分析化学虚拟仿真实验的研制及应用

分析化学虚拟仿真实验的研制及应用

刘学国 曾宪彩 王莹 陈宛瑶 潘会严 闫卫红

南阳理工学院生物与化学工程学院 河南 南阳 473000

摘要：现阶段，我国的化工行业发展速度越来越快，在极大程度上推动了社会生产生活的创新发展。分析化学是化工专业学科的重要内容，通过分析化学实验，可以培养学生的物质分析测定能力。但是化学实验过程以及反应生成过程都具有较强的抽象性，如果利用传统的理论教学，会直接影响分析化学实验教学效果。对虚拟仿真实验进行研究和分析，可以将虚拟仿真实验作为分析化学实验的主要形式，使学生能够通过虚拟仿真实验开展操作过程，提高学生的实验技能，为我国化学领域的发展培养优秀的专业型人才。

关键词：虚拟仿真实验研制；分析化学实验；应用要点

前言

分析化学实验需要对各种方法仪器设备进行充分应用，探讨相关物质在空间和时间方面的组成以及性质。在分析化学实验操作过程中，需要使用的仪器设备和化学药品数量、种类比较多，导致实验操作受客观条件的限制相对较大。为了提高分析化学实验教学水平，需要研制虚拟仿真实验技术，构建基本技能训练、综合实验以及设计研究性实验平台，从而为学生深层次化学学习提供全面高效的学习平台。提升学生的创新意识和实验操作能力。

1. 分析化学虚拟仿真实验研究的必要性

在高等院校开展化学专业教学时，需要加强通识教育，而对通识教育课程进行选择时，要体现出学科的交叉、渗透以及综合性，保证科学技术与社会发展之间的联系。要促进化学专业与社会发展、理工技术、信息技术、管理科学等相互协调，从而适应社会发展。开展分析化学实验教学是化学专业的重要通识课程之一，是提高学生化学实验能力的重要基础。但是在实际教学中因为课时受到一定限制，导致分析化学实验教学不能有效开展，学生的实践机会比较少，不能提升学生的专业技能，也不利于培养学生的创新能力。再加上学生数量不断增加，使化学实验室的压力越来越大，学生的实验参与度在不断降低，教师不能根据学生的具体情况开展1对1指导教学。在这种情况下，必须改变传统分析化学过程中的实验教学方法，要利用现代化的教学手段开展辅助教学，提高分析化学实验教学水平。其中虚拟仿真实验室是计算机技术不断发展过程中的重要产物，在该技术应用过程中可以利用计算机软件、硬件以及相关的系统，构建可视化的实验操作环境。利用简单的交互界面可以模拟出分析化学的具体教学内容，帮助学生在虚拟环境开展化学实验过程，对提高学生的化学实验能力有积极作用。除此之外，在虚拟仿真实验系统应用过程中，其仿真性、交互性以及实效性相对较强，学生可以根据自身的实际情况进行反复多次模拟操作。从而加深对实验原理和操作步骤的理解以及掌握，并且能够节约实验操作时间。可以根据掌握的分析化学理论知识开展创新性以及综合性的实验研究工作。为培养学生的创新能力创新意识提供了积极保障，同时能够解决在分析化学实验教学过程中，课时减少与社会发展对专业化学人才需求之间的矛盾^[1]。

2. 分析化学虚拟仿真实验研制分析

1. 研究思路

为了充分发挥虚拟仿真实验在分析化学教学中的积极作用，需要根据当前虚拟仿真实验制作技术为制定分析化学虚拟仿真实验设计方案。比较常用的仿真实验制作技术主要包括Flash技术、Java技术以及VRML技术等。其中Java技术和VRML技术对网络编程知识的应用更加专业，入门难度比较大，制作过程具有一定难度。而Flash技术的开发难度比较低。因此，在对虚拟仿真实验进行研制的过程中，是以Flash技术为基础进行制作的。例如有些高校在分析化学精品课程和分析化学仿真实验系统建立过程中以Flash技术为主。但是现有的虚拟仿真实验存在一些不足。例如对分析化学基本精品课程进行虚拟仿真时，更加重视的是背景知识讲解，没有突出实验原理，并且在对实验基本操作进行演示时也没有明确具体的操作要求和标准。而对化学仿真实验进行模拟分析，在演示过程中滴定操作存在一些不足。因此，必须对现有的化学仿真实验进行改进和优化，并以化学专业的具体情况为基础研制与分析化学更加适应的虚拟仿真实验系统。具体的研究过程中主要是优化学实验操作过程中的滴定环节，具体包括酸碱滴定、量化还原滴定等。虽然不同的滴定分析原理存在差异，但是基本操作相同。在对滴定操作分析实验系统进行研制时，需要以滴定反应剂量关系作为基础确定滴定法分析化学仿真实验，并利用Flash动画展示滴定法的原理和基本操作步骤^[2]。

