虚拟实验在物理化学教学中的应用研究

第３Ｏ卷第１期　成都师范学院学报　２０１４年１月　Ｖｏ１．３０　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＨＥＮＧＤＵ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｊａｎ．２０１４　虚拟实验在物理化学教学中的应用研究　奉强　，常　波　，何冰　，张小玲　，李仲辉　（成都师范学院　化学与应用学系；ｂ．教务处，成都６１１１３０）　摘要：考察化学虚拟实验的研究现状，对虚拟实验在物理化学教学中的应用、使用效果进行研究，提出建议。　关键词：虚拟实验；物理化学教学；应用　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—５６４２．２０１４．０１．１１４　中图分类号：Ｇ４３４　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５３６４２（２０１４）０１－０１１４一Ｄ４　前言　虚拟实验目前在教学中的普及率不高，仅有部分学　物理化学主要研究化学体系的宏观平衡性质、　校使用了虚拟实验，且应用层次较低，远远没有达到　微观结构性质以及动态性质，理论知识多，微观抽象　虚拟实验应有的效果。　内容多，学生想象理解困难，学习难度大。如何帮助　２虚拟实验在物理化学教学中的应用　学生对微观抽象内容进行想象，对原理过程进行理　我们现已收集物理化学虚拟实验资源，包括软　解，是物理化学教学的一个难点。　件、录像、网络资源等，达到１００多个，涵盖金属相　虚拟实验具备传统实验无法比拟的优势，对传　图、原电池电动势测定、气一液平衡相图、凝固点降　统教学和知识获取模式是重大的革新，研究如何进　低法测定挥发性溶质的摩尔质量、电泳实验、差热分　行虚拟实验辅助物理化学教学，对物理化学以及理　析、光度分析等多个教学实验；在物理化学教学中，　科教学工作将是一个有益的探索。我们对１１８名化　已能将虚拟实验应用于上述实验操作，包括实验项　学专业学生做过是否愿意接受虚拟实验辅助教学的　目选择、仪器测量选择、传感器型测量选择（如温　调查，高达９１．４５％的学生表示欢迎。¨　度，离子电极，电势差），并能多通道测量，最终进行　１虚拟化学实验研究现状　数据处理，分别显示和结果输出等。　虚拟实验通常是指利用多媒体、仿真、虚拟现实　我们购买了量子化学软件Ｇａｕｓｓｉａｎ０９，这是半经　等技术，用计算机部分或者全部模拟真实实验操作　验计算和从头计算中使用最广泛的量子化学软件。　或过程的操作系统，一般具备感知性、交互性、沉浸　我们在教授热力学部分的内容时，利用Ｇａｕｓｓｉａｎ软件　性和想象性等特点。ｌ２　化学虚拟实验研究通常分　计算分子的不同构象的能量和几何参数，用来判断能　为虚拟实验软件开发研究和对已开发虚拟实验软件　量最低构象（最优构象）；＿１　在教授动力学部分的内　的使用研究。　容时，利用Ｇａｕｓｓｉａｎ软件计算分子间的相互作用的反　目前化学虚拟实验软件的开发及其研究在国内　应能垒，寻找最优的反应途径。　利用软件得到图、　外多个高校被报道，许多专家学者在虚拟实验方面　表和数据能够直观展现热力学和动力学的理论内容，　做了一些工作，对虚拟实验与教学结合进行了有益　有利于加深学生的理解，引起学生兴趣，一些同学甚　的探索。Ｌ４　其中大连理工大学刘志广课题组就虚　至能够主动学习Ｇａｕｓｓｉａｎ软件的使用。　拟现实技术及虚拟仪器做了卓有成效的研究工作。　在进行电化学部分教学时，可以利用虚拟软件进　收稿日期：２０１３－０８－２７　基金项目：四川省教育厅项目（项目编号１０ＺＣ１２８），成都师范学院项目（项目编号２０１０ＪＧ２０）　作者简介：奉强（１９７４一），四川内江人，助教，硕士，研究方向：化学教育，有机合成；　何冰（１９７７一），四川绵阳人，讲师，博士研究生，研究方向：化学教育，分子构效。　１１４　第３Ｏ卷（总第２５１期）　奉强等：虚拟实验在物理化学教学中的应用研究　行电泳实验，通过键盘、鼠标的点击或者拖曳操作进　３虚拟实验在物理化学教学中的使用效果　行交互操作。具体操作是：先用去离子水在６５￣Ｃ进　我们利用现有的虚拟实验资源在我校化学与应　行渗析，用１％ＡｇＮＯ３检验氯离子，用１％ＫＳＣＮ检验　用化学系２０１０级和２０１１级学生（均为专科）进行了　Ｆｅ¨，将ｒｅ（ＯＨ）　溶胶加入ｕ型管（带有刻度），然后　对比教学。２０１０级开展了部分虚拟实验的教学，　在溶胶的液面上滴加ＫＣ１稀的电极辅助液，辅助液电　２０１　１级没有开展虚拟实验。通过对比，虚拟实验在　导率应与Ｆｅ（ＯＨ），胶体的电导率接近，并使二者之间　辅助课堂教学，对学生学习、教师教学以及学生学科　有明显的界面。在带有刻度的ｕ型管的两端各插一　素养培养等方面发挥了明显的作用。　