高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)之虛實(shí)結(jié)合

楊琴

(西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川南充637002)

關(guān)鍵字：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真；虛實(shí)結(jié)合

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校化學(xué)教學(xué)的重要組成部分。在實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生不僅能鞏固化學(xué)理論知識，而且能加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力。理論與實(shí)踐相結(jié)合是科學(xué)學(xué)科的重要教學(xué)和學(xué)習(xí)方式。新世紀(jì)對人才的要求也提出了實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。由此可見實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校化學(xué)必不可少的一部分。然而，據(jù)調(diào)查，現(xiàn)如今高校學(xué)生對有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣。由此可見高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)迫在眉睫。

1 存在問題

傳統(tǒng)的高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為教師講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作等知識后學(xué)生按照老師講解按部就班完成實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)如今高校學(xué)生人數(shù)增多，實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等補(bǔ)充趕不上學(xué)生人數(shù)增長。許多高校采取學(xué)生小組搭檔實(shí)驗(yàn)，這樣導(dǎo)致并不是所有學(xué)生都能積極主動參與實(shí)驗(yàn)課程中。此外，由于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)本身也存在一定風(fēng)險(xiǎn)因素，導(dǎo)致學(xué)生對其有思想顧慮。高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題主要集中在以下兩方面。

1.1 外在問題

高校學(xué)生較以往有大幅度增長，許多高校存在實(shí)驗(yàn)室不足，實(shí)驗(yàn)室容納人數(shù)較多，師資力量不足，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)生師比例普遍較高。有些高校一個(gè)教師甚至一堂課程需要承擔(dān)30多個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。眾所周知，有機(jī)實(shí)驗(yàn)課程主要時(shí)間是學(xué)生的動手操作，很多時(shí)候多個(gè)學(xué)生可能同時(shí)在完成同一個(gè)操作，如樣品的取用方法、添加等，這樣的操作可能全班同學(xué)在數(shù)分鐘內(nèi)就全部完成，一個(gè)指導(dǎo)老師不可能在這么短的時(shí)間內(nèi)關(guān)注到所有同學(xué)的操作。此外，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也會存在一些疑問，一個(gè)指導(dǎo)教師對應(yīng)30多個(gè)學(xué)生的情況下，一節(jié)實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)有限，老師完全可能會出現(xiàn)顧此失彼現(xiàn)象。其中部分學(xué)生可能會長期得不到老師的關(guān)注，這會造成這部分學(xué)生慢慢地對有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程失去興趣。同時(shí)，這樣傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課會造成指導(dǎo)老師一直不停的指導(dǎo)學(xué)生仍然沒法滿足學(xué)生需求，長此以往，實(shí)驗(yàn)教師會身體過于疲憊，對實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)也會失去信心和耐心。

1.2 內(nèi)在問題

高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)在問題主要是由有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程本身的特點(diǎn)決定。有機(jī)實(shí)驗(yàn)課程存在以下幾個(gè)特點(diǎn)。第一，實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間長。一個(gè)普通的有機(jī)物的制備包括合成、分離提純、物質(zhì)檢驗(yàn)。如經(jīng)典的有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)正溴丁烷的制備，課堂上老師講解約30分鐘，學(xué)生加料-搭建裝置-合成，這一步驟約1～1.5小時(shí)。分離純化包括蒸餾、多次洗滌分液，這一過程需1～1.5小時(shí)，如果檢驗(yàn)方法采用測試產(chǎn)物沸點(diǎn)又需0.5小時(shí)以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生還要清洗儀器、整理桌面又需約0.5小時(shí)。整節(jié)實(shí)驗(yàn)課順利完成需4～4.5小時(shí)。我校學(xué)生下午上課時(shí)間為14:30開始，如果下午開課，實(shí)驗(yàn)課結(jié)束大概在18:30～19:00。晚上第一節(jié)上課時(shí)間為19:00，這樣一來，如果晚上有課的學(xué)生沒有一點(diǎn)休息時(shí)間，甚至連晚飯時(shí)間都很著急。這不僅影響學(xué)生其他課程的學(xué)習(xí)，也給學(xué)生造成身體健康的不良影響。試問這樣的實(shí)驗(yàn)課程又怎會讓學(xué)生對其產(chǎn)生興趣、產(chǎn)生好感呢？第二，有機(jī)藥品氣味難聞。我校開設(shè)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有己二酸的制備、輔酶法合成安息香、肉桂酸的制備及水蒸氣蒸餾、康尼查羅反應(yīng)制備苯甲酸和苯甲醇、乙酰乙酸乙酯的制備、苯甲酸異戊酯的制備、甲基橙制備、三苯甲醇的制備等。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會環(huán)己醇、苯甲醛、異戊醇、N,N-二甲基苯胺、溴苯、乙醚等均為氣味難聞、毒性較大的藥品。一次實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生一般在實(shí)驗(yàn)室呆4小時(shí)左右，長期在這環(huán)境下，影響學(xué)生及老師身體健康。第三，有機(jī)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大。有機(jī)實(shí)驗(yàn)中不僅會大量使用有毒有害藥品，揮發(fā)性、腐蝕性、易燃易爆也是藥品也會經(jīng)常用到。學(xué)生往往會對有機(jī)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生恐懼和排斥心理。

