“線上+線下+虛擬仿真”的多元化實驗教學模式的探索與實踐

姜曉慶，高敬群，孔玉霞，矣 杰

（遼寧大學化學院，遼寧沈陽 110036）

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，高校實驗課也應(yīng)勢而變，利用信息化、數(shù)據(jù)化軟件，引入多元化、多形態(tài)教學手段，共享優(yōu)質(zhì)教育資源，呈現(xiàn)出更立體、更開放的教學環(huán)境，實驗教學得到了空前的蓬勃發(fā)展。

1 構(gòu)建多元化實驗教學模式的必要性

無機化學實驗是化學實驗的重要分支，也是學習其他化學實驗的重要基礎(chǔ)，是學生進入大學后的第一門實驗課程，掌握實驗的基本操作技能及實驗方法，對學生養(yǎng)成良好的實驗基礎(chǔ)技能特別的重要，是學生必須熟練掌握的基本功。通過實驗培養(yǎng)學生獨立思考、獨立解決問題的能力，為學習后繼實驗課程以及科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的實驗教學方法在教學實施和學習效果方面均有待提高。在教學實施方面，受實驗室條件、經(jīng)濟因素等限制，對于危險性、操作繁瑣、耗能耗時等實驗在教學實驗室中無法完整的呈現(xiàn)出來或不能開設(shè)；其次，教師需要課前手動簽到，測試，批改，評分，記錄操作情況，批改報告，總結(jié)成績等，需要大量精力來完成實驗教學任務(wù)。在學習效果方面，實驗室條件限制了高難度實驗的開設(shè)，實驗過程的復雜性、現(xiàn)象的隱蔽性以及操作的危險性等都直接影響了學生對實驗數(shù)據(jù)的獲取、實驗結(jié)果的認知以及化學實驗的探索[1-2]；其次，學生需要在固定的時間到實驗室中來完成全部的實驗內(nèi)容，時間和地域性影響較大，不能以仿真實驗的形式模擬實驗，導致課堂實踐操作不規(guī)范，實驗效果不理想。

鑒于此，結(jié)合我院無機化學基礎(chǔ)實驗教學實際，融合慕課多樣化教學手段，對教學內(nèi)容，教學方法，教學手段進行改革和創(chuàng)新，攜手移動虛擬實驗室“Mlabs”，結(jié)合微信公眾號“moolsnet”平臺實現(xiàn)教學管理，構(gòu)建了線上線下虛實結(jié)合的混合式多元化無機化學實驗教學模式，將優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源搬進實驗教學課堂，建立了一套完整的線上線下虛實結(jié)合的化學實驗課程評價體系。這種新型實驗教學模式將危險性、操作復雜、耗時耗能的實驗搬到手機客戶端，學生隨時隨地自主進行模擬演示，不受時間空間限制，彌補了實驗課堂教學的不足，同時對于大綱基礎(chǔ)實驗操作進行仿真預習演示，將實驗方法、儀器的結(jié)構(gòu)和操作更直觀的展示出來，再結(jié)合課堂教學，教學效果較傳統(tǒng)方法顯著提高，圖1為多元化實驗教學模式流程圖。

圖1 多元化實驗教學模式流程圖

2 多元化實驗教學模式的實施

1）實驗教學模式的建立

無機化學實驗課程根據(jù)教學大綱，結(jié)合實體課堂采用線上線下混合式多元化教學模式，線上利用雨課堂、騰訊會議、學堂在線等高水平線上慕課資源，同時引入微信平臺“moolnets”及移動虛擬實驗室“Mlabs”。利用“moolnets”進行線上簽到、測試；利用“Mlabs”在手機客戶端模擬實驗操作，使學生身臨其境反復演練實驗操作、不受時間地點限制，符合學生的泛在化學習習慣，實現(xiàn)無機化學實驗的“綠色化學”理念。線下進行實際操作，節(jié)省教學演練時間，鍛煉學生的實際動手操作能力，效果更好。通過在線學習+虛擬仿真+實踐訓練+知識測試+討論等過程完成在線課程教學的組織與實施。通過互聯(lián)網(wǎng)開放支持大規(guī)模學生參與，并隨時隨地反饋實驗情況，積極互動討論，了解學生的真正需求與弱點，進一步完善教材和講義，有的放矢地進行實驗教學改革[3]。

