“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)模式探索與創(chuàng)新

林 覓，孟慶博，李 輝，崔俊碩，許 旭

（遼寧大學(xué)化學(xué)院，遼寧沈陽 110036）

2020年春季學(xué)期伊始，突如其來的一場新冠病毒所引發(fā)的疫情打亂了各所高校的教學(xué)安排，阻斷了學(xué)子歸校的腳步，給教學(xué)活動帶來巨大挑戰(zhàn)。

為響應(yīng)國家號召，做好防疫期間“在學(xué)不在?！本€上教學(xué)工作，遼寧大學(xué)化學(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心基于以往虛擬實驗建設(shè)經(jīng)驗，及時更新在線課程建設(shè)，努力做到“三變?nèi)蛔儭?。但由于實驗類課程的特殊性，僅僅通過線上講授理論部分，并不能替代線下的實踐操作，學(xué)生對實驗內(nèi)容缺乏切身體會。而以前通常作為預(yù)習(xí)手段的虛擬實驗，在這個特殊時期大顯身手，發(fā)揮了巨大作用[1-2]。但是如何能更加有效的利用、整合線上教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新精神，這就迫切需要對實驗課教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)世新探索與改革，以便于更加適應(yīng)現(xiàn)代化、智慧化教學(xué)需求。

1 概論

隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，能夠充分利用中國大學(xué)MOOC（慕課）平臺、微信公眾號moolsnet、移動虛擬實驗室Mlabs 和國家虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺的優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源。通過不斷豐富和完善教學(xué)資源，遼寧大學(xué)化學(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，采用雨課堂+騰訊會議“雙截棍”模式展開線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，力爭“停課不停教，停課不停學(xué)”。

這些豐富的線上資源，包含實驗基本原理和操作的講解，有課件、有視頻、有測試，更有虛擬仿真實驗來助力?；瘜W(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心一共開設(shè)了28個虛擬實驗，包含無機(jī)化學(xué)實驗、有機(jī)化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗和綜合化學(xué)實驗。這些虛擬仿真實驗內(nèi)容豐富，涵蓋化學(xué)實驗的基礎(chǔ)操作和大型儀器的使用，更有綜合型遼寧省級虛擬仿真實驗：1,3-癸二烯的制備與表征、催化加氫制備對苯二胺。將多種元素、不同形態(tài)與教學(xué)手段相結(jié)合，呈現(xiàn)了一個更為立體的、開放的教學(xué)模式，不但提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與趣味性，還鍛煉了學(xué)生的實驗?zāi)芰?，拓寬了他們的視野，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神。本文以有機(jī)化學(xué)實驗課為例，詳細(xì)介紹了疫情期間實驗課具體的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)開展過程。

2 教學(xué)資源整合，教學(xué)方案優(yōu)化

一個完整的實驗過程包括：實驗操作，現(xiàn)象觀察，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)分析，實驗報告和課后思考與討論[2]。實驗過程最核心的環(huán)節(jié)就是實踐操作這一步驟，這是線上教學(xué)無法替代的，但卻受時間和地域限制。同時，線上教學(xué)具有不受時間、空間限制；學(xué)生對于重點、難點可以反復(fù)聆聽；形式新穎，教學(xué)更為直觀、立體等特點。要想將二者有機(jī)結(jié)合在一起，彌補(bǔ)各自不足，揚長避短，就要對線上線下教學(xué)資源進(jìn)行科學(xué)整合，精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 線下資源

重新篩選實驗內(nèi)容，盡量選擇有與之對應(yīng)虛擬實驗、慕課資源的實驗題目，便于線上線下結(jié)合。制作多媒體課件，教學(xué)內(nèi)容要注重對實驗興趣、科研思維與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。精心設(shè)計課堂教學(xué)，對學(xué)生的基本情況進(jìn)行分析，正確判斷學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識掌握程度，有意識的啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，使被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，注重知識內(nèi)化與遷移?？梢詫⑵綍r無法通過板書所展現(xiàn)的素材，以圖形、動畫、視頻等形式加入多媒體課件中。通過微信公眾號moolsnet 建立課程、項目、操作規(guī)則、測試題庫。每個實驗的測試題庫及操作標(biāo)準(zhǔn)全是化學(xué)院結(jié)合自身教學(xué)特色獨自制定和建設(shè)的，真正體現(xiàn)了移動實驗平臺的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、便捷化和特色化，表1為微信平臺蒸餾乙醇測試題庫（節(jié)選）。

