虚拟仿真化学实验教学软件设计浅析

2022-09-21 16:46:51 来源:写作指导

虚拟仿真化学实验教学软件设计浅析

[摘要]为解决化学目前化学实验虚拟仿真软件单一演示性的不足,更好的启发学生在仿真实验操作中有更多的思考和创新,实现虚拟仿真化学实验的自由操作,激发学习兴趣,推进仿真软件的创新发展,开发多通道逻辑判断的智慧型虚拟仿真化学实验教学软件,使用化学实验仿真教学软件可设置实验条件参数,实现不同条件不同结果的智慧仿真,探索化学实验仿真教学软件发展的新方向。

[关键词]仿真;化学实验;教学软件;设计;智慧型

在COVID-19疫情的背景下组织网络课程教学,新颖的教学方式,教学内容丰富,教学素材更新迅捷,课堂组织形式也灵活多变,网课受到师生接受并喜欢,也催生了一大批优质的网络课程资源。相对于理论课而言,实践类课程资源建设速度慢、周期长,而且无法让学生亲自动手操作,体验感和参与度相对于理论网络课程要弱一些,如何创新实践类网络课程发展的问题显得格外突出。

1化学实验虚拟教学软件的作用和现状

化学实验教学虚拟仿真软件,在突破实验时空限制、微观过程可视化、开阔学生视野、共享教学资源、辅助教学过程等方面起到了重要的作用[1-3],在实验教学改革和创新上具有重要的意义,从上世纪九十年展至今,取得不少的成果。目前常见的化学实验教学虚拟仿真软件多属于演示型,存在着操作流程化、内容演示化和步骤预制化的不足在流媒体空前高度发展的当下显得尤为突出,值得在化学实验教学改革中思考和创新。事实上,很多化学实验中操作步骤并无必然的先后逻辑顺序,如果在仿真实验中被强行规定了先后顺序,反而使得实验操作失去了操作弹性显得刻板;过多过细的步骤提示和操作指引在方便学生操作的同时,却“剥夺”了学生开动脑筋的机会;无论参数如何设置,过程怎样多变,最终仿真操作只有一种实验结果,背离了化学实验的实际过程,以上传统“非智慧型”化学实验虚拟仿真软件存在的种种问题,在培养学生的实验思考、创新能力等方面都有着很大的局限性,学生在实验学习中没有了思考的空间自然就没有了学习兴趣,使得虚拟仿真教学的意义和效果都打了折扣,改进虚拟仿真实验设计很有必要,值得探究。

2存在问题的解决办法

针对化学实验虚拟软件存在的问题,在设计仿真实验的时候融入多通道的逻辑思维,设计的虚拟实验具有多通道的实验路径,能模拟实验中各种可能性,开发具有“智慧”的化学实验虚拟仿真软件,在软件中增加真正的参数设置功能和智能实时评分系统,搭建实验流程数学模型大幅提升软件的交互能力,结合云计算技术和网络技术[4],构建全新的智慧型虚拟仿真化学实验教学软件,解决目前演示性仿真软件的弊端,要着眼于多方面:

2.1变仿真软件的单一演示性为多通道的逻辑判断

摒弃现有的单一性逻辑流程化的虚拟化学实验软件,建立多发通道逻辑判断的智能型化学实验软件,并在过程中对学生的操作进行记录、判断,并根据学生的不同操作产生不同的实验结果,在实验报告反馈学生,并对这个实验结果给出合理的解释。体现仿真实验软件的智慧,启发学生在实验中思考,反馈学生实验过程中的操作,激发学生仿真实验兴趣和探索,让化学实验仿真软件像真正的实验室一样可以自由思考、操作。

2.2数据共享

建立与学校数据中心技术标准一直的课程数据库,利用数据中心交换实验课程所对应的数据,学生信息与学籍管理系统对接,考试成绩与教务系统对接,让实验教学管理过程有迹可循、记录完整、准确规范,避免信息孤岛。