綜上所述，傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程無論從教學(xué)硬件設(shè)施還是課程本質(zhì)都不利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高。因此對傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施改進(jìn)是課程發(fā)展需求也是必然趨勢[1]。當(dāng)代信息計(jì)算發(fā)展迅速，信息化在教育中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，人們逐漸關(guān)注到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。近年來，國內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身教學(xué)條件建立了符合自身需求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要趨勢[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之所以能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中受到重視，主要是由其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可替代的特點(diǎn)決定。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

2.1 無毒化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)之一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茉跓o毒化的情況下就能實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)(軟件設(shè)備和硬件設(shè)備)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，學(xué)生操作也是在計(jì)算機(jī)上虛擬實(shí)驗(yàn)操作。因此整個(gè)過程不會用到真實(shí)的化學(xué)藥品，也不會有有毒藥品排放問題。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)利用虛擬技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)，解決了實(shí)驗(yàn)室使用有毒化學(xué)品造成的安全問題?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室安全問題一直是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的重要方面。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對有毒藥品零使用零排放，不僅解決了化學(xué)藥品毒性強(qiáng)對學(xué)生身體造成不利影響問題，還使得有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化、環(huán)境友好化，符合綠色教育要求[3]。

2.2 低成本實(shí)驗(yàn)教學(xué)

課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)有時(shí)會涉及到價(jià)格比較昂貴的特殊藥品，學(xué)生人數(shù)增多，藥品使用量增加，教學(xué)成本也會隨之增加。一些實(shí)驗(yàn)使用到大型儀器，如有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)品檢驗(yàn)用到質(zhì)譜儀、核磁儀等價(jià)格都很昂貴。普通高校學(xué)校不可能配備多臺此類儀器供本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中就能很好的解決大型儀器不足造成的問題[4]。

2.3 分散性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生集中在實(shí)驗(yàn)室學(xué)校，需要寬敞的實(shí)驗(yàn)場地，學(xué)生集中在一起實(shí)驗(yàn)，一些學(xué)校師資力量不足，不能關(guān)注到每一個(gè)學(xué)生，學(xué)生積極性不高，教師工作疲憊。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)場地不限，學(xué)習(xí)時(shí)間也不受限制，學(xué)生在線就可以參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在線學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，完成實(shí)驗(yàn)操作，并且可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的分散性教學(xué)特點(diǎn)解決了場地、師資不足等問題。同時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)間的可選擇性還解決了傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，學(xué)生學(xué)習(xí)疲憊的問題。

3 結(jié)語

目前，傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在各種問題如：場地不足、師資有限、實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長、實(shí)驗(yàn)大量使用有毒有害藥品，危險(xiǎn)性大，環(huán)境污染嚴(yán)重等?；诖耍瑢⑻摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無毒化、低成本、分散性等優(yōu)點(diǎn)能較好的解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的諸多問題。盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可及的，但有機(jī)化學(xué)學(xué)科不能完全實(shí)行虛擬化。虛擬實(shí)驗(yàn)不能切實(shí)鍛煉學(xué)生實(shí)際操作能力，只能在層面上進(jìn)行學(xué)習(xí)，缺乏動手能力培養(yǎng)的真實(shí)性。因此，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)應(yīng)遵循虛實(shí)結(jié)合，虛實(shí)互補(bǔ)不足，采用線上線下混合式教學(xué)模式。唯有這樣才能更好地完成有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育目標(biāo)。