2）實驗教學內(nèi)容的選擇

根據(jù)無機化學實驗教學大綱內(nèi)容，結(jié)合虛擬實驗室資源，編排實驗教學計劃。

在移動虛擬實驗室中已開展的無機化學虛擬仿真實驗有：①實驗室安全；②氯化鈉提純；③硫酸銅提純；④含鋅藥物的制備；⑤三草酸合鐵等；⑥檸檬酸亞鐵的制備；⑦亞硝基過硫酸鉀的制備；⑧葡萄糖酸鋅的制備；⑨玻璃管（棒）的加工；⑩p 區(qū)元素化合物的性質(zhì)；?d 區(qū)元素化合物的性質(zhì)；?鉻配合物的制備和分裂能的測定；?配合物與沉淀溶解平衡；?氧化-還原反應(yīng)；?酸堿反應(yīng)與緩沖溶液；?A 型沸石分子篩的制備；?碳酸氫鈉晶體的制備；?化學氣相沉積-低維材料的仿真合成與表征等。

其中，實驗①包括實驗室安全基本知識、化學品取用、突發(fā)及應(yīng)急事件處理、氣瓶的使用四大模塊，讓學生在進入實驗室前學習安全知識，通過3D 動畫進行情景式消防實戰(zhàn)演練，避免學生實地操作危險，使其掌握必備的消防安全知識，在“moolsnet”中考試通過后方可進入實驗室。與傳統(tǒng)教學模式相比，學生進入實驗室后已基本掌握實驗室安全基本知識和消防安全知識，自覺遵守實驗秩序，規(guī)避風險，實驗操作規(guī)范，應(yīng)急能力提升，試驗有條不紊，實踐效果非常好。

實驗⑨⑩??等因?qū)嶒灄l件限制在實驗室無法開展，通過仿真實驗讓學生利用虛擬平臺演示實驗內(nèi)容，開闊眼界，激發(fā)興趣，彌補了實驗教學短板。

實驗②③④⑤????等配套教學大綱基本實驗內(nèi)容，讓學生自主預習并進行仿真演示，提高課堂實驗操作效率，提升學習效果。

3）建立科學的實驗課程評價體系

利用手機客戶端微信平臺，對線上簽到、測試、虛擬仿真，線下實踐操作，實驗報告總結(jié)各個模塊的學時及考核比重進行合理分配，建立一套完整的線上線下實驗課評價體系。

3 主要解決的實驗教學問題

在互聯(lián)網(wǎng)+背景下，這種線上線下虛實結(jié)合的混合式多元化無機化學實驗教學模式，順應(yīng)時代發(fā)展潮流，解決了很多傳統(tǒng)實驗教學問題。

1）利用雨課堂、騰訊會議等慕課資源，結(jié)合 “moolsnet”及“Mlabs”進行線上線下虛實結(jié)合的實驗教學模式使學生身臨其境，利用手機移動端反復演練實驗操作、不受時間地點限制，符合學生泛在化的學習習慣，與傳統(tǒng)實驗教學相比具有明顯優(yōu)勢。

2）線上的預習、測試、虛擬仿真練習為線下實踐操作奠定了基礎(chǔ)，節(jié)省了教學演示時間，使實踐操作環(huán)節(jié)更準確，學習效果顯著提升。

3）將易燃易爆、無水無氧、毒性大，難操作類實驗項目搬進學生手機移動端，不僅解決了因?qū)嶒炇覘l件限制無法開設(shè)的問題，而且豐富了實驗內(nèi)容，開闊了學生視野，彌補實驗教學短板，避免了實際操作的危險。

4）“游戲闖關(guān)式”虛擬仿真練習模式，畫面生動，形式新穎，激發(fā)好奇心的同時培養(yǎng)了學生求知探索和自主學習的能力。

5）對簽到、測試、虛擬仿真、總結(jié)報告，實踐操作五大模塊的學時及考核比重進行合理分配，建立了一套完整的線上線下的無機化學實驗課程評價體系，相比傳統(tǒng)考核方法更科學、更可靠。

6）新型實驗教學模式使實驗教學內(nèi)容更加豐滿、涵蓋更廣泛，培養(yǎng)學生自主學習能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，同時降低教育成本，達到優(yōu)質(zhì)資源共享的目的。

