转载论文【虚拟仿真技术在无机化学实验的应用】-仁创编译
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摘要：虚拟仿真技术在实验教学和科学研究等方面发挥着重要作用，在无机化学实验课程中，虚拟仿真技术可以很好地进行预实验和弥补实验操作中的一些弊端。本文探索了在无机化学实验教学过程中，虚拟仿真技术在无机化学课程中的作用和优势。虚拟仿真技术和实验操作的交叉应用更能提高学生的动手和主动思考能力，促进学生对课本理论知识的学习。
关键词：虚拟仿真;无机化学实验;优势和作用
随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术日渐成熟，促使它在教学科研有了更加广泛的应用，特别是在化学化工实验中受到越来越多的关注，虚拟仿真技术平台的建设逐渐成为高校化学化工实验教学的一个发展方向[1]。通过建设虚拟仿技术平台，虚拟实验操作与真实实验教学相互融合和补充，既可以改变传统教学方法和模式，又为新世纪的工程型和创新型人才培养开辟出了一种新的方式[2]。无机化学实验教学是本科教学的一个基础性实验，教学实验需要大量的实验设备和化学药品等实验用品，但绝大多数的化学原料和废料不能满足绿色环保化学的时代背景。虚拟仿真技术平台的建立既能让学生熟练掌握化学实验技能，又尽可能避免对环境的污染。目前虚拟仿真技术已经将理论分析和科学实验紧密结合在一起，逐渐成为实验教学和科学研究中一种必不可少的手段，尤其是在基础实验教学领域具有巨大的潜在应用价值[3]。在无机化学实验教学课程上，虚拟仿真技术平台是实验教师利用计算机软件与传统的实验仪器设备、实验条件相结合，通过在计算机上的操作让学生根据实验条件选择相对应的实验仪器和药品，对实验反应进行数据采集、现象分析、结果判断、结论总结和存储等，充分利用最新的计算机软件来实现实验装置的组装，实时进行实验操作，进一步利用已有实验仪器的功能和开发新功能[4]。对于虚拟仿真技术平台，本文认为可以在无机化学实验中引入相关技术，除了提高学生的操作水平外还可以利用虚拟仿真的动画使学生更加清晰的了解一些基本的无机化学实验原理;对于有毒、爆炸、腐蚀等具有危险性的实验过程，可以通过虚拟仿真技术平台使学生对其有深刻的印象和认识。比如，在化学反应速率和活化能的测定实验课程中引入仿真虚拟实训系统，使学生对相关实验操作有所了解，还可以通过动画来使学生对现象有充分观察，避免学生跟有剧毒的化学药品接触，对实验的反应终点有提前的预知。由于在计算机上引入实验的视频动画和具体操作流程，引导学生对理论知识有更深一步的学习，提高学生学习的自主性和积极性。
1虚拟仿真在实验教学中的简介
1989年，美国Virginiada大学的WilliamWolf教授最早提出了虚拟仿真技术，在理论和设计的基础上加入了第三种设计手段和形式。它的主要内容是以计算机技术为基础，利用网络通讯、数据库、多媒体等相关虚拟仿真技术建立与之相关的技术平台，模拟现实的实验条件和设备，利用计算机进行相关的实验设计、操作运行和验证。通过虚拟仿真技术平台，可以模拟建立一个接近真实环境的实验场所，把原本实验所需要的仪器设备和药品移入到虚拟仿真平台，借助计算机在平台内操作并观察相关的实验现象。虚拟仿真技术平台不仅缓解了高校实验资源紧缺的难题，减少了学校的资金投入，而且可以很好的提高学生的学习兴趣，可以让学生亲身经历、操作具有危险性的工艺流程，帮助学生理解深奥的理论知识，并加深印象。
2虚拟仿真技术在无机化学实验中的应用
众所周知，无机化学是高校化学化工等相关专业的一门基础课程，而无机化学实验是对所学理论知识的验证和补充。传统的无机化学实验课程需要实验设施完善和药品种类相对齐全的实验条件，通过教师的讲解和示范，学生自己动手操作，完成相关实验内容。这样不仅锻炼了学生自身的动手操作能力，也让学生更深层次地理解课本中的理论知识。但在实际的无机化学实验中，会产生一定量的有毒、爆炸、腐蚀等具有危险性的产物，如果学生操作不当，极其容易引发安全问题。虚拟仿真技术平台就可以很好地弥补真实实验中可能出现的安全事故。利用虚拟仿真技术平台，可以让学生开展相关具有一定危险性的实验，却不会产生安全事故，学生可以对相关实验有更深一步的了解。
2.1虚拟仿真技术在玻璃管加工实验中的应用
