組裝裝置，實驗過程采用動畫方式來演示全過程；(4)實驗結束后，返回主菜單。選擇課堂練習和實驗要點總結相關思考題或進行練習；(5)退出系統。

2物化實驗教學改革的實現

2.1實現實驗教學的綠色化

綠色化學[5](GreenChemistr)又稱環境無害化學(EnvironmentalBenignChemistry)是指從污染預防的基本思想出發，在化學品生產的始端就采用預防的科學手段，整個過程和終端均為零排放或零污染。

傳統的物理化學實驗涉及到很多化學試劑，有些甚至是有毒有害的，如“原電池電動勢的測定”實驗中制備鋅電極就需要使用到硝酸亞汞；并且在各實驗過程中排放的“三廢”不可避免的對環境造成污染，雖然看起來量好像不大，但這種“聚沙成塔”的效應不容忽視，因此我們很早就提出要在教師和學生的頭腦中樹立綠色化學的思維方式，并把綠色化學理念融會到實驗教學中[5]。

在計算機仿真實驗中學生通過鼠標就可以完成實驗，實驗藥品零投入，在過程中也就不存在三廢的產生，可以說在源頭上杜絕了污染的產生，特別是那些傳統實驗中必需使用有毒有害藥品的實驗，計算機仿真無疑可以實現實驗的綠色化。

2.2實現開放式的教學模式

近幾年我國高等教育發展步伐的加快，高教規模逐年擴大、數量增多，使得我國高等教育由原來的精英教育向大眾教育轉變，同時也給高校軟硬件設施構成了相當的壓力。為了解決傳統實驗教學模式的不足，提出了開放式教學模式[6-7]，我們也在這方面進行了一定的探索。實踐表明，該種教學模式有其一定的優點，但由于受到實驗場地、儀器數量及指導教師配備等諸多因素的限制，很難收到理想的實驗教學效果。

計算機仿真實驗只需要一間微機室，20~40臺電腦，1~2名指導教師，甚至可以將仿真實驗軟件放到校園局域網上，學生在寢室就可以完成實驗，更加打破了時間和地點的限制。學生根據自身的時間安排、興趣愛好和培養方案等選擇實驗項目，登錄仿真實驗平臺，通過自學了解實驗目的，實驗原理，儀器構造，使用說明及注意事項等，通過觀看動畫熟悉實驗過程，再進入實驗模塊自行搭建裝置，連接電路進行實驗。

2.3以學生為主體，激發學生的學習熱情

傳統的物理化學實驗儀器多、原理復雜、概念抽象、信息密度大、數據處理繁瑣，學生很容易產生畏難情緒；物化實驗涉及藥品、儀器、水、熱、電等諸多方面的使用，注意事項相對較多，為了學生人身和實驗儀器的安全，指導教師對注意事項反復強調，導致有些學生縮手縮腳，不敢動手，這樣都發揮不出學生的學習熱情和在教學中的主體作用。

在計算機仿真實驗中枯燥的實驗原理變成了生動的動畫，儀器設備的內部構造不再是黑匣子，儀器使用方法和實驗的操作流程可以動畫演示，并反復播放，實驗中的錯誤操作會得到警示音或文字的及時提醒，對于會造成嚴重后果的錯誤，還可以動畫的形式模擬。比如“金屬相圖的繪制”實驗，步冷曲線的折點標志著新相的產生和舊相的消失，在傳統實驗中將樣品加熱到熔化，學生通過攪拌“感覺到”熔化了，但之后降溫過程樣品管中固相是怎樣產生的，液相是如何消失的，則完全不解。計算機仿真實驗在步冷曲線出現折點或平臺時，相變過程就可以通過動畫形式生動地呈現出來。這樣使物化實驗化靜為動，化繁為簡，化抽象為具體，化枯燥為生動，在視覺和聽覺的刺激下，學生不僅打消了對實驗的顧慮，而且激發了實驗的積極性，學生通過點擊鼠標人機交互，從預習到操作、記錄完全可以獨立完成，真正體現了“教師為輔，學生為主”的教學理念。

2.4人機交互，師生素質共同提高

通過計算機仿真實驗學生有了學習熱情，自主完成實驗；可以通過回放、慢動作、反復操作等方式對實驗原理、儀器使用等加深理解，提高儀器使用的能力；學生可以自己搭建實驗裝置，連接電路，選擇試劑和實驗條件進行實驗，甚至可以自己設計實驗，使獨立思考問題和解決問題的能力以及創新能力得以提升。計算機仿真實驗使教師從以前反復講解，強調、提醒的勞動中解脫出來，有精力將自己的教學經驗、教學思想加以整理，編入仿真實驗軟件中，實現教師—計算機—學生三者的交互，及時發現問題，反饋信息，有助于教師教學水平的提升。

2.5減少浪費，提高效率，實現實驗節約化

物化實驗儀器設備較為昂貴，每學期用于運行和維修的費用都較高，有些儀器一旦損壞，必需等待專業技術人員上門或返廠維修；儀器數量有限，往往同一實驗要開幾十次，需要配備的指導教師較多，實驗周期較長；物化實驗耗時長，學生大部分時間都是在“等實驗”，對于失敗的實驗在有限的實驗教學時間里往往無法重做，這些無疑在人力、物力、財力和時間上都造成了很大的浪費。計算機仿真實驗幾乎是藥品設備“零投入”，日常只需要對計算機和仿真軟件進行維護；而通過仿真實驗在保證實驗現象和結果的同時可縮短實驗時間，原來4學時的實驗2學時即可完成，教師在原有的學時計劃下可以開設更多的實驗項目，擴大學生的知識面。

3結束語

計算機仿真實驗藥品試劑、儀器設備“零投入”，“污染物零排放”，因而實現了實驗教學綠色化；利用計算機多媒體技術對實驗原理、裝置、流程、實驗過程等，用文字、聲音、圖像、動畫、影視等方式進行仿真，形象生動，迎合當代大學生的學習心理，能大大激發學生的學習熱情，變被動為主動，使綜合素質得到明顯提升。當然計算機仿真實驗也不是萬能的，現有的實驗軟件可再開發性還不強，應用于設計性實驗還不得力，如何發揮計算機仿真技術的優勢，使之更好地為實驗教學改革和培養人才服務，還需要物化教學工作者不斷努力探索和研究。