2.3模块化发展

虚拟仿真课程教学平台涉及很多课程及不同的教学项目,做好规划、模块发展很重要,在统一的技术标准下,不断完善更新课程教学内容,后期建设中做到事半功倍、持续发展。

3智慧型仿真化学实验教学软件实例

以氢氧化钠溶液的配制和标定实验为例,实验过程表述为:将玻璃仪器洗净,用电子台秤称取NaOH0.4g放于250mL烧杯中,用100mL量筒量取蒸馏水100mL,加到烧杯中,用玻璃棒搅拌,溶解形成无色均一透明的溶液。用20mL的移液管移取0.1025mol/L的盐酸溶液至250mL的锥形瓶,在锥形瓶中滴加酚酞指示剂2滴,将配制好的0.1mol/LNaOH溶液装入无色滴定管中,滴定至锥形瓶中呈前红色半分钟不褪色,读数并记录,平行滴定三次,清洗仪器,整理桌面,计算实验结果[5]。所用的仪器和试剂包括:仪器:通用型滴定管(无色,25mL)、移液管(20mL)、锥形瓶(250mL)、量筒(100mL)、洗耳球、烧杯(50mL)、烧杯(250mL)、电子台秤(500g,d=0.01g)、玻璃棒、小药匙、洗瓶(300mL)、废液缸(500mL)、废纸篓(1000mL)试剂:自来水、蒸馏水、NaOH(固体,AR)、HCl(0.1025mol/L)、酚酞指示剂(5%)材料:吸水纸条、称量纸

3.1根据实验内容和所用仪器,我们将氢氧化钠溶液的配制和标定实验过程分解设计成16个大步骤:

(1)烧杯、锥形瓶、量筒的洗涤。(2)移液管的洗涤。(3)滴定管的检漏。(4)滴定管的洗涤。(5)玻璃棒、小药匙洗涤。(6)NaOH的称量。(7)NaOH溶液的配制。(8)小烧杯(50mL)的润洗。(9)移液管的润洗。(10)将HCl标准溶液移至锥形瓶中。(11)润洗滴定管。(12)将NaOH溶液装入滴定管。(13)加指示剂。(14)滴定。(15)清洗各玻璃仪器及整理实验台面。(16)实验结果计算。结合实验操作中的实际操作,实验从(1)、(2)、(5)、(8)步开始均符合实验要求,按可以允许的各操作步骤的先后顺序,列出16个大步骤之间的顺逻辑关系如图1。氢氧化钠溶液的配制和标定实验过程逻辑关系示意图简要说明:①向下的箭头表示操作从。②箭头表示步骤之间可以从上一步到下一步③(1)~(15)执行完毕,NaOH溶液的配置与滴定练习实验结束④如果未执行(1)、(2)、(3)、(5),实验报告提示该仪器没有清洗;⑤如果未执行(4),实验报告提示滴定管没有检漏;⑥如果未执行(8)、(9)、(11),实验报告提示该仪器没有润洗;

3.2将大的步骤分解成小的实验步骤,再以氢氧化钠溶液的配制和标定实验分解的第6步“NaOH的称量”为例,我们将其分解成19小步:

(1)按电子台秤的电源键,接通电源,显示0.00g(2)拿起称量纸(3)将称量纸放在电子台秤托盘上,显示质量m1g(4)按电子台秤的“T”键调零点,显示0.00g(5)拿起NaOH试剂瓶(6)打开NaOH试剂瓶盖(7)拿起小钥匙(8)用小钥匙取用NaOH试剂瓶中固体(9)将小钥匙中的NaOH试剂放到称量纸上,显示质量为mxg(10)判断mX的大小(11)用小钥匙从称量纸上取少量NaOH试剂,台秤显示质量为mxg(12)将小钥匙上的NaOH试剂放回废液缸(13)盖上NaOH试剂瓶盖(14)放回小钥匙(15)取用一个250mL干净的烧杯(16)从电子台秤上将称好的试剂连称量纸拿起来(17)将称量纸上的试剂完全倒入烧杯(18)将称量纸放入废纸篓(19)按电子台秤上的电源键,关闭电源系统认可正确的逻辑关系可以是多通道的,实验从(1)、(2)、(5)、(6)、(7)、(15)小步开始均符合实验要求,按可以允许的各操作步骤的先后顺序,列出19个小步骤之间的顺逻辑关系如图2。NaOH的称量小步骤操作顺序逻辑关系示意图简要说明:①向下箭头表示操作从这一小步骤开始均可②箭头方向表示可以从上一步到下一步③(1)~(10)、(13)~(20)执行完毕,NaOH的称量步骤完成;④如果未执行(4),实验报告提示称量实际质量m=mx-m1;⑤如果未执行(8),实验报告提示没有称量NaOH试剂;⑥如果未执行(17),实验报告提示称量的NaOH试剂没有放入小烧杯;⑦当触发了(1)、(8)、(9)、(17)中任意三条,视为进入了称量NaOH试剂步骤。我们构建仿真实验过程时,先设定每个小步骤中间的关键操作,根据学生的操作来判断并记录实验过程处在那个小的步骤中,然后根据学生操作情况判断并记录小步骤的完成程度;同理,我们根据大的步骤之间的逻辑关系,来判断并记录整个实验的完成情况。这样我们采用双层逻辑关系的判断,来让软件仿真实验的过程,让学生有“随心所欲”的实验操作体验。

