關(guān)于物理化學實驗網(wǎng)絡(luò)教學的若干問題思考

蘇建宇

（武漢工程大學化學與環(huán)境工程學院 湖北·武漢 430205）

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，促使我國大學教學也正向網(wǎng)絡(luò)化和多元化的方向改革。[1]網(wǎng)絡(luò)教學平臺較傳統(tǒng)教學方式最顯著的優(yōu)勢在于教與學均不受時間與空間的限制，教學資源共享。但是單一的網(wǎng)絡(luò)教學使得學生在虛擬環(huán)境中缺乏對事物的感知性認識，特別是理工科專業(yè)的實驗網(wǎng)絡(luò)教學，其弊端尤為明顯。物理化學實驗是高等學校化學、化工、環(huán)境、生物、材料等相關(guān)專業(yè)的必修實驗課程，是學生學習和研究物理化學原理與過程的重要途徑。[2,3]隨著網(wǎng)絡(luò)教學逐漸向傳統(tǒng)教學模式的滲透，[4]我們也一直在探索和思考如何發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學平臺的優(yōu)勢而避其短處，來促進物理化學實驗教學的改革與實驗教學水平的提高。

自新冠肺炎疫情發(fā)生以來，各高校開始停課，我校正位于疫情嚴重的武漢市，在“停課不停學”的號召下，我校全面開展了網(wǎng)絡(luò)教學，物理化學實驗課程也開展了首次的網(wǎng)絡(luò)教學與虛擬實驗的實踐。我們?yōu)榄h(huán)境、材料等專業(yè)的學生開設(shè)了“可逆電池電動勢的測定”“最大泡壓法測定正丁醇溶液表面張力”“蔗糖水解速率常數(shù)的測定”和“乙酸乙酯皂化反應(yīng)動力學參數(shù)的測定”這四個實驗的網(wǎng)絡(luò)教學與虛擬實驗。在實驗課程的教學過程中，我們結(jié)合了“優(yōu)學院”網(wǎng)絡(luò)教學平臺和MLabs 虛擬實驗室。具體教學過程包括：“優(yōu)學院”平臺建課，建教學班級，發(fā)布實驗課程公告；在“優(yōu)學院”平臺根據(jù)教學計劃進行每個實驗的操作前直播講解，講解內(nèi)容包括實驗目的、原理、操作注意事項，數(shù)據(jù)處理要求；學生在MLabs 平臺進行實驗的虛擬仿真操作，數(shù)據(jù)記錄；規(guī)定時間范圍內(nèi)完成實驗報告的撰寫，并在“優(yōu)學院”平臺提交。

1 網(wǎng)絡(luò)實驗教學的優(yōu)勢

從我們的網(wǎng)絡(luò)實驗教學實踐過程來看，網(wǎng)絡(luò)教學的最大優(yōu)勢在于不受時間和空間限制，在實驗預習環(huán)節(jié)，其優(yōu)勢尤為明顯。傳統(tǒng)的實驗教學模式下，學生的預習過程主要針對實驗課本，學生對儀器的操作、使用和具體的實驗步驟缺乏直觀的認識，提交的預習報告往往是對書本內(nèi)容的照搬抄寫。這就造成預習過程起不到對實驗的真正預習效果，使得學生在實驗操作過程中仍然對實驗儀器和操作流程認識模糊，導致實驗效率低，實驗效果不明顯。而實驗網(wǎng)絡(luò)教學的預習環(huán)節(jié)，學生可以隨時進入Mlabs虛擬仿真實驗室進行對應(yīng)實驗的操作練習，這個過程不僅可以較直觀的認識儀器設(shè)備，而且可以通過操作練習熟悉整個實驗過程，這種有效的預習環(huán)節(jié)可以大大提高學生對實驗的認識和理解。

