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1、计算机多媒体在化学实验中的应用刘立岩1* 刘立岩 （1968 ）女，实验师 北京林业大学理学院 黄凯1（1、北京林业大学理学院 北京 ）摘要：实验教学是高校化学教学中的一个很重要的环节，近年来，随着高等教育观念的更新，手段的改进，计算机化学的兴起和化学知识的创新，使计算机模拟化学实验成为可能。借助计算机模拟手段，可以解决化学实验教学中存在课时不足的问题，并根据具体实验操作情况，尽可能避免直接接触危险及有毒的化学药品，减少废弃物的排放，提高学生的环保意识，从而达到提高学习效率和教学水平的目的。关键词：计算机多媒体；模拟；绿色化学；环境保护化学是一门实验性很强的基础学科，掌握该知识离不开实验。通过
2、实验可以培养学生的观察能力，动手操作能力和严谨的科学态度，学生通过亲手操作、手脑并用，可以促进思维，对所学知识理解深刻，记忆牢固。但是在传统的实验化学也存在着不足，特别是在环境保护己引起广泛关注的今天，绿色化学1己成为未来化学学科发展的趋势，而常规化学实验常伴随着大量的废水、废气、废渣未经处理就直接排放到环境中，对环境造成了污染。本文就此展开研究，探讨在化学实验教学改革中，利用计算机多媒体模拟实验过程，使传统教学模式和现代信息技术结合起来，从而达到优势互补、提高实验教学效果的目的。1、 计算机多媒体模拟有利于环境保护人类社会对资源过度开采导致我们赖以生存的环境日趋恶化，今天世界各国己经环境保护
3、达成共识。那么在高校实验化学教学中也应当贯彻这一环保理念，要求教师和学生都应从保护环境的角度来考虑各个实验设置、手段、方法等，争取在实验过程中实现零排放或零污染，而不是仅仅对过程中产生的污染进行控制和处理，它是未来实验化学发展的总趋势，是绿色化学的核心，也是保护环境最根本和最有效的方法。在常规的化学实验中不可避免地要消耗大量的药品和水资源，而且有些试剂很昂贵，有些试剂有毒，实验中还有大量有毒气体、有毒废水以及有毒物质生成，一方面污染环境，另一方面又可能影响实验的效果，若在通风橱中进行，则影响学生对实验现象的观察。例如：一个有机性质实验往往需要几十种试剂，不仅药品使用量大，而且有一部分试剂有很强
4、的毒性，甚至有强致癌性，其剩余物及产物也很难处理，并且性质实验属于验证实验，既不利于学生实验能力的培养，更不利于环保。因此在保证实验教学目的的前提下，对化学实验内容进行大幅度改革和调整是非常必要的，借助计算机多媒体模拟这些实验，既可以弥补实验教学中的不利因素，使学生易于观察实验现象，同时又保护了环境，增强学生的环保意识。计算机模拟化学实验是指利用计算机技术对化学实验过程进行模拟，是对传统实验化学教学模式的补充和辅助，随着人类对物质世界了解程度的加深，采用计算机等新技术更新教学方法，改进教学过程，尤其是改进化学实验教学，必将成为未来化学教育和教学中的一个崭新领域。运用计算机多媒体技术对部分实验的
5、原理、装置、过程进行模拟，用文字、声音、图像、动画的效果，让学生在计算机上操作也能达到身临其境的效果，这样既让学生学会了实验方式，又把那些毒性大，危险性大，试剂昂贵的实验变成绿色的实验，对环境保护起到了重要的作用。如在学习硫的知识中可设计成模拟实验：（1）模拟硫与氧气反应，指出生成的SO2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大气中，就会产生环境污染；（2）模拟实验室中温度计摔碎后对汞的处理，在汞的表面覆盖一层硫粉，以防发生汞中毒等等，由于利用计算机多媒体模拟化学实验，画面生动、逼真，特别是将反应过程慢放和重播，学生对实验过程和实验现象观察得很清楚，大大激发学生的学习兴趣，学生在掌握知识的同时
6、又加强了环保意识，起到了良好的教学效果。2、计算机多媒体模拟是传统实验化学的补充和辅助2.1、计算机模拟有利于弥补实验课时较少的问题实验教学是一种手脑并用的学生方式，既要动手操作又要动脑思考。由于实验课时的限制，往往一个实验环节需要两到三个学时就要完成，教师只能将仪器的使用和实验方法进行简要的示范和描述，一般很难有足够的时间把整个实验过程进行详细的演示，学生也没有充足的时间去思考，实验经费不足，仪器数量少，不能满足学生人人都能动手进行操作训练，学生在实验过程中难免出现各种各样的错误，导致最后得不出正确得实验结果，甚至在实验课结束后，对所做实验内容仍是一知半解。如果同时做同同一个实验得人数过多，