表1 微信平臺蒸餾乙醇測試題庫（節(jié)選）

2.2 線上資源

教師通過中國大學(xué)MOOC（慕課）平臺搜集相關(guān)課程，從中挑選適合本院校學(xué)生的基礎(chǔ)實驗課，實驗內(nèi)容和所用儀器設(shè)備盡量與本校一致。學(xué)生可以通過實驗操作視頻，詳細(xì)了解整個實驗過程裝置的搭建，反應(yīng)特有現(xiàn)象，產(chǎn)品的性狀。整個教學(xué)過程更為直觀立體，彌補(bǔ)了以前線下課堂講授的不足。通過視頻教學(xué)，學(xué)生能更好地領(lǐng)會實驗課的重點、難點和注意事項，這對于規(guī)范實踐操作、提高實驗產(chǎn)率、降低實驗風(fēng)險有著重要意義。

為了彌補(bǔ)線上實驗課不能實地操作的缺點，還可以采用虛擬實驗[3]。同時，由于有機(jī)化學(xué)實驗的一些特點，比如試劑毒性大、不環(huán)保，反應(yīng)條件苛刻、要求無水無氧環(huán)境，反應(yīng)具有一定危險性、易燃易爆等，很多有機(jī)實驗無法在教學(xué)中開展，因此在這個特殊時期，開展虛擬實驗意義格外重大。虛擬實驗既能彌補(bǔ)無法實地操作的不足，又能讓學(xué)生拓展視野、學(xué)識。除了開展常規(guī)基礎(chǔ)虛擬實驗，比如蒸餾、回流、乙酰苯胺合成、咖啡因提取等實驗，還開設(shè)了無水無氧1,3-癸二烯的制備及表征和易燃易爆類對苯二胺合成催化加氫實驗兩個綜合實驗。通過Mlabs 移動仿真虛擬實驗平臺對無水無氧、催化加氫反應(yīng)過程進(jìn)行模擬。使用多種表征手段，既涉及手套箱、薄層色譜、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、減壓蒸餾等操縱訓(xùn)練，還有大型儀器設(shè)備氣相色譜紅外、核磁操作訓(xùn)練。虛擬實驗可以幫助學(xué)生掌握Grignard 反應(yīng)、Claisen 酯縮反應(yīng)、高壓催化加氫等反應(yīng)的實驗原理，補(bǔ)齊實驗條件限制導(dǎo)致的實驗教學(xué)短板，在達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果的同時降低實驗成本和危險性。在虛擬實驗教學(xué)過程中提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的科研探索精神，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的同時注重個性發(fā)展，提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量，圖1 為Mlabs 蒸餾虛擬仿真實驗界面。

圖1 Mlabs 蒸餾虛擬仿真實驗界面

3 教學(xué)開展過程

3.1 教學(xué)前期準(zhǔn)備

有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實驗室在學(xué)院和領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo)下，早在2018年就率先將移動虛擬實驗室這一新技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)當(dāng)中。通過移動實驗、線上學(xué)習(xí)等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，虛擬仿真與實踐操作相結(jié)合的教學(xué)手段，實現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)實驗的信息化改革。有機(jī)化學(xué)實驗員和公司技術(shù)員根據(jù)以往經(jīng)驗，制作moolsnet 平臺和Mlabs 虛擬實驗軟件操作指南?；瘜W(xué)院基礎(chǔ)實驗中心推廣有機(jī)實驗教學(xué)成果，為教師開展培訓(xùn)，其他實驗教學(xué)小組學(xué)習(xí)在moolsnet 平臺上的課程創(chuàng)建與管理，構(gòu)建習(xí)題庫和操作標(biāo)準(zhǔn)。

