[摘要]随着计算机技术、网络技术以及科学研究的迅速发展，虚拟实验技术也迅速发展并逐步从理论研究迈进实际教学。虚拟实验室的相关概念、理论日臻成熟，在高校化学实验教学中的应用也得以拓展。本文从化学实验教学实际出发，对虚拟化学实验室的发展现状、功能、局限性及发展趋势等进行阐述。同时，阐述了虚拟实验的引入，不仅解决了高校化学实验设备不足、实验效率低下及实验成本较高等问题，而且激发了大学生进行化学实验的积极性与能动性，使化学实验教学迈上了新台阶。
　　[关键词]虚拟实验室化学实验教学一、引言
　　随着我国高等教育迅速发展、高校的快速扩张，一些质量弹性幅度大、教学成本高、难度大的实验实践教学，并没有同步增长，而且明显滞后[1]。化学实验教学由于受各种客观因素的影响和制约（如：实验室场地不足、仪器设备昂贵、操作装置复杂、工艺技术高、药品试剂昂贵、危险性大、污染严重、课时量少以及专业实验人员缺少等），高校化学实验教学的正常实施与实验教学的完整性、可持续性在一定范畴明显受到制约[2]。现在运行着的高校化学实验教学大致在延续传统的实验教学法，遵循着那种固定化、程序化及模拟化的实验教学模式，无法满足培养大学生实验设计能力与创造性能力的需要，但虚拟实验室的诞生并引进实验教学，就弥补了化学实验教学的上述不足[3]。
　　虚拟实验室是将计算机技术、软件技术、网络技术及传统意义上的实验仪器设备有机的结合起来，不仅营造了新的实验系统、提升实验仪器设备的整体性能，而且突破了化学实验的时空限制，是传统化学实验教学的一次革命、一次创新与一次智能化的提升[4]。虚拟实验室走进课堂，无疑为高校化学实验教学改革注入了强大生命力。大学生可利用虚拟化学实验室立刻进入“虚拟实验”，了解实验原理、学习实验技能，生动直观，极大地激发了大学生的实验兴趣与积极性，实现“实验室”走进课堂、“仪器”搬上讲台、现场解剖仪器、动态显示微观原理，使化学实验能实现 “快与慢” “静与动”的相互转变并提升实验教学的智能化[5]。化学虚拟实验室的运行，节约了实验成本、提高了实验效率、跃实验课堂、增强了实验积极性，为高校化学实验教学以及理论教学开辟了崭新的教学空间。
　　二、虚拟化学实验室发展现状
　　就目前而言，虚拟实验系统于国内外众多组织与机构都开展着探索与建设，尤其是一些享有盛誉的大学及科研院所，多类虚拟实验系统已投入使用并随着科技的发展而进一步的完善发展着。我国教育部现已把虚拟仿真实验教学作为实验教学示范中心建设的重要内容，为实验教学示范中心建设及教学改革注入了新的内容与活力，无疑我国高校虚拟化学实验室的发展也赢得了迅速发展的空间。
　　就虚拟实验室而言，国外探索与发展要比国内完善并早的多，如 VSL (VIRTULA SYSTEMS LABORATORY) 虚拟系统实验室，正在开展研发多项与虚拟实验相关的支撑技术，像虚拟实验网络、并行计算、实时物理仿真技术以及设计研发实时动态虚拟环境等。在虚拟实验教学过程中，依靠形式多样的辅助策略，可以契合虚拟实验的教学宗旨，有效地帮助师生实现虚拟实验教学的目的，提升实验学习效果和学习质量[6]。1989年由美国威廉教授提出的 “虚拟实验室” 概念是最早与虚拟实验相关的概念，从此之后，国外大学涌现出许多形式或总类各异的虚拟实验室：如1992年，格林维尔大学、东卡罗来纳大学与北卡罗来纳大学一起研发并建设维护的VREL实验室 (Virtual Reality and Education Laboratory)，积极促进教育领域中虚拟现实技术的应用与发展；如VRICHEL (Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory) 是化学工程类虚拟实验室，主要研发化学工程领域中应用虚拟现实技术；如麻省理工学院的虚拟实验教学应用；伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室、Johns Hopkins 大学化学工程系研发的虚拟工程科学实验系统，都成为化学实验宝贵的教学资源；再如，美国的休斯顿大学在工程方面建立了多种虚拟实验等。
