英文标题：Virtual Simulation Experiments: A Teaching Option for Complex and Hazardous Chemistry Experiments
作者：Yaqi Hou, Miao Wang, Wen He, Yixin Ling, Jing Zheng, and Xu Hou*
最新一期的美国化学会化学教育杂志 Journal of Chemical Education 介绍了厦门大学侯旭教授团队将虚拟仿真实验融入大学化学与材料交叉学科课程的相关教学研究，将当前材料化学前沿的纳米材料制备与检测技术加入到本科学生的课程教学内容中。
什么是虚拟仿真实验？
虚拟仿真实验技术是一种使用计算机模拟实验的技术。它通过模拟真实世界中的物理现象、化学过程等，在计算机上进行实验，它可以模拟复杂且精细的实验过程，并在短时间内进行大量的实验（图1）。随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真实验在教学中得到了越来越广泛的应用。
特别是对于材料化学这些前沿发展迅速、科研成果日新月异的学科，结合虚拟仿真的实验教学方式能够紧跟学科发展前沿，让学生第一时间接触到最新研究成果中的科学实验，极大激发学生的科学兴趣。
图1. 将真实实验移入计算机的虚拟仿真实验技术
模块化的虚拟实验设计
侯旭教授课题组基于团队在柔性纳米通道膜材料中多年的研究基础（Adv. Mater. 2019, 31: 1805130；Acta Phys.- Chim. Sin. 2020, 1912008；Chin. Chem. Lett. 2020, 31: 1914-1918；Nano Res. 2020, 14: 2171-2178），搭建起《柔性纳米通道膜材料的制备与分析虚拟仿真实验》平台，并在教学实践中不断完善实验模块内容（图2-3）。目前，虚拟仿真实验平台的实验内容包括五个模块，内容涉及从纳米通道膜材料的制备到性能表征再到海水淡化应用的所有实验操作与仪器测试操作。每一个实验模块都能够独立运行，方便学生在不同实验模块间的切换，满足学生针对某一模块反复练习的学习需求。
图2. 柔性纳米通道膜材料的制备与测试分析虚拟仿真实验的启动界面
图3. 虚拟仿真实验内容的多模块化设计
虚拟实验中的多参数探索路径
值得一提的是，在虚拟仿真实验的不同模块中，平台采取了多反应路径的设计，学生能够在虚拟仿真实验中输入不同的实验参数设置并得到相应的实验结果，极大地激发了学生在实验中的好奇心与探索热情（图4）。
图4. 虚拟仿真实验的多路径设计及其与传统实验教学的对比
虚拟实验融入材料化学教学的优势
本虚拟实验所涉及的柔性纳米通道膜材料的制备过程对于温度、湿度、气压等实验条件要求较高，如碳纳米通道的生长温度高于700 ℃，并需要使用甲苯等有毒害试剂；另外，柔性纳米通道材料的制备实验周期长、实验过程复杂、步骤繁多，这些因素极大地限制了开展实验教学的教学规模。但是，结合虚拟仿真实验教学，则可有效突破以上限制。主要体现在（1）学生可以在计算机上学习纳米通道材料制备的各种细节操作，避免学生直接接触到高温、高压、有害气体等危险环境，从而提高实验安全性。（2）虚拟仿真实验大大减少实验所需的设备和资源，从而降低教学成本。（3）学生在虚拟仿真实验中可以在短时间内重复练习，并允许几十甚至上百个学生同时进行实验，从而提高教学效率。（4）多路径的实验路径设计可以鼓励学生进行探索实验，从而培养学生的创新能力。
教学成果
该虚拟仿真实验平台已融入《仿生智能材料界面科学》、《材料工程课程设计》、《生物材料制备技术》、《软物质及功能材料》等课程的教学大纲当中。在实际教学过程中，很多学生表示这是一次非常有趣的学习过程（图5）。通过在虚拟仿真实验中学习和演练纳米通道材料的制备以及性能检测，很多学生第一次接触并了解了科学前沿先进材料的实验研究方法，掌握了先进仪器的操作技能，大多数学生反馈他们从这个虚拟仿真实验中获得的实验知识与技能可以很好地迁移到他们日常的实验和研究中。这些积极的反馈和教学成果，都展示出虚拟仿真实验将成为未来材料化学实验教学中重要的教学方式之一。
图5. 指导学生开展虚拟仿真实验
使用说明
目前该虚拟仿真实验平台面向所有学生免费开放，欢迎各位同学学习与反馈。使用说明参考下图（图6）。
图6. 柔性纳米通道膜材料的制备与分析虚拟仿真实验使用流程
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J. Chem. Educ. 2023, ASAP
Publication Date: February 9, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00594
Copyright © 2023 American Chemical Society and Division of Chemical Education, Inc.
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