7、则教学效果更差。因此，采用新的教学手段，引导学生的学习积极性，将学校的校园网充分利用起来，在保证原来实验课的基础上，利用学生的课余活动时间，开通计算机网络进行模拟实验，其具体做法是：将实验内容制作称教学软件上传校园网，使学生不受时间、地点、场所的限制，打开校园网就可以进行模拟实验，这样既可以节省经费，减少环境污染。又为后续实验奠定基础，从而提高实验教学质量，达到预期的实验目的。2.2、计算机模拟有利于学生加深对实验安全规范的认识由于化学实验过程中经常接触有毒、易燃、易爆的危险品，所以化学实验室的安全教育是非常重要的。如果我们通过计算机模拟一些错误操作，例如利用计算机模拟浓硫酸稀释的错误操作，将
8、水到入浓硫酸中，液体沸腾并飞溅，并配上适当的图像、声音，从而使学生亲自感受错误操作的危险性，提醒学生避免这些错误的发生，这样会给学生留下深刻的影响，对实验中的安全规范操作会引起高度重视。2.3、计算机模拟有利于学生复习和巩固 学生做完实验后，由于受到主客观条件的限制，一般难以再安排进行重复实验，因而实验知识往往得不到巩固。如果将实验内容设计成教学软件，学生则可以自由地选择时间和地点进行多次的模拟实验，这无疑是对实验课的一种有力补充。例如在分析化学实验模拟电光天平的使用，利用计算机模拟可达到以下效果：（1）演示：将拆散了的天平部件逐一放在正确的位置，同时采用文字和语音提示该部件的名称、用途以及使
9、用时的注意事项等，当组装完成后，再演示称量操作的步骤，在该过程中，其动画图像清晰、逼真、语音提示更可以加深学生对实验步骤的重视和理解，相比之下常规演示实验是难以达到这种效果的。（2）练习：给出拆散的各天平部件，让学生自己去完成组装和称量练习，每一个操作步骤都给出正确与否的判断，若错误则提示正确的操作方法。（3）巩固：给出实验器材，在不给正确提示的前提下完成所有操作，当正确时，给出欢快的声响；而当出现错误时，则指出其错误，给出提示并给予鼓励至完全正确。（4）测试：在没有任何提示的情况下完成所有操作，根据操作情况和所用时间计分，并在最后给出错误所在，这种计算机模拟实验的模式可以成为课堂教学的有力补
10、充。3、结束语计算机辅助教学是提高现代化学教学质量的一项行之有效的方法和途径，它应用使实验教学更加系统与完善，是学生实验的重要补充与延伸。但是计算机模拟并不能代替学生亲手动手做实验，更不能使学生获得化学实验基本技能，计算机模拟实验只是提供一种手段，起到辅助作用。如果能够与传统的教学手段有机地结合起来，找到一个合适的切入点，就能够最大程度地发挥其作用，从而达到提高实验教学效率的目的。参考文献：1、郑风英，李顺兴. 化学实验绿色研究（3） 漳州师范学院学报 2001，（3）：5759在高等教育实现大众化的今天，由于众多主客观因素制约，国内许多高校教学质量有所下降，特别在实践教学中，出现重视课堂理论
11、教学，忽视成本高、难度和质量弹性都较大的实践教学现象。在全球竞争高度激烈的时代，市场经济对人才所具备的创新精神、实践能力的要求越来越高，如果高校培养的学生尽管理论基础比较扎实，但是实践能力较弱，这种学生在市场经济的环境下是无法立足的，因此，加强高校实践教学工作是我们必须要解决的重要任务。新世纪高等教育教学改革工程指出“高等教育以培养适应新世纪我国现代化建设需要的具有创新精神、实践能力和创业精神的高素质人才为宗旨”，而这种人才只有通过系列的实践教学环节才能得到有效的培养。北京林业大学许多学科专业都属于实践性较强的应用型专业，毕业生的创新精神和实践能力已成为新世纪谋职就业的重要必备条件，然而培养这
