林雪梅

（河北民族师范学院，河北承德 067000）

随着国家不断增加对应用型本科人才的需求，对人才培养也提出了新的实验教学要求。实验教学是高校教学中的重要组成部分，具有培养学生创新意识、提升学生创新能力的重要作用。虚拟仿真实验教学主要依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。

对于化学专业，由于其实验的特殊性，会用到不同种类的化学试剂，实验过程中会存在一定的风险，并且实验完成后的废弃物需要清理，否则会存在污染环境的问题，将虚拟仿真技术引入到化学实验中，能够提高实验的安全性，并避免部分实验对环境的污染。

1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真可以理解为利用计算机对一些系统的结构、功能和过程进行动态性模仿，获得接近于实际情况的效果。从20世纪80年代开始，随着高性能计算机、嵌入式操作系统、图像处理专用芯片及电子元器件技术的发展，虚拟仿真技术越来越多地应用于生活和生产，如仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等领域。电子电气工程等中常用到的LabVIEW虚拟仪表，日常生活中常见到的VR游戏，甚至是今年开始大力发展元宇宙概念等，都是具有代表性的虚拟仿真技术。

与文字、图片、视频等传统的表现形式相比，虚拟仿真最大特点是可以进行交互，反复操作，因此，虚拟仿真可以用来加强教学培训、提升操作演练效果。解决“三高”（高危险、高成本、高污染）与“四难”（难看到、难动作、难进入、难再现）问题。

2 应用型本科教学的培养模式和特点

应用型本科学校的办学宗旨是应用，重点也突出在“应用”上，在学生的培养上，也会侧重其社会适应力，加强其竞争力，专注于应用型人才产出。应用型本科的教学中，各个专业也必须能够结合学校所在地，挖掘自身特色优势，强化学生实践能力，因此，“应用”要体现在实践教学及教学体系的建设中。

应用型本科中培养的是“理论应用型”人才，他们首先要接受本科及以上的专业理论学习，然后再具备理论知识的应用能力。应用型本科重点在应用，因此知识结构上，必须以本专业行业的实际需求为出发点；从能力上来说，应用型本科要根据各行业特点，使学生学会利用专业理论知识和方法，具备解决实际工作中可能面临问题的综合能力和技术创新能力。

3 虚拟仿真技术在应用型人才培养中的作用

3.1 提高实验室利用率

当前的大学中，不同的学院、专业都建立了实验室，这些实验室只能满足单一专业、单一课程的教学和实验，随着大学生人数的增加，实验室资源也较为紧张。随着技术和产业的升级，实验室中的设备会逐步地老化、陈旧、无法跟上时代发展的节奏，而更新换代实验室设备也会需要更多的投入。应用型大学中，如果建立了虚拟仿真教学实验室，那么可以将实验室进行专业扩展，让不同的专业学生进行在线教学和实验，利用较小的实验室，提升实验室的利用率。

3.2 提升人才培养质量

现代社会对人才的需求不仅要有系统的理论知识，还应掌握必要的动手能力，虚拟仿真技术能够与学科交叉应用，一些传统上只能理论学习的学科，在引入了虚拟仿真技术后，可以做到模拟实际场景、过程、内容，为理论知识的落地提供了机会，因此，通过虚拟仿真技术应用，很多专业的学生的理论和实践能力会得到进一步提高。

3.3 提升学校办学质量

虚拟仿真技术具有可扩展性，在硬件平台不改变的前提下，通过软件技术可以进行新的实践、实验场景的设计，扩展学生的创新思维，促进学生的创新发展，使学生具有更好的综合素质，同时也能间接地提高学生的就业能力和创业水平。学校会得到更多的正反馈，提升学校的办学能力和教学质量。

4 虚拟仿真技术在化学专业中的应用现状

结合现在的文献资料来看，目前的研究主要集中在技术基础和一些实验平台的搭建方面，在教学方法改革、学生专业能力以及实践能力方面的涉及较少，并且，虚拟仿真技术主要是应用在理工科背景，在人文社会学科中应用较少。已经有一些学者开展了关于虚拟仿真技术在应用型人才培养方面的研究，如交通工程[1]、智能化现代工厂[2]、安全工程[3]、通信专业[4]、输电线路[5]等。在化学专业的教学应用中，也有学者做了相关的探讨分析，具体可以总结为两方面：①对专业实验课的教学应用；②对具体学科理论课程教学方面。

4.1 专业实验课的教学应用

在化工与制药专业的实验教学中，聂丽蓉等对虚拟仿真技术的应用进行了分析，总结出传统的实验耗时久、教学内容有限、实验条件无法跟上行业技术发展角度、实验使用有机溶剂的安全隐患大等现实问题，提出了虚拟仿真技术，建立虚拟仿真训练实验平台，来突破教学资源的限制，进而实现绿色实验教学，并对虚拟仿真技术在“化工原理”“药物分析实验”及“药理学实验”教学中的应用进行了展望。

覃其品以水银的处理实验为例探索了虚拟仿真技术在无机化学实验中的应用，其开发的虚拟仿真实验平台，能够逼真地模拟出实验室的界面，开关窗、通风橱等操作。通过软件的利用，可以使学生都积极地参与到实验中，得到全方位的锻炼。这种安全无害、覆盖面高的虚拟教学平台建设，必然是教改的新方向。

秦倩等为应对当下线上教学中分析化学实验教学，将虚拟仿真平台引入教学，构建了新的教学模式和考核方法。以“钙盐中钙含量的测定”实验为例，学生利用MLabs 移动虚拟实验室在手机客户端即可进行学习和实验，并探索了“线上线下-虚实结合”的教改新模式。

