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虛擬物理化學實驗室的構建
虛擬物理化學實驗室的構建
[摘要] 針對目前物理化學實驗教學中的問題,本文提出了虛擬物理化學實驗室的的課程教學計劃。
通過網絡多媒體工具建立網絡虛擬實驗室,克服傳統物理化學實驗教學時間少,實驗設備不足的現狀;提高學生的創造能力,有利于實驗教學質量的提高,真正實現物理化學實驗教學的全部目標。
[關鍵詞] 物理化學實驗 虛擬實驗室 學生
物理化學實驗是一門理論和實踐性很強的基礎實驗課程,與其它化學實驗課程(無機化學實驗、分析化學實驗、有機化學實驗)相比,其實驗內容更側重于定量地解釋化學過程的規律,實驗手段基本是采用各種各樣的實驗儀器,涉及到熱、電、光、聲、磁等物理方面的內容較多,這要求學生掌握一些儀器的操作,同時更注重培養學生解決問題時的研究方法和思路。
該課程的特點決定了其在培養學生實驗基本技能、獨立操作能力、綜合實驗能力以及創新能力方面的特殊意義。
相對于其它化學實驗來說,物理化學實驗顯得更為抽象和復雜。
近年來,各種先進的物理化學研究手段和儀器設備發展迅速,尤其是計算機技術的發展使物理化學實驗技術的更新逐年增大,但目前物理化學實驗內容大多仍在沿用經典教材。
這直接導致目前物理化學實驗教學中普遍存在如下的問題:
1.學生操作儀器時間較少
物化實驗的特點是使用電子儀器多,而前幾門化學實驗課大多用玻璃儀器,所以學生對所使用儀器陌生;在預習實驗中,學生僅在教材中看到儀器的草圖,對儀器的整體構造,沒有大致了解;而且相當大部分的儀器只在一個實驗中使用,在反復壓縮課時的情況下,實驗時間又少,實驗拖堂是無法避免的問題。
盡管教師延長教學時間,但使學生在有限的實驗時間內,熟練掌握所用的各種儀器仍是難題。
因此物化實驗普遍存在學生不能熟練掌握所用儀器。
2.實驗儀器不足
物理化學實驗大都需要使用比較精密的儀器,價格比較昂貴,因此儀器的數量就受到了一定的限制,一些大型儀器只能多人組開設,使部分學生動手機會少;有些實驗因為儀器價格太高,在教學中只能選擇放棄,這都影響了實驗教學效果。
3.實驗教學形式單一
物理化學實驗教學模式通常是學生預習,教師現場講解,學生再進行實驗。
學生在整個實驗過程沒有發揮主體作用,缺乏學習的主動性和積極性,對實驗課不重視,教學效果差, 達不到實驗教學的目的。
4.物理化學理論教學內容與實驗內容不同步
物理化學實驗教學中, 普遍存在教學內容落后于實驗內容的情況。
學生還沒有學到相關方面的基礎理論知識, 就要開始這方面的實驗, 學生要在不知道實驗理論基礎、沒見過實驗儀器的情況下完成實驗。
這樣做既不利于學生實驗思維能力的提高, 也不能激發學生的積極性和創造性, 更不能將所學理論知識通過實驗進一步消化理解。
正是由于這些問題的存在制約了物理化學實驗的教學。
基于此,構建現代物理化學實驗教學新體系勢在必行,我們提出了虛擬物理化學實驗室的的課程教學計劃。
該課程計劃的目的是通過網絡多媒體工具與建立網絡虛擬實驗室,使學生能在實際操作之外更多地學習和鞏固物理化學實驗的相關理論和操作;克服傳統物理化學實驗教學時間少, 緩解實驗設備不足的現狀;提高學生的創造能力,使學生獲得了更多的實驗信息,從而有利于實驗教學質量的提高,真正實現物理化學實驗教學的全部目標。
該課程教學計劃包括:(1)修訂完善編制的物化教材與網上教學資料;(2)根據本校實驗儀器錄制實驗教學片;(3)制作部分仿真實驗;(4)開設開放性實驗。
1.全新的物理化學實驗教材
現有物理化學實驗教材的編寫通常是依據編者所在單位的儀器設備條件而定的,而我院實驗室的實際儀器裝備條件不可能與其完全一致。
而且隨著科技的進步,新型設備的不斷引入,也會出現部分實驗步驟不一致的情況。
目前,我們已經編制適合現代物理化學實驗儀器的實驗教材。
該教材的電子版可以在網站上瀏覽,更與利于學生的自學,同時可以根據實驗設備的更新而同步更新。
該教材更新的主要部分有:(1)計算機輔助開放性的物理化學實驗,有燃燒熱,熔解熱,金屬二元相圖,凝固點降低法測物質的摩爾質量。
在整個實驗過程中,利用計算機進行實驗記錄和數據處理。
修訂了原有的實驗操作步驟使之與新設備吻合。
(2)增加了分子結構的構建與模擬實驗。
利用免費的分子模擬軟件以及我院購買版權的量子化學軟件,增加了小分子分子結構的設計以及分子軌道、振動頻率、偶極距等計算。
使學生一方面對分子的結構有直觀的認識,進而對物質結構方面實驗有一些理論上的了解;另一方面,可以讓學生對物理化學科學前沿的發展有一個簡單的了解。
(3)針對不同專業方向的設計實驗,例如燃燒熱實驗,化工專業可以選擇化工產品,食品專業可以選擇食物。
解決了實驗內容的更新慢而且與專業聯系不足的缺點。
2.利用新設備制作操作實驗錄像
