計(jì)算機(jī)仿真對(duì)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(qiáng)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極作用，摒棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，從而實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化、開放化、素質(zhì)化和節(jié)約化。

1計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為核心，利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)[2-3]。

具體的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可采取如下操作過(guò)程：(1)在Windows下運(yùn)行“化學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)”；(2)授權(quán)登陸，選擇實(shí)驗(yàn)；(3)根據(jù)需要選擇相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，在“實(shí)驗(yàn)演示”中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，用戶可選擇儀器及藥品自己組裝裝置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用動(dòng)畫方式來(lái)演示全過(guò)程；(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，返回主菜單。選擇課堂練習(xí)和實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化

綠色化學(xué)[5](GreenChemistr)又稱環(huán)境無(wú)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(gè)過(guò)程和終端均為零排放或零污染。

傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)勢(shì)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中制備鋅電極就需要使用到硝酸亞汞；并且在各實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排放的“三廢”不可避免的對(duì)環(huán)境造成污染，雖然看起來(lái)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(huì)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[5]。

在計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)就可以完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)藥品零投入，在過(guò)程中也就不存在三廢的產(chǎn)生，可以說(shuō)在源頭上杜絕了污染的產(chǎn)生，特別是那些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中必需使用有毒有害藥品的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)仿真無(wú)疑可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

2.2實(shí)現(xiàn)開放式的教學(xué)模式

近幾年我國(guó)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(guó)高等教育由原來(lái)的精英教育向大眾教育轉(zhuǎn)變，同時(shí)也給高校軟硬件設(shè)施構(gòu)成了相當(dāng)?shù)膲毫Α榱私鉀Q傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐表明，該種教學(xué)模式有其一定的優(yōu)點(diǎn)，但由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)只需要一間微機(jī)室，20~40臺(tái)電腦，1~2名指導(dǎo)教師，甚至可以將仿真實(shí)驗(yàn)軟件放到校園局域網(wǎng)上，學(xué)生在寢室就可以完成實(shí)驗(yàn)，更加打破了時(shí)間和地點(diǎn)的限制。學(xué)生根據(jù)自身的時(shí)間安排、興趣愛好和培養(yǎng)方案等選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，登錄仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)自學(xué)了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理，儀器構(gòu)造，使用說(shuō)明及注意事項(xiàng)等，通過(guò)觀看動(dòng)畫熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K自行搭建裝置，連接電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)涉及藥品、儀器、水、熱、電等諸多方面的使用，注意事項(xiàng)相對(duì)較多，為了學(xué)生人身和實(shí)驗(yàn)儀器的安全，指導(dǎo)教師對(duì)注意事項(xiàng)反復(fù)強(qiáng)調(diào)，導(dǎo)致有些學(xué)生縮手縮腳，不敢動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中枯燥的實(shí)驗(yàn)原理變成了生動(dòng)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)的操作流程可以動(dòng)畫演示，并反復(fù)播放，實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤操作會(huì)得到警示音或文字的及時(shí)提醒，對(duì)于會(huì)造成嚴(yán)重后果的錯(cuò)誤，還可以動(dòng)畫的形式模擬。比如“金屬相圖的繪制”實(shí)驗(yàn)，步冷曲線的折點(diǎn)標(biāo)志著新相的產(chǎn)生和舊相的消失，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中將樣品加熱到熔化，學(xué)生通過(guò)攪拌“感覺(jué)到”熔化了，但之后降溫過(guò)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(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)在步冷曲線出現(xiàn)折點(diǎn)或平臺(tái)時(shí)，相變過(guò)程就可以通過(guò)動(dòng)畫形式生動(dòng)地呈現(xiàn)出來(lái)。這樣使物化實(shí)驗(yàn)化靜為動(dòng)，化繁為簡(jiǎn)，化抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，在視覺(jué)和聽覺(jué)的刺激下，學(xué)生不僅打消了對(duì)實(shí)驗(yàn)的顧慮，而且激發(fā)了實(shí)驗(yàn)的積極性，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)人機(jī)交互，從預(yù)習(xí)到操作、記錄完全可以獨(dú)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(jī)交互，師生素質(zhì)共同提高

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)生有了學(xué)習(xí)熱情，自主完成實(shí)驗(yàn)；可以通過(guò)回放、慢動(dòng)作、反復(fù)操作等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置，連接電路，選擇試劑和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使獨(dú)立思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力得以提升。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)使教師從以前反復(fù)講解，強(qiáng)調(diào)、提醒的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，有精力將自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)思想加以整理，編入仿真實(shí)驗(yàn)軟件中，實(shí)現(xiàn)教師—計(jì)算機(jī)—學(xué)生三者的交互，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，反饋信息，有助于教師教學(xué)水平的提升。

2.5減少浪費(fèi)，提高效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)節(jié)約化

物化實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備較為昂貴，每學(xué)期用于運(yùn)行和維修的費(fèi)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(shí)驗(yàn)要開幾十次，需要配備的指導(dǎo)教師較多，實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)；物化實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生大部分時(shí)間都是在“等實(shí)驗(yàn)”，對(duì)于失敗的實(shí)驗(yàn)在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間里往往無(wú)法重做，這些無(wú)疑在人力、物力、財(cái)力和時(shí)間上都造成了很大的浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)幾乎是藥品設(shè)備“零投入”，日常只需要對(duì)計(jì)算機(jī)和仿真軟件進(jìn)行維護(hù)；而通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)在保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的同時(shí)可縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，原來(lái)4學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)即可完成，教師在原有的學(xué)時(shí)計(jì)劃下可以開設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。

3結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)藥品試劑、儀器設(shè)備“零投入”，“污染物零排放”，因而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化；利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、裝置、流程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等，用文字、聲音、圖像、動(dòng)畫、影視等方式進(jìn)行仿真，形象生動(dòng)，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(dòng)為主動(dòng)，使綜合素質(zhì)得到明顯提升。當(dāng)然計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)也不是萬(wàn)能的，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)軟件可再開發(fā)性還不強(qiáng)，應(yīng)用于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)還不得力，如何發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使之更好地為實(shí)驗(yàn)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。