12、种能力的重要教学环节，即实践教学环节还存在许多急需解决的问题，以化学实验教学工作存在的主要问题为例归纳如下：1、尚未建立起一个科学系统的实验教学体系：实验教学计划中设置无机化学、分析化学、有机化学、仪器分析以及物理化学等实验课程，实验教学分散在各门课程过程中，每门课实验教学按理论课讲授内容顺序自成体系，各门课程实验教学内容存在互相重复、脱节现象，不利于培养学生的综合能力。2、化学实验教学内容简单分散：五门化学课实验教学多为验证理论性的实验，对基本实验技能培养缺乏系统性，有些实验内容深度和广度不够，知识更新不及时，学生难把化学知识和操作技能应用到实际工作中，去解决实际问题。3、教学手段落后，教学
13、方法死板：各门化学实验教学手段基本上采用传统的一块黑板、一套旧式仪器设备、一本实验教材（讲义或实验指导书），缺乏CAI等多媒体和先进仪器等现代化教学手段。教学方法基本上是：学生课前预习，教师重点讲解和指导，学生按实验指导书“照方抓药”，进行机械式操作最后填写实验报告；学生缺乏独立思考和自己设计实验的能力。4、实验教学时间相对偏少，培养学生动手能力的实践时间不能得到充分保证。鉴于以上情况，在我们有条件解决的前提下，有机化学虚拟实验室多媒体的建设有助于学生学习，其主要表现在：1、有机化学虚拟实验室充分利用多媒体将文、图、声像、动画各种因素有机组合在一起，把一些抽象理论、复杂结构、虚幻情景，跨越时空
14、等因素，通过三维动画、视频图象、虚拟现实等手段形象生动展现出来，使学生通过多种感官刺激全方位地获取丰富的信息，充分调动学生学习的积极性。2、有机化学虚拟实验室的建设，可以弥补实践教学课时不足的问题，扩大学生的信息量。由于课件开发过程中将知识性、趣味性融为一体，采用启发式教学法，使学生主动参与教学过程，处于积极的情绪状态中，而不是被动的接受者，因此有利于培养学生的创新能力。3、有机化学实验试剂大多数具有易燃、剧毒、腐蚀性，所以在实际操作过程中要求学生高度认真，以免失误导致事故发生。虚拟实验室的建设可以为学生提供一个虚拟的实践空间，有利于加强学生的安全意识，提高学生的具体实验操作技能，减小化学实验
15、室事故发生的概率，即使出现危急情况，学生在虚拟实验室的训练也有助于他们及时正确的处理。4、虚拟实验室的建设有助于节省一定的实验经费，避免实验药品的浪费，同时可以减少环境污染。根据高等教育法规定“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才”宗旨，该项目研究目标主要是通过有机化学虚拟实验室的建设培养和巩固学生掌握实验基本理论、知识、方法、技能和受到科学素质的基本训练，培养学生发现问题和综合分析、解决问题能力，以及初步的科学研究能力。该项目在研究内容上突破传统实践教学单一模式的局限，以全面培养学生的综合素质为宗旨，采用多媒体虚拟操作前期实验准备工作和后期具体实际操作相结合的教学方法模式
16、，并据此研制有利于提高学生实践能力的虚拟实验室多媒体系统。研究方法主要有以下几个方面：（1）建立有机化学虚拟实验室运行网络平台通过建立网站教学平台，为学生营造一个完全自主的学习环境，学生可以在该环境中通过自学、模拟、回答问题等多种学习方式，在实践中得到提高。（2）有机化学实验演示以及模拟课件的研制研究、开发、制作有机化学虚拟实验室以及相关支撑软件，管理和开发有关实验教学资源库，并通过对实验教学资源的整理、存贮、加工、修改、整合以及维护等使资源库不断完善和发展。（3）有机化学实验内容的整合和优化为了使学生系统掌握有机化学基础学科的实验技能，培养科学素质、综合分析问题和开展科学研究的基本思路，描准
17、国内外实验教学改革的趋势，加强对学生实验技能培养的系统性和连贯性，遵循教学规律和认识规律，并结合林业院校教学特点，对 “有机化学”实验教学内容进行整合、优化。实验教学内容结构规范为：基础实验、综合性应用实验和研究（设计）型实验等三个层次，使学生在掌握和巩固化学实验基本理论、基本知识、基本方法和基本技能的基础上，提高学生的综合实践能力以及初步的科研能力。创新点突破高等教育实践教学沿用的传统模式，应用现代多媒体技术，建立有机化学虚拟实验室实践教学的创新体系，并结合林业院校教学要求的特点，对有机化学实验内容进行整合优化，创建综合实验教学的新体系，加强培养学生综合分析问题能力，提高学生的实践能力以及培养学生初步的科研能力。