另外，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗便于實驗內(nèi)容與方法的更新?lián)Q代。在傳統(tǒng)的實驗教學改革中碰到的最大難題便是實驗設(shè)備的更新，很多教學實驗室的儀器設(shè)備老化落后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學要求，但是高校實驗設(shè)備的更新往往需要經(jīng)歷計劃預算、上報審核批準、招標采購的漫長過程，不利于實驗教學的改進。而虛擬仿真實驗的更新卻具有高的時效性，可以大大促進實驗教學的改革進程。并且虛擬仿真實驗縮短了實驗時間，在同樣教學時間內(nèi)，學生可以進行更多內(nèi)容的實驗操作，有利于提高學生對實驗的興趣和相關(guān)物理化學理論的理解。例如，傳統(tǒng)的電池電動勢測定實驗，由于教學時間有限，我們只要求學生測定三組電池的電動勢，而在虛擬仿真實驗中我們可以設(shè)計更豐富的內(nèi)容，可以設(shè)計測定不同電解質(zhì)濃度，以及不同溫度下的電池電動勢，并通過對能斯特方程的應(yīng)用，更深入理解電解質(zhì)濃度、溫度對電池電動勢的影響及相互關(guān)系。

2 網(wǎng)絡(luò)實驗教學的弊端

網(wǎng)絡(luò)實驗教學雖然具有如上所述的優(yōu)勢，但不可否認其也存在某些弊端。目前，虛擬實驗最大的弊端就是對學生動手能力的培養(yǎng)還遠遠達不到要求，且目前虛擬操作多是通關(guān)型的設(shè)計，即正確完成前一步后才能進入下一步，這就規(guī)避了實際實驗過程中可能出現(xiàn)的各種問題，這當然不利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。另外由于虛擬實驗的數(shù)據(jù)是設(shè)計實驗時已輸入程序，因此學生的實驗數(shù)據(jù)單一，實驗數(shù)據(jù)不能體現(xiàn)學生的操作能力，同樣也不利于提高學生對實驗數(shù)據(jù)的分析能力。

3 對網(wǎng)絡(luò)實驗教學改進的思考

結(jié)合我們對傳統(tǒng)的物理化學實驗教學的經(jīng)驗和對網(wǎng)絡(luò)實驗教學的實踐，我們認為目前物理化學實驗教學改革的方向應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)教學、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結(jié)合。具體來說，可以利用時間和空間靈活的網(wǎng)絡(luò)教學平臺及虛擬實驗室進行實驗前的教學過程，包括實驗講解、預習操作、網(wǎng)上問題討論等；經(jīng)過網(wǎng)上預習過程后的學生按教學時間進入實驗室進行實際動手操作，數(shù)據(jù)記錄；完成真實實驗操作的學生再進入網(wǎng)絡(luò)教學平臺或虛擬實驗平臺進行實驗數(shù)據(jù)處理，報告撰寫與提交；老師進入網(wǎng)絡(luò)教學平臺或虛擬實驗平臺進行報告批閱與總結(jié)。整個教學過程既利用了網(wǎng)絡(luò)教學平臺的時空靈活性及虛擬實驗室的時效性，也結(jié)合了真實實驗操作對學生動手能力與分析解決問題能力培養(yǎng)的優(yōu)勢。