4 多元化實驗教學模式的特色與創(chuàng)新

無機化學實驗課程采用線上與線下，虛擬與實踐相結(jié)合的多元化實驗教學模式，將互聯(lián)網(wǎng)資源引入實驗教學，達到優(yōu)質(zhì)資源共享，豐富了教學形式與內(nèi)容，構(gòu)建特色實驗教學體系。同時，借助電子科學信息化技術(shù)，構(gòu)建開放式、共享式、信息化移動實驗學習平臺，實現(xiàn)教學手段多元化、信息化[4-5]。同時，節(jié)省教學資源，實踐效果非常好。

在學生方面，多元化教學模式讓學生感受更立體，“游戲闖關(guān)式”操作模式內(nèi)容生動，形式新穎，擴展性強，從根本上解決傳統(tǒng)實驗課程形式枯燥、內(nèi)容老套、時間受限等問題，與以往相比，學生學習化學實驗的熱情更高漲；在實際操作中，更規(guī)范，更快速，對實驗的掌握更好。

在教師方面，取代了手動簽到、課前小考、手動評閱、反復講解演示等環(huán)節(jié)，將教師從傳統(tǒng)的教學方式中解放出來，將更多的精力投入到實驗教學研究中。

在考核方面，對線上線下虛擬實踐中的簽到、測試、虛擬、報告、操作各個模塊進行合理分配，構(gòu)建模塊化、任務(wù)化、智能化實驗考核評價體系，實時、科學、公正，激發(fā)學生學習興趣和積極性。與傳統(tǒng)考核相比，更全面、更公平、更科學。

在教學資源利用方面，減少了藥品的浪費、儀器的磨損、教師的反復講解演示、節(jié)省了教學時間及教學資源。

教學內(nèi)容方面，將實際教學中難開展的實驗項目搬進學生手機移動端，比如化學氣相沉積-低維材料的仿真合成與表征等易燃易爆、毒性較大，操作難度高的實驗，不僅開闊視野，而且更經(jīng)濟，更安全，同時補齊實踐教學短板，提高學生自主學習和科研探索能力，促進學生綜合素質(zhì)和個性發(fā)展，提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

教學形式方面，推行自主、合作、研討等形式新穎的個性化學習模式，借助慕課、論壇等資源，將線下實地討論拓展為線上實時討論，對知識點、操作點、技能點進行有益的探討，構(gòu)建互動討論式實驗學習模式，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

同時，堅持以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為核心，深化教育教學改革，注重課程思政建設(shè)，理論聯(lián)系實踐，突出實踐性和創(chuàng)新性；堅持示范引領(lǐng)，重在應(yīng)用推廣，推進提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

5 多元化實驗教學模式的推廣應(yīng)用

這種新型線上線下虛實結(jié)合的混合式多元化實驗教學模式在我校理科各學院的實驗教學中開展實施，有2a 的時間，涉及我院2017級、2018級、2019級化學類專業(yè)及環(huán)境、生命、制藥、輕產(chǎn)等其他理科各專業(yè)，約1000名學生共同參與，在線測評10000人次。疫情以來，為了響應(yīng)教育部“停課不停教，停課不停學”的號召，我院實驗教學中心一共開設(shè)了28個虛擬實驗，涵蓋有機化學、分析化學、無機化學、物理化學和綜合化學在內(nèi)的課程重點實驗。這些虛擬實驗內(nèi)容豐富，從化學實驗的基礎(chǔ)操作到大型儀器的使用，實驗大綱所需操作訓練皆可滿足。

6 多元化實驗教學模式的改革意義

這種“線上+線下+虛擬仿真”的混合式多元化實驗教學模式順應(yīng)時代發(fā)展潮流，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，豐富了教學內(nèi)容與形式，激發(fā)了學生對于實驗課程的學習興趣和熱情，開闊了學生視野，培養(yǎng)了學生自主學習和探索能力，大大地提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，解放了教師的雙手，降低了實驗教學成本，充分共享優(yōu)質(zhì)資源，使實驗課更生動、更有趣、更豐富。此外，建立了科學地化學實驗課程模塊化、量化考核評價體系。在理科各專業(yè)的化學實驗課程中進行廣泛推廣，實驗教學效果顯著提升，得到老師和學生的一致好評。