根铂电极，给电极接通１００Ｖ直流电源，观察Ｕ型管　３．１学习方面　中Ｆｅ（ＯＨ）。溶胶移动情况；根据通电时间和液面升高　虚拟实验能为学生提供自主学习的空间，引导　或下降的刻度计算电泳速率，测定电泳速率后用下式　学生对本学科知识的渴求。学生通过虚拟实验进行　求出　电势，　＝　，［１引。　预习，可以快速、直观、形象和较全面地了解各种仪　ｑ＇８ｒ　０　器的名称、作用，掌握实验原理，熟悉操作步骤以及　总之，在物理化学的各个教学内容中，教师应该　实验中应注意的问题等，为物理化学教学的改革提　积极收集相关虚拟实验资源，搭建资源库，在教学中　供有力支持。－】　设法结合具体内容加以应用，使深奥的物理化学理　根据物理化学期末成绩统计（表Ｉ）可以看出，　论知识形象化、可视化。这能对教学起到明显的辅　实施虚拟实验教学的２０１０级两个班优良分数段学　助作用，极大地激发学生的学习热情。我们的学生　生所占的比例明显优于２０１１级学生。表明虚拟实　在完成作业后还经常延伸到课外知识的探究中。　验对物理化学教学起到了辅助作用，对成绩的提高　有较大的帮助。　表１　学生物理化学期末成绩统计　分数段　班级　８０分以上　７０—７９分　６０—６９分　６０分以下　参考人数　（优良）　（中等）　（及格）　（不及格）　２０１０级应用化工技术　３６．１７％　３６．１７％　２３．４０％　４．２６％　４７人　２０１０级化学教育　３０．５６％　５０．００％　１５．２８％　４．１７％　７２人　２０１１级化学教育　２８．５３％　４２．８６％　２４．４９％　６．１２％　４９人　２０１　１级应用化工技术　２８．５８％　６Ｏ．００％　１４．２９％　０．０Ｏ％　３５人　３．２教学方面　虚拟实验在教学中的使用，能够促使教师加深　物理化学学科发展的经典实验都可以利用虚拟　对教学内容的理解，改进教学手段，有效提升教学水　实验展现于课堂教学中，通过虚拟实验的方法引入新　平。我校物理化学青年教师在课堂中借助虚拟实验　的概念和规律，把理论教学与实验教学有机地融为一　教学，曾获得全校教学比赛一等奖。　体，按照科学探索和研究的过程进行教学，为探索宏　３．３素养方面　观、微观世界中不易观察的运动和变化规律提供了极　开设虚拟实验教学能激发了学生兴趣，规范实　大的便利。虚拟实验的引入也可以开阔学生的视野，　验操作。除正常教学的实验操作以外，还能把教学　阐明物理化学在生活中的实用性，增强学生的学习兴　内容延伸到课外。２０１０级应用化工技术专业的学　趣。　通过虚拟实验，将所学的理论知识与相关实验　生还专门就相同体积的纯水（水中总固体溶解度＜　联系起来，既能加深理论知识，使教学的模式多样化、　３ｐｐｍ）和１ｍｏｌ／Ｌ的氯化钠水溶液（氯化钠为分析　教学资源网络化、教学内容趣味化，又能引导和培养　纯，由纯水配制）放在相同容器中，在相同条件下长　学生学习的主动性和创新精神，还可以在不同的情境　时间观察其蒸发速率，验证纯水和氯化钠水溶液的　下用所学的知识和技能来检验学习情况。　化学势的大小。２０１０化学教育的同学积极收集永　１　１５　成都师范学院学报　２０１４年１月　动机资料，对网络永动机视频进行讨论质疑。通过　学习，学生甚至提出是否会有热力学第四定律，提出　用安全、易于推广等特点，能模拟不便实际进行的操　作，不受时空限制，提高学生兴趣，扩充教学资源，提　升教学效率和教学质量，促进实验和理论教学的整　合。但物理化学虚拟实验软件内容不够丰富，虚拟　实验的资源库的建构这方面的报道还较少，且虚拟　了第三类导体（离子和电子共同导电的导体）的概　念。至于对课程内容进行总结反思，收集学习课外　资料已经成为常态。　通过虚拟实验教学能充分激活学生思维，能培　养学生质疑和探索的学习习惯，激发学生的发散思　实验设置的可变因素少，资源库采集真实实验的可　变因素积累较少，可变因素的可变极限没有在虚拟　维和创新思维。　４虚拟实验在物理化学教学中的思考　真实实验在课堂教学中不便开展，耗时多，且极　少有高校能在物理化学课堂教学中开展真实实验。　相对真实实验，虚拟实验具备以下优势：（１）不受传　统教学模式的限制，可实现实验低成本的维护保障，　增加实验开出率；（２）学习内容上提供给学生更深、　更广、更加综合的教学内容；（３）学生实验不受时间　和地点的限制，可随时上机进行实验操作，实现教学　资源共享；（４）虚拟实验上机操作可单独操作或随　意组队，不受人数多少限制，培养学生独立操作或是　协同完成；（５）通过虚拟实验操作，对教师教学起到　辅助作用，提高教师对新实验项目的开发能力；　（６）虚拟实验能够模拟微观过程，把抽象变为直观　形象，把不可能实现变作可能。但要注意虚拟实验　不能创造真实实验环境，不能完全替代真实实验。　虚拟实验是理论教学和真实实验的一种延伸和　强化，虚实结合相辅相成。