沈星星，杨述，牛少莉，韩璐，王利江
河北科技师范学院，河北省秦皇岛市，066004，
摘要：物理化学实验是一门化学专业学生必修的非常重要的实验课程。由于物理化学理论内容较多，涉及到的物理化学实验项目也比较多，难以在实验室教学中涵盖所有的实验项目。结合我院实验课程教授实际情况，本文阐述了虚拟仿真软件在物理化学实验授课过程的作用，并就有关问题进行分析和探讨，为物理化学实验教学改革提出一定的理论支持。
关键词：物理化学实验，虚拟仿真，教学改革
我校的发展目标是建设特色鲜明的高水平应用型大学，并培养高素质的应用型人才。而实验实践教学，是应用型大学培养应用型人才的重要组成部分之一。在应用型大学建设中，如何有效提高学生的实践能力，促进学生掌握各种实用的实验技能，是实验教学改革应该重点关注的方向。物理化学实验是化学类相关本科专业教学内容中非常重要的一门课程，它具有非常强的综合性、研究性以及较高的定量化程度，是化学领域各个研究方向所必需的重要手段。而且，物理化学实验所涉及到的实践技能和经验是化工、材料以及高端仪器等领域的应用中最基础、最实用的技能，同时也是分析现实生活生产中诸多问题的基础。
因此，针对物理化学专业实验教学对专业基础知识储备及专业技术操作要求较高的特点，在教学过程中，如何在有限的学时、空间和教学资源等情况下，充分调动学生的学习积极性，引导学生掌握重要知识和关键实验技能是培养高素质应用型人才实验教学改革中亟待解决的关键问题。
一、当前物理化学实验教学存在的问题
在以应用型人才为培养目标的物理化学实验教学过程中，先进的培养目标对现有的教学资源、教学手段和教学方法提出了一些新挑战：
1、实验仪器购买成本、维护成本以及较多的人力投入。高素质应用型人才的培养目标就要求我们切实关注每个学生通过实验动手能力的训练来真正掌握相应的技能，而实验仪器等硬件的增加是学院首先需要面临的问题。在物理化学实验中，大多数为比较精密的参数测量设备。因此，若要新增实验项目，则必须新增相应的实验设备，同时增加了实验过程中每个环节的指导以及仪器维护等工作量，这些都是实验教学过程中容易遇到的问题。所以，如何用有限的教学资源来提高学生的动手能力和实验经验是当前面临的一个重要挑战。
2、实验预习工作大部分是提前撰写预习报告，但是很多情况下学生这部分工作质量较低，预习效果难以支持学生较好的掌握实验内容的重点、难点和要点。同时，物理化学实验已经逐渐朝着综合性的实验性质转变，对学生综合能力的要求也随之有很大的提高。因此，旧式简单的书本预习、现场跟随讲解和演示等学习方法已经难以适应当前的培养目标要求，非常容易产生“断环”现象，且容易造成因微小的操作失误而导致实验结果较大偏差、甚至实验失败。即使可以对实验的错误结果进行仔细分析，但是仍然会对教学效果产生不好的影响。
3、实验的项目以及学生分组比较多，涉及到危险化学品，需格外注意药品的管理。尽管物理化学实验使用的化学试剂并不太多，但是经过多次筛选后仍然免不了要使用一小部分危险化学品。随着应用型人才培养对学生实验动手能力要求的提高，实验过程中学生的分组将增多，所以涉及到的药品使用安全等问题需要实验指导教师在教学过程中重点注意。
综上所述，物理化学实验教学在面临这些难题的情况下，学院物理化学教学团队也一直在寻找新的教学方法和手段，从而能够更好的适应应用型大学转型对物理化学专业实验教学提出的新挑战。我们经过调研发现，虚拟仿真教学技术是目前一种新颖的、流行的及比较有效的教学手段，它在今后可能成为一种能够帮助我们的新教学模式。
二、虚拟仿真技术的特点及优势
1、虚拟仿真是通过使用各类软件系统来模拟真实的环境的技术，它具有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性等特征。它不但可以形象、逼真地模拟现实实验教学环境（包括实验药品及仪器），老师和学生还可以在这种系统环境中根据现实实验步骤进行各种实验操作。
2、虚拟仿真技术可以将日常实验教学中比较复杂且具有较大危险性的实验进行模拟、演示，使得这类实验项目也可以比较顺利的完成，而且可以保证实验教学效果。
3、虚拟仿真技术可以在不占用或少占用实验室教学资源的条件下，使学生能够多学习实验项目，丰富了实验教学内容。
三、物理化学实验虚拟仿真的教学改革建议
当前，欧美国家在该领域的研究起步较早，并且成功地将它应用于教育教学、教学仪器及安全培训等各个方面。而且，尽管我国相关研究较晚，但是目前也有很多高校已经开始利用虚拟仿真技术进行相关的教学实验项目和仪器等研究。这些充分说明，虚拟仿真技术已经非常成熟，完全可以应用于各类实验课程的教学。在解决实验教学中出现的各种问题的同时还能够明显的改善教学效果。因此，我们可以使用虚拟仿真手段，构建物理化学实验所需的实验环境、实验设备及相关仪器、药品，然后按照现实实验操作步骤在系统上进行虚拟实验操作。
1、构建物理化学实验虚拟仿真教学平台：以培养高素质应用型人才为目标，借鉴各大著名高校的物理化学实验教材资源，与相关企业合作，开发出包含有众多物理化学实验项目的虚拟仿真软件，增加实验项目，丰富实验教学内容，降低实验教学成本。
2、虚拟仿真物理化学实验教学模式：加强对实验指导教师虚拟仿真平台使用的培训和指导，提高教师的教学水平，加强虚拟仿真教师团队的师资建设。将虚拟仿真实验室逐步建设为开放实验室，学生可以按照自身的时间安排及其他需要提前进入实验室进行网上预习，在一定程度上增加了实验教学过程的自由度，有利于提高教学效果。
3、虚拟仿真物理化学实验考核：不同于真实实验通过实验预习报告及实验报告等考核方式，虚拟仿真实验可以在软件中设置实验习题、实验操作步骤分数等方式进行考核，丰富实验考核方式。
4、虚拟仿真物理化学实验改进方法：尽管虚拟实验可以在一定程度上替代真实实验，对理解实验原理及实验内容有很大的帮助，但是要提高学生的动手能力，仍然需要进行真实实验操作。因此，对于一些操作性较强的实验，可以考虑线上线下相结合的教学模式，将实验教学效果最大化。
结语
物理化学实验是大学本科重要的课程，实现最好的教学效果和最高的教学质量是培养高素质应用型人才的关键。虚拟仿真技术可以有效地扩展物理化学实验项目，丰富教学内容，改善教学质量，可以有效地促进物理化学实验的教学改革。
参考文献
[1]胡垂立，李散散.基于虚拟仿真的创新创业实践体系研究[J].湖北函授大学学报，2017, 30(7): 3-4.
[2]石星军.计算机仿真实验教学的探索[J].青岛大学学报, 2000, 13(3): 107-110.
[3]强雪，王伟宇，白云山.虚拟仿真在物化实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2020, (31): 387-388.
[4]陈卫，郑伏琴.高校物理化学实验混合式教学改革探讨[J].广东化工, 2021, 48(03): 197-198.
基金项目
河北科技师范学院教学研究基金（项目编号：JYYB201801）；河北科技师范学院博士启动基金（项目编号：2018YB004）
作者简介：
沈星星，男，汉族，籍贯：江西吉安 生于：1988-08，职称：讲师，博士学历，研究方向：有机光电功能材料。