　　在国内，虚拟实验室的研发较晚，像华中科技大学、北京大学、上海交通大学、清华大学等大学及科研院所在虚拟实验室的研发与应用方面取得了瞩目的成绩。如，中国科技大学在物理实验领域运用了虚拟现实技术；中科院上海有机化学研究所建设的应用于化学广泛领域的虚拟化学实验室(ChemLab)；北京师范大学现代教育技术研究所研发的 Evlab 系统；上海交通大学的数据采集实验室；浙江大学基于Web虚拟化学实验系统等。虚拟实验室发展到现在，其研发热点主要集中在虚拟现实仿真技术应用于虚拟教学和虚拟实验领域，实际应用主要体现于理工科的实验教学领域，特别是在计算机、化学、物理、机械等领域的研发与应用更为广泛[7]。
　　三、虚拟化学实验室应用于高校化学实验教学
　　1.虚拟化学实验室是高校化学学科的本质需求
　　高校化学实验教学中，随着网络技术、信息技术、实验技术以及实验教学的深化改革，虚拟化学实验室越来越显现出它强大的能动性。其资源的有机整合，对提高大学生实验兴趣及操作技能，辅助大学生掌握高等化学课程的理论规律，突破化学实验教学中的难点与不足，剖析宏观及微观世界等，无疑起到无可替代的作用。化学作为以实验为基础的自然学科，高校化学实验教学在整个化学课程教学中占有极其重要的地位，是大学生对化学原理进行验证的工具，是大学生创新的平台，是大学生探索未知领域的桥梁。虽然高校化学实验教学经过多年来的改革实践并取得了一定的成绩，但由于种种原因导致高校化学实验教学中显现出一些明显不足。如，高校化学实验教学的手段单一、实验室及仪器设备匮乏、实验室安全与环保不足、实验室污染问题严重、高危险性（易燃、易爆及高毒等）实验无法开设到课堂、抽象化学实验（微观结构、微观反应机理等）无法有效开展等。现在，高校化学实验教学中固定化、模拟化及程序化的教学模式，导致大学生的实验技能无明显提高、教学效果不够理想等。这些，无疑对高校化学实验教学提出了新的要求，虚拟化学实验室就自然走进了高校化学实验教学改革实践中。
　　2.虚拟化学实验室在高校化学实验教学中的价值体现
　　虚拟化学实验室在高校化学实验教学中，以网络技术、计算机技术为技术核心，融合高等化学实验的虚拟实验技术、化学反应原理、仿真技术、图形图像技术等而研发出真实实验实践情境。高校师生通过必要教学装备对虚拟化学实验进行操作，虚拟完成相关化学实验实践。大学生通过虚拟化学实验室特异的虚拟性、仿真性、交互性、安全性等体验化学实验教学，达到甚至超过实际实验教学的实验效果。把现代信息技术融合进传统化学实验教学中，使传统化学实验教学从教学理念、教学内容、教学过程、教学方法及教学手段等方面得以升华，实现“实验室”走进课堂、“仪器”搬上讲台的智能化教学，对培养大学生的创新能力起到事半功倍的促进作用。
　　虚拟化学实验室在高校化学实验教学中应用，可使高校化学实验由微观到宏观、由抽象到具体、由实际到仿真、由静态到动态、由复杂到简洁、由危险到安全以及由整体到部分等，让传统化学实验教学装上翅膀，使它充满了新的生命活力。虚拟化学实验室，运用综合技术模拟或仿真出真实化学实验场景，集色彩、动画、录像、电影及声音等于一体，融合各种条件和资源，构建出逼真的实验过程及仿真实验环境、特殊的化学实验现象与内容，不仅突破高校化学实验教学资源不足的局限，而且使大学生能进一步完成化学实验知识与技能的升华，激发创造性思维的形成。
　　3.虚拟化学实验室在高校化学实验教学中的功能
　　在高校化学实验教学中，虚拟化学实验室作为现代计算机技术与传统化学实验资源的集合体，为大学生提供了一个开放式交互共享平台，其功能体现为：化学实验环境的仿真；化学实验工作的虚拟；化学仪器设备及驱动控制的虚拟；化学实验智能决策系统的虚拟；化学实验管理系统、监控系统、操作系统的虚拟；通过化学实验虚拟仪器、技术与方法并使其有机地结合，赋予虚拟化学实验室特有的智能化；高校师生可根据教学实际，自行设计、选择实验；化学实验教学及科研工厂自动化虚拟等方面。
　　四、虚拟化学实验室的局限性