用虚拟实验辅助教学，可　以提高教学效率，为培养学生的创新思维打下基础，　也为物理化学教学提供了新的途径。在物理化学教　学中，我们要更新教学观念，积极研究和使用虚拟实　验辅助教学，发挥其不可替代的特点和优势，更好地　为教学服务。　目前，物理化学虚拟实验软件仿真效果不够理　想，且开发的物理化学虚拟软件大多是基于平面开　发的软件，原因在于既懂化学又懂计算机软件的技　术开发力量较少。未来物理化学虚拟实验软件应向　虚拟３Ｄ　方向开发，加强仿真性、趣味性和试错　性。在物理化学的具体教学中，应多方面收集来自　各个学校的学生和教师所做实验的具体数据，整合　资源，为物理化学虚拟实验搭建共享资源库，进一步　开发物理化学虚拟实验，对物理化学教学提供有力　的支持。　５结论　虚拟实验具有利用率高、成本低、便于维护、使　１】６　实验中展现出来。建议管理部门成立专门的研发团　队，加强虚拟实验资源的开发力度，实施资源整合和　资源共享，对教学起到长足推进作用。　参考文献：　［１］　何冰，张小玲，叶峻，李仲辉．高职高专物理化学学习　情况调查及分析［Ｊ］．四川教育学院学报，２０１２，２８　（１１）：１１０—１１３．　［２］　桑建辉．虚拟实验——实验教学的新途径，中国教育　信息化［Ｊ］．基础教育，２０１２，（３）：４６—４７．　［３］　景虹．虚拟实验教学研究［Ｊ］．中国医学教育技术，　２００４，１８（５）：２７２—２７４．　［４］　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，２０１２，（１２）：８９—９ｏ．　［５］　蔡海滨，杨岳湘，刘平．基于Ｗｅｂ的虚拟化学化工实　验室［Ｊ］．计算机工程与设计，２００３，２４（１２）：１１０—　１１２．　［６］　傅骞，曲朝霞，李娜．面向测评的虚拟化学实验室研究　与实现［Ｊ］．开放教育研究，２００６，１２（３）：７６—７９．　［７］　陈敬华，张静，林新华，等．化学网络资源及专业软件　和实验教学相结合［Ｊ］．实验室探究与探索，２００８，２７　（４）：１６—２０．　［８］　Ｉ．Ｌｕｑｕｅ　Ｒｕｉｚ，Ｅ．Ｌ６ｐｅｚ　Ｅｓｐｉｎｏｓａ，Ｇ．Ｃｅｒｒｕｅｌａ　Ｇａｒｃｉａ，　ｅｔｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ——Ａｉｄｅｄ　Ｃｈｅｍｉ－－　ｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｌａｂｓ　ｆｏｒ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｘｐｅｒｉ－　ｍｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ　ａｎｄ　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｃｏｕｒｓｅｓ　Ｊ．Ｃｈｅｍ．　Ｉｎｆ．Ｃｏｍｐｕｔ．Ｓｃｉ，２００１，４１：１０７５—１０８２．　［９］　Ｎ．Ｐａｐａｄｏｐｏｕｌｏｓ，Ａ．Ｔ．Ｐｉｔｔａ，Ｎ．Ｍａｒｋｏｐｏｕｌｏｓ　ｅｔｃ．　Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：Ａ　Ｖｉｔｒｕａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｊｏｕｍａｌ　ｆｏ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｖｏ１．７６，Ｎｏ．１１：１６００．　［１０］　ＧＥＯＲＧＩＯＳ　ＯＬＹＭＰＩＯＵ，ＺＡＣＨＡＲＩＡＳ　Ｃ．ＺＡＣＨＡＲＩＡ　Ｂｌｅｎｄｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｖｅｓ：Ａｎ　Ｅｆｆｏｒｔ　ｔｏ　Ｉｍｐｒｏｖｅ　Ｓｔｕｄｅｎｔｓ’Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　２０１２，Ｖｏ１．９６，Ｎｏ．１：２１—４７．　［１１］Ｊ．Ｆ．ＧＲＡＮＪＯ，Ｍ．Ｇ．ＲＡＳＴＥＩＲＯ，Ｌ．Ｍ．ＧＡＮＤＯ—　ＦＥＲＲＥＩＲＡ　ｅｒｅ　Ａ　Ｖｉｔｒｕａｌ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔｏ　Ｔｅａｃｈ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｉｎｃ．Ｃｏｍｐｕｔ　Ａｐｐｌ　Ｅｎｇ　Ｅｄｕｃ，２０１２，２０：１７５　—１８６　第３０卷（总第２５１期）　奉强等：虚拟实验在物理化学教学中的应用研究　［１２］　王海勇．物理化学网络虚拟实验室的建构方法研究　（５）：１１０１－－１１０６．　