3.3条件实验,引入实验误差参数

学生的操作是否符合操作的规范;根据学生是否完成这个小的操作步骤来判断在整个实验中是否会产生影响,并将可能产生的影响在实验结果中体现出来。比如实验中,移液管没有洗涤、就直接移取溶液,会对实验结果产生多大的影响?移液管没有润洗对是实验结果产生多大的影响?润洗移液管时,溶液用量不足或者润洗的次数不够又会对实验结果产生多的大影响?都要通过条件实验来总结规律,并将规律引入的实验的逻辑判断,在学生出现相关情况时,将这种影响在实验结果中体现出来,并通过实验报告的形式反馈给实验者,这样让我们的实验很“智能”,达到智慧型虚拟仿真化学实验的目标。以移液管的润洗为例,我们设计了不同润洗液用量,考察20mL移液管用不同体积盐酸溶液润洗对实验的影响,使用盐酸标准溶液浓度为0.1021mol/L、氢氧化钠标准溶液浓度为0.1090mol/L,以酚酞为指示剂,用盐酸标定氢氧化钠溶液,终点为浅红色半分钟不褪色。室温25℃时,滴定管装氢氧化钠标准溶液前充分润洗三次,20mL的移液管用0mL、1.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL、9.0mL盐酸标准溶液润洗三次,然后准确移取盐酸标准溶液20.00mL至锥形瓶中,滴入酚酞指示剂2滴,摇匀,用氢氧化钠溶液滴定至溶液颜色变为浅粉色且在空气中30s不褪色,记录消耗氢氧化钠的溶液体积,平行测定三次,计算氢氧化钠溶液浓度(CNaOH)、浓度偏差(d%)和相对平均偏差(Rd%)所得数据见表1。从表1可以看出:随着润洗液体积的增加,滴定消耗氢氧化钠标准溶液的体积趋于稳定,当润洗液体积为5mL时,|d%|<0.2%,Rd%<0.2%,达到实验允许的合理误差范围;当润洗液体积为0mL、1.0mL、3.0mL时,也就是移液管不润洗或者润洗溶液量偏少,不能充分润洗到移液管内壁,导致移液管内壁有蒸馏水残留,移取的盐酸溶液偏小,消耗氢氧化钠溶液体积偏小,浓度偏大,偏差也较大和相对平均偏差都偏大;当润洗溶液体积为7.0mL、9.0mL时,实验数据符合误差要求。从上面的数据分析,发现润洗20mL移液管时,取盐酸溶液量约5.0mL,已能充分润洗移液管了,实验结果达到实验误差要求,润洗液体积偏少时,润洗不充分,实验误差也大,润洗溶液体积继续增加,对实验结果已不在有影响,还会造成试剂浪费和环境污染。依据我们的预设条件实验的数据,我们在设计成仿真实验程序的时候引入因润洗液用量引起的误差逻辑判断,这样就可以“真实”的还原实验操作对实验结果的影响,并在实验报告中反馈给学生,提醒在移液管润洗时要注意润洗液用量的问题。

4小结

针对演示型的虚拟仿真化学实验软件存在操作流程化、内容演示化和步骤预制化的缺憾,我们采用多通道逻辑判断构建仿真化学实验软件,相当于在仿真软件中引入至智慧,学生通过身临其境的操作,可以自由设计完成实验任务。通过多通道逻辑判断,可以确定学生实验完成情况,并将实验情况都反馈在输出的实验报告中,对实验过程中出现的问题给与指正,让学生在虚拟实验中有思考、有设计、有问题、有结论、有反馈,做到人机交互,激发学生的学习兴趣,体现仿真软件的智慧。在设计软件的过程中,设计条件实验验证不同的操作,将产生的实验误差引入到实验模拟中,建立合理多通道逻辑引入到实验过程判断中是设计成功的关键所在。这种充满智慧的化学仿真实验软件目前还在探索建设中,值得进一步努力探究。

参考文献

[1]房川琳,李俊玲,熊庆.化学虚拟仿真实验教学中心的建设与发展[J].实验室研究与探索,2021,40(11):155-159.

[2]王军锋,费菲,聂迎春,等.COVID-19疫情下虚拟仿真化学实验开放教学模式探究和实践[J].高教学刊,2020(5):30-33.

[3]刘琼,何洁凝,关冠恒,等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊.2015(S2):318-319.

[4]杨中秋,于三三,王爱文,等.基于云技术的虚拟仿真实验教学平台设计[J].实验室科学,2020,23(5):70-74.

[5]戴静波,田宗明.基础化学实训[M].北京:化学工业出版社,2019.

作者:田宗明 秦永华 毛燕 单位:浙江药科职业大学基础学院