　　虚拟化学实验室不能也不可能完全替代实际的化学实验教学，只能作为化学实验教学过程的辅助手段。虚拟化学实验室于高校化学实验教学中虽显现出它强大的优势，但它无法包打天下，过度开展虚拟化学实验教学，反而不利于高校化学实验教学质量的提高。因为虚拟实验室毕竟是“虚拟”本身，它只是实验过程、实验操作技能以及工厂的模拟。大学生获得化学实验知识或技能的主要手段就是观察与动手实验，这样会导致大学生实际动手操作能力塑造低下，真正要提高化学实验教学质量，就必须进行化学实验教学改革，使虚拟化学实验室与实际实验教学有机的结合起来，共同激发大学生的创新能力。
　　虚拟化学实验室研究的局限性表现为：缺乏全面性、综合性及系统性的研发成果。目前，国内外高校虚拟化学实验室的研发主要体现在：单独实验或技术的虚拟、单独技术应用于具体实验或具体实验环节的虚拟、设计研发辅助教学工具的虚拟以及具体化学工厂的虚拟等。为推动虚拟化学实验室的健康发展，更好地服务于高校化学实验教学，对虚拟化学实验室而言，变独立为系统、变片面为全面、变简单为综合及变抽象为直观的研发尤其显得特别重要。
　　虚拟化学实验室对大学生而言，其实验自由度过大，教师正常掌控困难。虚拟化学实验教学的实施，虽然能极大地激发大学生自主学习兴趣、自主探索性及自主创新性，但容易偏离正常化学实验教学轨道，导致天马行空状，大学生主体地位得以淋漓体现，但教师主导地位则被弱化。虚拟化学实验室自身的局限性：虚拟化学实验室由于计算机、网络等技术的限制，虚拟化学实验室各种自由变量都是预先设定的、程序化的、有限的及其可控的等，但真实的化学实验教学其自由变量则有随机性、复杂性、无限性以及不可控性等，从而实际化学实验被赋予了创新性。虚拟化学实验室毕竟是无限的逼真，是人机对话模式，过度强化虚拟化学实验室教学，则必然导致大学生分析和解决实际问题的能力下降，团队协作精神弱化。虚拟化学实验室容许大学生实验出错，可以反复练习，容易导致随意性不良习惯的养成，可能为以后实际化学实验教学埋下隐患。
　　五、高校虚拟化学实验室的发展趋势
　　高校虚拟化学实验室具有协作式发展趋势。高校化学实验教学需要团队精神，共同协作是高校化学实验教学的基本方式，是高校化学实验教学的重要环节，是高校化学实验教学改革努力的方向之一。
　　高校虚拟化学实验室具有多种技术融合发展的趋势。于高校虚拟化学实验室引入虚拟现实技术、自然人工场景技术、计算机技术、网络技术以及仿真技术等，并使它们有机融合，让化学实验操作者体验身临其境之感。
　　高校虚拟化学实验室具有自适应性发展趋势。随着神经网络技术、模糊控制、数控技术、人工智能技术等发展，为虚拟化学实验室的自适应性发展提供了条件。其表现在：能智能化地为大学生记录下化学实验数据、反馈其存在的问题，让大学生可以利用向老师请教、与同学共同探索以及自己可反复操作练习的机会，既可规定已知时的一组参数，又可收敛未知领域时的参数自适应到希望的参数范围内，达到辅助化学实验教学、提升自身创新能力的目的。
　　高校虚拟化学实验室具有通用型发展的趋势。改变目前高校虚拟化学实验室研发基于某门课程、某一实验以及某一化学工厂的单独模式，向虚拟化学实验通用型发展，实现二次提升，避免重复劳动，使虚拟化学实验室成为社会化远程实验教学的共享产品。
　　六、结语
　　高校虚拟化学实验室以先进的网络技术及计算机技术为基础，随着高校化学实验教学的发展，虚拟化学实验室的应用在深度与广度上得以拓展，使实验室的开放得以进一步的深化，给大学生营造一个更宽松、更自由的化学实验空间。虚拟化学实验室主要以软硬件有机结合、功能模块重组配置的方式，使化学实验、仪器设备以及化学工厂等走进化学实验教学课堂，有利于激发大学生的化学实验兴趣、探索精神及求知欲，有助于提高大学生的创新能力。虚拟化学实验室完全是“虚拟”的，绝不会代替大学生的实际化学实验，它只是化学实验教学中的一种辅助手段。只有将虚拟化学实验室与真实的课堂教学及实验教学有机地融合，才能发挥其在化学实验中的重要作用，也只有将虚拟化学实验、演示化学实验、实际化学实验教学、大学生毕业论文设计实验以及大学生化学教学实验相结合，才能达到大学生全面发展之目的；才能达到提高实验教学效果、深化教学教改之目的；才能达到化学实验室充分开放之目的；才能达到大学生创造性思维形成之目的。
　　项目: 广东省化学实验教学示范中心基金（00003）
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