［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００６．　［１３］　Ｗ．Ｒｕｓｓ　Ａｌｇａｒ，Ｍｅｌｉｓｓａ　Ｍａｓｓｅｙ，ａｎｄ　Ｕｌｒｉｃｈ　Ｊ．Ｋｒｕｌｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　ａ　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｆｌｕｏｒｉｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　Ｓｏｆｔ－　ｗａｒｅ；Ｕｓｉｎｇ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｉｎ　ａＩｌ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ　［１７］　张明熹，李锋锋，王金锋，等．计算机软件在物理化学　实验中的应用［Ｊ］．化工时刊，２００９，２３（１１）：７６—７７．　［１８］　刘兴红，胡珍珠．物理化学虚拟实验室的构建及应用　研究［Ｊ］．教育技术的创新、发展与服务，２００６．　［１９］　朱志昂．物理化学课程教学内容和教学方法的改革　［Ｊ］．大学化学，２０１２，（５）：９—１３．　［２０］　习保民．在物理化学教学中培养学生的学习兴趣　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｖｏ１．８６，Ｎｏ．１（２ｏｏ９）：６８—７１．　［１４］Ｄａｖｉｄ　Ｃ．Ｓｔｏｎｅ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ　Ｕｓｉｎｇ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｅｘｅｒｃｉｓｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　［Ｊ］．药学教育，２００６，（３）：３９—４１．　［２１］　刘爱东，王菁，田琳，等．虚拟实验在机能学实验教学中　的应用与体会［Ｊ］．西北医学教育，２０１２，（１）：８８—９０．　［２２］　Ｚ．Ｍｅｒｃｈａｎｔ，Ｅ．Ｔ．Ｇｏｅｔｚ，Ｗ．Ｋｅｅｎｅｙ—Ｋｅｎｎｉｃｕｔｔ　ｅｔｅ．　Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　３一Ｄ　ｖｉｔｒｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｓｐａｔｉａｌ　ａｂｉｌ．　Ｖｏ１．８４，Ｎｏ．９（２００７）：１４８８—１４９６．　［１５］　何冰，薛英，郭勇，等．２．３　一二脱氧一２．３　一二去氢　鸟嘌呤核苷构象稳定性的理论研究［Ｊ］．化学学报，　２００７，６５（６）：４８１～４８８．　［１６］　蒋倩，储伟，孙文晶，等．甲烷与含氮有机杂环化合物　吸附作用的ＤＦＴ研究［Ｊ］．物理化学学报，２０１２，２８　ｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｓ．　ｓｉｓｔｅｄ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ（２０１３）：１—１２．　Ｓｔｕｄｙ　Ｏｉｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ＦＥＮＧ　Ｑｉａｎｇ。，ＣＨＡＮＧ　Ｂｏ。，ＨＥ　Ｂｉｎｇ　，ＺＨＡＮＣ　Ｘｉａｏ—ｌｉｎｇ　，　Ｚｈｏｎｇ—ｈｕｉ　（ａ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１１１３０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　ｂ．Ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆ　ｏＴｅａｃｈｉｎｇ　Ａｆｆａｉｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　ｒＮｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１１１３０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｐｐｆｉｃａｆｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｔｅａｃｈｉｎｇ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　（责任编辑：刘春林责任校对：李舒）　１ｌ７