利用實驗室近幾年更新的計算機控制處理的實驗設備,重新錄制比較標準的實驗教學錄像片。
該教學片系統地講授物理化學實驗技術以及每個實驗的實驗原理、具體的操作步驟、正確的實驗現象。
學生在實驗前通過觀看教學錄像,了解所用實驗儀器的原理和操作方法、實驗中的現象,使學生在進入實驗室后,能在有限的實驗教學時間內,熟悉所用儀器,加深對物理化學研究方法的了解,拓寬學生知識面,增強學生學習興趣,完善學生的知識結構,全面理解實驗的各個步驟,進而熟練的進行實驗操作。
同時可以在某種程度上緩解實驗設備不足的現狀。
3.多媒體與虛擬仿真實驗
把一些驗證性的實驗和設備價值較高無法開設的實驗改成仿真摸擬實驗, 幫助理解物化理論知識, 使學生對物化實驗及儀器使用有一個感性認識。
可以通過校園網絡, 開設實驗教學網站,制作仿真實驗軟件, 讓學生能根據理論課進度, 進行模擬仿真實驗, 這樣, 提高了學生對理論課知識的理解和對實驗的興趣,還可為學生提供現有的各種儀器的工作原理和使用說明, 使他們通過網絡熟悉儀器, 產生感性認識, 為必修實驗打下基礎。
同時,生活生產中與物理化學實驗相關的材料也可以以多媒體的形式掛在網站上,開闊學生的眼界。
通過仿真模擬實驗, 實現了物理化學實驗的第一層次要求, 既使學生對物化實驗產生了興趣, 又使學生獲得了更多的實驗信息, 從而有利于實驗教學質量的提高。
4.開設開放性實驗
在學生有了一定的實驗操作動手能力、調動起了學習積極性的基礎上,可以進行開放性實驗探討。
開設開放性大多為具有一定深度和前沿性的小課題或直接參與老師的科研項目,學生自己查閱相關資料、設計實驗方案, 確定實驗內容和實驗時間,自己動手做一切與實驗相關的工作。
以學生為主體的開放性實驗, 學生自主學習, 獨立思考, 自由發揮, 從而激發學生的創造性思維和探索精神, 培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力,實驗室與實驗設備也得到充分利用,學生通過對實驗結果的檢測, 使用到大型的精密儀器設備, 學以致用, 更進一步激發學生對實驗的興趣。
整個課程教學改革計劃四部分內容是一個有機的整體,學生學習物理化學實驗的步驟按照:實驗教材中的實驗→對應的實驗錄像→多媒體與虛擬仿真實驗→實驗室操作,開放性實驗則是最后的檢驗環節。
該計劃可以一方面解決目前物理化學實驗教學中普遍存在的多種問題,全面實現物理化學實驗教學目的;另一方面可以在有限的實驗教學時間內,擴大學生的知識面,使學生了解物理化學實驗與實際生產的聯系,激發學生們的求知欲望和探索精神, 提高了學生的創造能力。
結論:
該課程計劃首次把多媒體技術,電影,虛擬仿真技術聯合應用到物理化學實驗教學上,構建一個完整的虛擬物理化學實驗室。
其目的是使學生能掌握物理化學實驗的基本方法和技能,從而能根據所學原理設計實驗,選擇和使用儀器,培養動手能力,鍛煉學生的觀察能力,正確記錄數據、處理數據、分析實驗結果的能力,培養學生的創新精神以及嚴肅認真、事實求是的科學態度和作風。
其特色和創新之處在于:
1.多媒體技術+電影+仿真技術有機結合的虛擬實驗室。
可以更新的電子版實驗書以及相關的多媒體資料,使學生了解原理的同時開闊眼界,標準的實驗錄像使學生對實驗有一個直觀的了解,易于掌握實驗的標準化操作。
仿真實驗使學生利用電腦模擬真實環境,并根據真實環境中的理論和實際操作情況在虛擬的環境中進行操作、驗證、設計、運行。
在此基礎上,學生進入實驗室進行操作。
優點:投資小,收效高;維護簡單,更新方便;資源豐富,適用面廣;提高設備利用效率,使用靈活;利于學生自主學習,提高學習效率。
2.真正的開放性實驗。
虛擬實驗室的建立不僅節省了學生的學習時間,節約了設備的投入,關鍵是培養了學生自己學習設計實驗,選擇和使用儀器和進行開放性實驗的能力。
參考文獻:
[1]張西亞.淺談物理化學實驗教學改革的必要性.石油化工應用.2008,27(5):119-120.
[2]劉弋潞,胡曉洪,梁舒萍.建現代物理化學實驗教學新體系.實驗室研究與探索,2009,28(4):133-136.
[3]鄧型深.改革物理化學實驗教學,提高學生的創造能力.實驗室科學,2008,(6):30-31.
[4]過家好,陳俊明.物理化學實驗教學的探索與改革.廣州化工,2009,37(5):232-234.
[5]李茂蓮,鄭韻英,陸來仙.論物理化學實驗的開放式教學與學生能力拓展.欽州學院學報,2008,23(6):75-77.
[6]石海信.物理化學實驗開放式研究性教學模式的研究與探索[J].廣東化工,2008,35(4):119-122.
[7]金為群等.物理化學實驗課開設綜合性設計性實驗的探索[J].高教研究與實踐,2006,(3):23-24.
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