玻璃管加工实验是无机化学实验中所开展的第一个基础实验，但该实验在进行操作时有大量的安全隐患。首先，在玻璃管折断时，需要利用薄片砂轮或者锋利的锉刀，左手大拇指顶住玻璃管，锉刀按照一个方向在玻璃管上划出一个划痕，双手握在划痕两边，折断玻璃管。由于大部分同学第一次进行玻璃管折断操作，在折断玻璃管过程中，容易造成断面不齐，断裂的碎玻璃很容易划伤皮肤，甚至扎入皮肤中，容易造成安全隐患。其次，折断的玻璃管，需要放在酒精喷灯的外焰上，缓慢匀速地进行转动，当灼烧位置处于红熔状态时，双手缓慢平行外拉玻璃管，拉到实验要求的粗细位置，将玻璃管放置在石棉网上，让其自然冷却一段时间后，利用锉刀将玻璃管拉伸位置折断，成功制备出玻璃滴管。但在制备滴管过程中，需要用到酒精喷灯，当酒精喷灯使用寿命较长时，喷灯会产生大量问题，例如酒精喷灯酒精喷口处容易被异物堵塞，喷灯不易被点燃，或者喷灯预热不足喷出大量液体酒精。类似情况极易造成火灾，对学生生命安全造成威胁。最后，该实验还可以利用酒精喷灯制作一些其他实验中所需要的玻璃弯管，为后续的实验提供实验装置。但由于学生经验不足，制作的玻璃弯管大部分不符合实验装置的要求，造成实验材料的大量浪费。从上面的酒精喷灯实验中，可以看到实验中存在大量的安全隐患，特别是对于初次进行无机化学实验的学生，如何避免出现安全隐患成为一个难题。而虚拟仿真技术可以很好地解决这个问题。利用建立的虚拟仿真技术平台，先对相关材料利用程序编程，模拟出玻璃管、酒精喷灯和相关的实验操作步骤，学生在计算机上，借助虚拟仿真技术平台，进行实验操作，既可以让学生实际操作玻璃管加工过程，又可以避免所带来的安全隐患，同时，也可以节约出学校的实验资源，尽可能多地让学生开展相关实验。
2.2虚拟仿真技术在钴配合物的制备与组成测定实验中的应用
钴配合物的制备与组成测定实验让学生了解钴配合物的制备原理及其组成的测定方法，但实验过程中需要大量有毒或者易燃易爆的化学药品，如氯化钴、硝酸银和重铬酸钾。对于[Co(NH3)]Cl3晶体的制备，首先，取适量的CoCl2·6H2O晶体、NH4Cl和蒸馏水加热溶解之后，加入一定量的活性炭，冷却后再加入适量氨水，冷却至10℃以下用滴管滴加双氧水。然后，在55℃左右的水浴中加热20min，在冰浴条件下，溶液冷却至0℃左右，进行抽滤，得到的固体再次溶于一定量含有盐酸的沸水中，水浴冷却后，进行抽滤，往滤液中加入浓盐酸，得到大量的橙黄色晶体，最后，进行洗涤干燥，就得到了实验的目标产物。在实验过程中，实验步骤较多且繁琐，会用到大量具有强酸性的盐酸，学生一旦出现错误操作，极其容易将盐酸飞溅到衣服甚至皮肤上，造成衣服腐蚀或者皮肤受伤。同时，实验中存在大量的升降温过程，很难精确控制各个反应过程中的实验温度，一旦其中某个步骤控温不准确，就会造成实验的失败，浪费大量的时间和药品。在钴配合物的制备与组成测定实验中需要使用大量有毒、易燃易爆的药品，伴随大量的升降温过程，而药品使用容易产生安全隐患，升降温过程难以精确控制。同时在实际实验操作过程中，由于学生人数较多，需要大量的实验台、实验药品，占用大量的公共实验资源。而利用虚拟仿真技术平台，可以虚拟出实验所需的实验药品，利用计算机进行相关的实验步骤，避免有毒有害的药品对身体产生损伤，同时，计算机精准控制反应温度，保证实验的成功率。
2.3虚拟仿真技术和实际操作在无机化学实验中的交叉应用
虚拟仿真技术和实际动手操作在无机化学实验中是相辅相成的，实际操作让学生更加直观观察反应的过程和现象，锻炼学生的动手操作能力，对所学理论知识有更深一步的认识。但在实际实验操作中，在使用一些有毒有害的药品时，容易造成安全事故。某些条件复杂的实验需要大量的仪器设备和实验操作台，对学校的实验资源产生巨大压力。虚拟仿真技术平台的建立，可以模拟相关实验环境，建立一个绿色、无污染和无危险的实验平台，实现立体化教学。但虚拟仿真技术平台只是在计算机上进行实验操作，缺乏对学生动手能力的培养和对实验的直接观察。虚拟仿真技术和实际操作在无机化学实验中的结合使用，可以将实践操作能力和理论知识融会贯通，既避免一些危险实验中的一些安全事故，又可以节约学校的实验资源。
3结语
在无机化学实验中结合虚拟仿真技术建立一个系统性的平台，在平台内进行相关实验，可以生动形象的完成实验，激发学生的学习探索兴趣，让学生在有限的时间和实验资源下尽可能多地开展相关实验，更好地锻炼学生的知识运用能力，使学生充分理解和运用课本所学的理论知识，解决实际生产生活中的问题。
参考文献
[1]孙二军,赵仑,唐艳茹.高校虚拟仿真实验教学中心的建设思考[J].长春师范大学学报,2016(8):121-124.
[2]谢波,赵锟.初探虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用[J].广东化工,2019,46(1):208-219.
[3]王静,杨金萍,王春梅.虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用[J].实验技术与管理,2015(7):107-108.
[4]李伟光.虚拟实验在化学学科教学中的作用与成效研究[D].河南大学,2012.
作者：张鹏 单位：河池学院
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