當然如前所述的網(wǎng)絡(luò)教學、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結(jié)合，并不是現(xiàn)有模式的簡單加合，是改進后的有效結(jié)合和相互促進。一方面，網(wǎng)絡(luò)教學并不是傳統(tǒng)教學的網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)教學模式中的“教”主要集中于老師灌輸式的講解，包括實驗目的、原理、實驗步驟，有時為了避免學生實驗失敗和數(shù)據(jù)處理錯誤，甚至花相當一部分時間對實驗注意事項和數(shù)據(jù)處理做非常詳細的講解與強調(diào)。其實這種灌輸式的講解尤其不適用于實驗教學，甚至違背了實驗教學初衷。物理化學的實驗課程既是其理論課程的補充，即學生通過實驗操作和數(shù)據(jù)處理可以更深入理解物理化學的理論知識和相關(guān)概念，也是對學生動手能力和實驗能力的培養(yǎng)，即學生通過實驗課程中的親自動手操作來提高實際動手能力，通過分析實驗數(shù)據(jù)來提高實驗分析能力。物理化學是化學相關(guān)專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，這些專業(yè)的學生畢業(yè)后大多會從事與化學相關(guān)領(lǐng)域的工作，這就要求我們要特別重視培養(yǎng)學生的實驗能力和科研素養(yǎng)，所以必須要摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學模式。在與網(wǎng)絡(luò)實驗教學方式相結(jié)合的過程中，線下的教學應(yīng)該更傾向于引導式、疑問式，啟發(fā)學生帶著疑問進入網(wǎng)絡(luò)教學平臺的自主學習。為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源豐富的優(yōu)勢，教師針對一個實驗講授的內(nèi)容更不能單一和固定，一個實驗可以有多種實施方法，可以引導學生靈活學習。

另一方面，在與傳統(tǒng)教學方式相結(jié)合的過程中，虛擬實驗也還有很多待解決的問題。目前很多虛擬實驗項目過程簡化現(xiàn)象比較嚴重，條件設(shè)置單一，并且虛擬實驗無法達到真實操作的效果，所以目前虛擬實驗只能作為預習操作或真實驗的補充。虛擬實驗在預習操作中的優(yōu)勢非常明顯，較傳統(tǒng)的照著書本抄實驗步驟要更為直觀和形象，并且能提高學生對實驗的興趣。另外，虛擬實驗由于其時效性，因此可以作為真實實驗的補充。例如“乙酸乙酯皂化反應(yīng)動力學參數(shù)測定”實驗，該實驗要測兩個不同溫度下的速率常數(shù)，然后再求該反應(yīng)的活化能。在實驗室的教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)該實驗的耗時長，往往會影響正常教學安排。如果該實驗設(shè)計為實驗室操作測定其中一個溫度的速率常數(shù)，然后通過虛擬實驗操作測定另一溫度的速率常數(shù)，這樣不僅能達到真實實驗操作的效果，也能大大提高時效，使學生在有限的時間內(nèi)接觸更多的內(nèi)容，提高實驗教學質(zhì)量。同時，虛擬實驗的操作平臺應(yīng)引入電子實驗報告和數(shù)據(jù)處理軟件，學生在完成真實實驗操作或真實實驗與虛擬實驗的結(jié)合模式操作后，可以直接在虛擬實驗平臺輸入實驗數(shù)據(jù)，并利用平臺的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，完成實驗報告后提交。

一直以來，在實驗課程的教學中，對學生的考核是一大難題。由于資源有限，實驗設(shè)備無法滿足學生單人操作，因此難以實現(xiàn)真正的考核。如果實驗教學中引入了虛擬實驗，那么可以通過設(shè)計多項實驗的考試操作模式，電腦隨機給每位學生安排考核實驗，考核實驗包括獨立的完整虛擬操作和實驗數(shù)據(jù)處理、分析與結(jié)果討論。由此可見，虛擬實驗的引入也將打破物理化學實驗考核的瓶頸，大大提高教學質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，物理化學網(wǎng)絡(luò)實驗教學具有其特有的優(yōu)勢，教學過程不受空間和時間的限制，而且能有效提高實驗教學質(zhì)量，并激發(fā)學生的實驗興趣，彌補實驗設(shè)備配置有限及更新滯后的問題。但是由于虛擬實驗無法代替真實的實驗環(huán)境和實驗操作，因此實驗教學改革的方向是網(wǎng)絡(luò)教學與真實實驗操作的結(jié)合。只有二者互相補充才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而促進實驗教學的改進與提高，更好的培養(yǎng)學生實驗操作能力與分析解決問題的能力。