計算機仿真對傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院
為充分發(fā)揮物理化學(xué)實驗教學(xué)的積極作用，摒棄傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，并適應(yīng)二十一世紀(jì)培養(yǎng)人才的需要[1]，利用計算機仿真技術(shù)對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，從而實現(xiàn)物理化學(xué)實驗教學(xué)的綠色化、開放化、素質(zhì)化和節(jié)約化。
1計算機仿真實驗教學(xué)平臺
計算機仿真實驗平臺是以計算機仿真技術(shù)為核心，利用計算機創(chuàng)建一個可視化的實驗操作環(huán)境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設(shè)備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設(shè)備，即可進(jìn)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(xué)實驗計算機仿真系統(tǒng)”；(2)授權(quán)登陸，選擇實驗；(3)根據(jù)需要選擇相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，在“實驗演示”中，根據(jù)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(jié)束后，返回主菜單。選擇課堂練習(xí)和實驗要點總結(jié)相關(guān)思考題或進(jìn)行練習(xí)；(5)退出系統(tǒng)。
2物化實驗教學(xué)改革的實現(xiàn)
2.1實現(xiàn)實驗教學(xué)的綠色化
綠色化學(xué)[5](GreenChemistr)又稱環(huán)境無害化學(xué)(EnvironmentalBenignChemistry)是指從污染預(yù)防的基本思想出發(fā)，在化學(xué)品生產(chǎn)的始端就采用預(yù)防的科學(xué)手段，整個過程和終端均為零排放或零污染。
傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗涉及到很多化學(xué)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(huán)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(yīng)不容忽視，因此我們很早就提出要在教師和學(xué)生的頭腦中樹立綠色化學(xué)的思維方式，并把綠色化學(xué)理念融會到實驗教學(xué)中[5]。
在計算機仿真實驗中學(xué)生通過鼠標(biāo)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(chǎn)生，可以說在源頭上杜絕了污染的產(chǎn)生，特別是那些傳統(tǒng)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(xiàn)實驗的綠色化。
2.2實現(xiàn)開放式的教學(xué)模式
近幾年我國高等教育發(fā)展步伐的加快，高教規(guī)模逐年擴(kuò)大、數(shù)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(zhuǎn)變，同時也給高校軟硬件設(shè)施構(gòu)成了相當(dāng)?shù)膲毫?。為了解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足，提出了開放式教學(xué)模式[6-7]，我們也在這方面進(jìn)行了一定的探索。實踐表明，該種教學(xué)模式有其一定的優(yōu)點，但由于受到實驗場地、儀器數(shù)量及指導(dǎo)教師配備等諸多因素的限制，很難收到理想的實驗教學(xué)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(dǎo)教師，甚至可以將仿真實驗軟件放到校園局域網(wǎng)上，學(xué)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(xué)生根據(jù)自身的時間安排、興趣愛好和培養(yǎng)方案等選擇實驗項目，登錄仿真實驗平臺，通過自學(xué)了解實驗?zāi)康?，實驗原理，儀器構(gòu)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(jìn)入實驗?zāi)K自行搭建裝置，連接電路進(jìn)行實驗。
2.3以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情
傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗儀器多、原理復(fù)雜、概念抽象、信息密度大、數(shù)據(jù)處理繁瑣，學(xué)生很容易產(chǎn)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(xué)生人身和實驗儀器的安全，指導(dǎo)教師對注意事項反復(fù)強調(diào)，導(dǎo)致有些學(xué)生縮手縮腳，不敢動手，這樣都發(fā)揮不出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和在教學(xué)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(shè)備的內(nèi)部構(gòu)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(fù)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(yán)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(biāo)志著新相的產(chǎn)生和舊相的消失，在傳統(tǒng)實驗中將樣品加熱到熔化，學(xué)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(chǎn)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(xiàn)折點或平臺時，相變過程就可以通過動畫形式生動地呈現(xiàn)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(xué)生不僅打消了對實驗的顧慮，而且激發(fā)了實驗的積極性，學(xué)生通過點擊鼠標(biāo)人機交互，從預(yù)習(xí)到操作、記錄完全可以獨立完成，真正體現(xiàn)了“教師為輔，學(xué)生為主”的教學(xué)理念。
2.4人機交互，師生素質(zhì)共同提高
通過計算機仿真實驗學(xué)生有了學(xué)習(xí)熱情，自主完成實驗；可以通過回放、慢動作、反復(fù)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(xué)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(jìn)行實驗，甚至可以自己設(shè)計實驗，使獨立思考問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力得以提升。計算機仿真實驗使教師從以前反復(fù)講解，強調(diào)、提醒的勞動中解脫出來，有精力將自己的教學(xué)經(jīng)驗、教學(xué)思想加以整理，編入仿真實驗軟件中，實現(xiàn)教師—計算機—學(xué)生三者的交互，及時發(fā)現(xiàn)問題，反饋信息，有助于教師教學(xué)水平的提升。
2.5減少浪費，提高效率，實現(xiàn)實驗節(jié)約化
物化實驗儀器設(shè)備較為昂貴，每學(xué)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(yè)技術(shù)人員上門或返廠維修；儀器數(shù)量有限，往往同一實驗要開幾十次，需要配備的指導(dǎo)教師較多，實驗周期較長；物化實驗耗時長，學(xué)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(xué)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(shè)備“零投入”，日常只需要對計算機和仿真軟件進(jìn)行維護(hù)；而通過仿真實驗在保證實驗現(xiàn)象和結(jié)果的同時可縮短實驗時間，原來4學(xué)時的實驗2學(xué)時即可完成，教師在原有的學(xué)時計劃下可以開設(shè)更多的實驗項目，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。
3結(jié)束語
計算機仿真實驗藥品試劑、儀器設(shè)備“零投入”，“污染物零排放”，因而實現(xiàn)了實驗教學(xué)綠色化；利用計算機多媒體技術(shù)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(jìn)行仿真，形象生動，迎合當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，變被動為主動，使綜合素質(zhì)得到明顯提升。當(dāng)然計算機仿真實驗也不是萬能的，現(xiàn)有的實驗軟件可再開發(fā)性還不強，應(yīng)用于設(shè)計性實驗還不得力，如何發(fā)揮計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢，使之更好地為實驗教學(xué)改革和培養(yǎng)人才服務(wù)，還需要物化教學(xué)工作者不斷努力探索和研究。