為了確保實驗課線上教學(xué)的順利展開，各個實驗小組在開課半個月前就開始積極備戰(zhàn)，不斷完善教學(xué)預(yù)案。各個實驗小組根據(jù)不同學(xué)情，精心挑選比對虛擬實驗；建立了不同專業(yè)（包括環(huán)境、生命、制藥、食品專業(yè)和留學(xué)生）的學(xué)生QQ 群和微信群，核對名單確保每名學(xué)生全部進(jìn)群，教師上傳電子版教材和慕課資源。建立班級后，教師利用雨課堂和微信群發(fā)布公告，上傳學(xué)習(xí)資料，告知學(xué)生每節(jié)課要求，需要掌握的知識點，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉虛擬實驗操作。

學(xué)生則根據(jù)教師發(fā)布的內(nèi)容提前做好功課，熟悉雨課堂、微信平臺和移動仿真實驗室的使用流程，通過虛擬實驗對實驗操作進(jìn)行預(yù)習(xí)。教師和學(xué)生通過騰訊會議和微信群關(guān)于各大平臺使用和虛擬實驗展開熱烈討論；教師利用小視頻講解、指導(dǎo)學(xué)生如何操作。極大地培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生興趣，提高了預(yù)習(xí)效果。

3.2 開展線上線下混合教學(xué)

在實驗課程方面，教師按照教學(xué)計劃，通過雨課堂和騰訊會議開展線上教學(xué)[4-5]。教師提前在微信群里發(fā)布二維碼，學(xué)生掃碼簽到，按時進(jìn)入網(wǎng)上課堂。學(xué)生在微信公眾號moolsnet平臺進(jìn)行測試，只有測試達(dá)到一定分?jǐn)?shù)才合格，允許通過。每名學(xué)生測試時，試題都是從題庫隨機(jī)抽選自動生成，同時測試小程序還有防止截屏、防止退出系統(tǒng)查找答案功能，均起到防作弊功能。

教師通過網(wǎng)課講解實驗原理、要點、應(yīng)注意的問題，拓展每個實驗關(guān)聯(lián)的知識，更加注重啟發(fā)式、互動式教學(xué)。學(xué)生通過測試和虛擬預(yù)習(xí)后，知道自身不足，帶著問題上課，師生之間充分互動，教學(xué)效果更勝從前。實驗操作視頻教學(xué)，打破傳統(tǒng)實驗課僅靠板書和教師講解的局限性，學(xué)生不僅能提前看到裝置的搭建，更能觀察到實驗現(xiàn)象與結(jié)果，學(xué)生在動手操作時能做到心中有數(shù)，大大提高實驗的準(zhǔn)確率。

3.3 教學(xué)反思

教學(xué)團(tuán)隊并通過后臺查看數(shù)據(jù)，及時了解學(xué)生動態(tài)，掌握學(xué)生測試和虛擬完成情況，通過這種新型互動和智慧型教學(xué)模式，老師可以更好地掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，授課更有針對性，確保教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。

4 結(jié)束語

我院基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心借助騰訊會議、雨課堂、中國大學(xué)慕課平臺、微信公眾號moolsnet、移動虛擬實驗室Mlabs，構(gòu)建了多元化、立體化、高效化的化學(xué)基礎(chǔ)實驗課程。教師借助線上平臺師生互動，通過電子信息化功能把控教學(xué)進(jìn)度，利用演示視頻和虛擬實驗進(jìn)行有效補(bǔ)充，根據(jù)大數(shù)據(jù)報告進(jìn)行整理、分析。但是由于實驗課程的特殊性，線上教學(xué)不能完全照搬線下教學(xué)內(nèi)容，線上教學(xué)不能取代實踐操作，學(xué)生返校后仍要進(jìn)行操作訓(xùn)練。想要取得更好的教學(xué)效果，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)模式仍然需要進(jìn)行更多的探索與創(chuàng)新。