2. 实验应用

在虚拟仿真实验制作过程中，必须坚持直观性以及交互性的原则，同时要确保仿真实验的规范性和标准性，激发学生的学习兴趣。在实际设计中要根据虚拟仿真的具体原则，综合考虑现有的分析化学虚拟实验制作现状，确保分析化学虚拟仿真实验能够解决当前在分析化学仿真实验中存在的具体问题，突出滴定操作的主要原理和基本操作步骤。

在具体的虚拟仿真实验制作过程中，需要突出实验难点，完成实验框架设计，并对相应的实验数据进行采集，加强动画处理和制作工作。并且要建立相关的数据库。具体的制作过程包括以下内容：第一，确定实验原理。在络合滴定法应用过程中，主要是以配位反映为基础的分析方法。在实验过程中，要确定实验条件，并根据实验原理确定络合滴定法的难点。根据学生对该滴定法的掌握程度编写实验原理，并利用Flash遮罩层实现实验原理展示过程。在Flash技术开展，虚拟仿真实验制作时，需要对遮罩的图层进行设置，遮罩图层可以化成任意形状，而该形状可以作为视窗展示实验过程。利用遮罩层对实验原理内容进行展示，可以更加突出实验原理的条理性，方便学生对实验原理进行了解和掌握。第二，实验操作。在滴定分析实验过程中，涉及溶液配置的计算问题，在制作时需要加入文本试验，在对溶液进行配置时需要录入具体的计算过程，并且要配置一定浓度溶液需要的剂量质量，之后才能进行下一步操作。为了防止有些学生在实验操作过程中计算错误，或者不能利用试剂质量进行有效计算，可以在仿真实验过程制作过程中录入操作提示，学生录入三次错误数据后，可以自动给出正确答案或者相关提示。在实验操作过程中需要重点突出滴定操作的具体过程，并对快滴、慢滴、半滴的操作要求和标准进行准确展示，可以利用提示按钮显示正确的操作手势。第三，数据处理过程。为了保证虚拟仿真实验的完整性，在对数据进行处理的过程中，需要以表格的形式将所有数据展现出来。在表格中可以对正确记录数据的方式、计算表达实验结果、评价实验好坏等进行提示，提高虚拟仿真实验系统的规范性，方便学生根据制作的虚拟仿真实验动画进行操作和学习。

3. 结语

在分析化学虚拟仿真实验系统投入使用的过程中，需要先对学生的基础知识掌握程度进行考查，并根据学生对实验原理的具体掌握情况进行仿真实验教学。经过虚拟仿真实验教学后，80%以上的学生加深了对实验原理的理解和掌握，激发了学生对分析化学实验学习的兴趣。在具体的仿真实验过程中，学生可以通过图像、声音、文字对整个实验过程进行掌握，对一些难度比较大的实验原理更加容易接受和理解。并且因为在虚拟仿真实验中，每一步滴定操作都比较清晰明确，学生可以根据实验操作提示进行学习，提高了学生的基础操作能力。同时学生可以根据相关提示正确记录数据，对实验结果进行有效判断，提升分析化学实验教学水平。

参考文献：

[1]李展. 具身认知视域下虚拟仿真实验的设计与开发[D]. 山东师范大学， 2019.

[2]王岩， 荆明伟， 闫保桦，等. 分光光度法和电位滴定法虚拟仿真实验的开发与探索[J]. 实验技术与管理， 2019, v.36;No.276(08):203-207.

[3]张艳华. 虚拟仿真实验在化学教学中的设计与应用研究[J]. 人文之友， 2019, 000(023):215.

作者简介：刘学国(1987一)，男，副教授，博士，主要从事功能纳米材料合成及其在环境、食品分析中的应用方面的研究 .基金项目：南阳理工学院校级一流课程“分析化学”建设项目；南阳理工学院教育教学改革研究项目（NIT2020JY-138）