4.2 具体的学科理论课程教学方面

在课程教学方面，郭艳等将虚拟仿真技术应用到了材料化学专业的核心课《现代材料分析方法》，虚拟仿真平台可以充当实验前预习的工具，给学生提供重复实验的机会，这种实验形式新颖，并且电子化的教学过程能够辅助完善实验教学评价体系建设。

陈凯等则在制药工程专业有机化学教学中利用虚拟仿真技术，将有机化学中抽象的分子结构、分子轨道、反应机理等进行了直观的可视化，帮助学生更容易理解和掌握相关知识点。他们以构型与构象的区分、反应机理的动态演示为例，在有机化学课程教学中进行了虚拟仿真技术的应用实践，达到了提升有机化学教学效果的目的。

综上可以看出，在虚拟仿真实验在高校化学课堂教学中的应用中，通过计算机模拟的化学仿真实验，能够以虚拟的形式把仪器展示出来，进行仿真实验，实验平台投资少、无污染，但目前的应用中，存在与传统实验室结合不充分，虚拟软件价格较贵等问题，合适的途径是将线上的虚拟仿真实验和线下的实验相结合，做到相互补充，来切实提高学生的动手能力和思考能力。

5 应用型本科教学中存在的问题

近年来，国家重视应用型本科学校的建设和支持，应用型本科的概念也在国内得到了快速普及和发展，然而，我国的高等教育体系还并不完善，因此，在应用型本科的建设以及教学中还有一些问题需要进一步解决。

1）虽然很多大学和学院已将名字改为了应用大学或者应用技术学院等，但是，强化实验和实践方面并未形成一致的观念。一些师生对应用型人才的认识不足，对学生的培养模式还是沿用之前的纯理论教学模式，缺乏对虚拟仿真技术教学实践的深层次理解，更没有将虚拟仿真技术引入到实验教学中。

2）部分实力雄厚的院校，已经建立了虚拟仿真实验教学平台或者课程，配备有电脑端、手机端，方便学生的接入和实验。但是相当多的院校还仅停留在理论阶段，没有建立起完善的虚拟仿真教学平台，而短缺的线下实验教学资源也使应用型人才的培养掣肘。

3）理论教学与实践教学的比例还需调整和完善，尽管随着应用型人才培养的要求，虚拟实验和实验室操作实践环节已经大幅提升，但是在具体的课程设计中，用于学生实践、实习、实验的学时仍显不足。

4）作为应用型本科的核心教学力量，双师型教师必不可少，但是目前的高校教师中，多以理论教学的教师为主，很多教师自身也缺乏企业和行业的实际工作经验，无法在虚拟课程和实验的设计以及教学中给予学生更多的实践指导，难易满足对实践教学的需求。

5）应用型人才的建设需要完善的校外实习基地，但是很多院校缺少校外实习基地，有的学校即便有校外基地，可能也不能满足实习实践的需求。

6）教学评价机制不完善，当前的教学评价以理论教学成绩为主，对实践教学的考核、评定不足，或者是没有细化好对实践教学的考量机制和方式，无法显示应用型本科人才培养的教改需求。

6 构建应用型本科学校虚拟仿真实验教学体系的思考

6.1 开设创新性的化学类实验项目

现实中企业的技术和产品都在快速地更新换代，针对这样的现实需求，应用型本科院校需要与时俱进，与行业保持密切的联系，积极开设能够在各专业领域具有领先地位的新项目，提高学生与时代的适用关系。以化学专业为例，可以深入调研与化学、化工、生物、制药、能源等相关企业的最新发展动态，以培养高素质、复合型、应用型、创新型人才为目标，拓展面向多专业学生的新实验实践项目，充分利用当前的实验室、图书馆、校园网、互联网等资源，构建出适用于化学相关专业学生的开放式、激发式的学习平台，促进学生能够实现跨专业的综合素质提升。

6.2 建设系统性的化学实验平台

现阶段单一的专业建设平台有其必要性和易实现性，但从学校更高的角度考虑，应用型本科院校应该构建出跨学科、跨专业的系统性的实验平台，通过一个综合性平台的构建，能够满足某一学科下相关专业的全流程、跨专业、多岗位的虚拟仿真综合训练平台。以化学学科为例，构建适用于化学学科的综合实训平台，既能够满足化学学科下不同专业的需求，也能满足生物、能源等跨学科中涉及到化学背景等专业的教学需求，通过集成课程教学仿真，更加直观地展现教学内容。通过构建服务器、客户端等，让学生、教师、管理岗人员都参与到教学和应用实践中，充分发挥出综合性平台的优势。形成“认、学、练、评、用”的层次递进式学习模式，使学生能够得到系统化的培训，全方位提升学生的能力。

6.3 构建长效性的激励机制

实验平台的建设不是一朝一夕能够完成，其面临的教学需求和环境是非常复杂的，平台的建设要有很大的投入，后续实践教学中的效果如何也需要时间的检验。为了保障虚拟仿真实验平台的建设效果，就需要建立实验平台长效发展的机制，将实践教学中教师、学生、实验室管理员、学院领导、行业企业等各方人员的积极性都充分调动起来，主动改进、积极完善，打造出稳定的实验教学团队，以此来提高实验教学的成果，使应用性人才培养真正落地，为行业源源不断输出应用型人才。

7 结语

应用型人才培养是应用型本科建设的重点，也是未来高等教育的一个发展趋势。虚拟仿真平台的建设在应用型本科教学实践中有很大的优势和应用潜力，特别是当前面对新冠肺炎疫情，线上授课也成为了一种重要的教学方式，应用型本科学校、教师乃至学生都应该思考和坚持，将虚拟仿真教学应用到实践、实验等教学环节，做好实践教学的改革，提高教学质量，培养出更多的应用型人才。