基于虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索*

李丹丹，鞠志宇，侯旭鋒，牛亮峰，黃夕瑤

(許昌學(xué)院化工與材料學(xué)院，河南 許昌 461000)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志，也是人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障。近年來(lái)，隨著多學(xué)科交叉融合的發(fā)展，有機(jī)化學(xué)教學(xué)在化工、應(yīng)化、化學(xué)、材料、制藥、食品、醫(yī)學(xué)等專業(yè)人才培養(yǎng)中至關(guān)重要。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)與其相輔相成，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，既可以加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，還可以提升他們的實(shí)驗(yàn)操作技能。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用操作能力、科研素養(yǎng)、實(shí)踐創(chuàng)新能力和科學(xué)思維的重要途徑[1]。因此，切實(shí)有效地提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)化工等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)具有重要的意義。

1 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀

目前，我校的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為：下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)-學(xué)生課前預(yù)習(xí)-教師課堂實(shí)驗(yàn)講解+操作展示-學(xué)生實(shí)驗(yàn)-教師隨堂指出問(wèn)題-學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告-教師點(diǎn)評(píng)。新冠肺炎疫情期間，我校有機(jī)實(shí)驗(yàn)課幾乎處于停滯狀態(tài)，這給我們實(shí)驗(yàn)教師敲響了警鐘，不改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，就不能適應(yīng)教學(xué)形勢(shì)的發(fā)展，也很難迎接新的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)與多專業(yè)學(xué)生的接觸和多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

1.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果欠佳

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的程度直接決定了實(shí)驗(yàn)的成敗和實(shí)驗(yàn)效果，而實(shí)際檢查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)不夠重視，多數(shù)預(yù)習(xí)報(bào)告停留在抄寫書本內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一知半解。

1.2 教學(xué)模式單一，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)興趣

由于教學(xué)模式單一，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解不透徹，做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常照方抓藥，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，遇到不能解決的問(wèn)題時(shí)更是手足無(wú)措。

1.3 不能有效地規(guī)避安全問(wèn)題

盡管老師在上課一再?gòu)?qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的安全問(wèn)題，但是由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，實(shí)驗(yàn)人數(shù)過(guò)多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然存在安全隱患和學(xué)生受傷等情況。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品損耗較多及環(huán)境污染等問(wèn)題

由于學(xué)生的預(yù)習(xí)不夠，講解及操作演示時(shí)受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、人數(shù)等問(wèn)題的影響，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程繁瑣，經(jīng)常存在學(xué)生操作失誤、損壞儀器及操作失敗的問(wèn)題，在一定程度上加劇了儀器及藥品損耗和環(huán)境污染。

因此，如何改變當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，適應(yīng)的新的變化和發(fā)展，提升教學(xué)效果和學(xué)生的動(dòng)手能力迫在眉睫。

2 虛擬仿真技術(shù)及其應(yīng)用于有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合了網(wǎng)絡(luò)通訊、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)等多種技術(shù)[2]，是一種在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行的以培養(yǎng)學(xué)生探索精神和實(shí)踐操作技能為目的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)手段[3]，它由美國(guó)Virginiada大學(xué)的William Wolf教授于1989年提出[4]。它通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景、藥品和設(shè)備，讓學(xué)生在構(gòu)建的虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[5]。

2015年，教育部辦公廳明確指出，“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[6]?！边@不僅強(qiáng)調(diào)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革指明了方向?；诋?dāng)前有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、儀器數(shù)量、藥品危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)普適性等多重限制，以達(dá)到補(bǔ)充有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的盲點(diǎn)，豐富現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和教學(xué)效果的目的。

3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與改革

根據(jù)目前有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和開展情況，基于虛擬仿真技術(shù)，我們從以下幾個(gè)方面開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和探索：

(1)基于虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分類與整合

以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力為目標(biāo)，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，我們從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的角度出發(fā)，將現(xiàn)有的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)、綜合類實(shí)驗(yàn)兩大類?；A(chǔ)類實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)安全、實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器、基礎(chǔ)操作四部分組成；綜合類實(shí)驗(yàn)由制備性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分類Fig.1 Content classification of organic chemistry experiment based on virtual simulation technology

其中，實(shí)驗(yàn)安全主要包括實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)、危險(xiǎn)品的使用安全，突發(fā)及應(yīng)急事故的處理等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)藥品模塊主要是指藥品的物質(zhì)性質(zhì)參數(shù)、貯存方法、主要用途等。實(shí)驗(yàn)儀器包括常用玻璃容器和有機(jī)單元組件，其中里面詳細(xì)介紹了儀器的名稱、用途、使用方法、注意事項(xiàng)等。基礎(chǔ)操作主要有：常壓蒸餾、回流、減壓蒸餾、萃取分液、干燥、重結(jié)晶、薄層色譜以及柱色譜等?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作是開展綜合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和保證，而實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，部分學(xué)生并不能掌握規(guī)范的操作步驟。如果讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬操作，提前體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，找出自己的不足，就可以實(shí)際操作中加強(qiáng)鞏固基礎(chǔ)操作。通過(guò)這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，既能彌補(bǔ)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的不足，又能增添實(shí)驗(yàn)的趣味，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

綜合實(shí)驗(yàn)的目的是考察學(xué)生對(duì)有機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作的綜合運(yùn)用能力。學(xué)生需要清楚實(shí)驗(yàn)原理，理解實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)流程(或者自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案)，熟練進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以先在虛擬平臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練，然后再實(shí)操；對(duì)于危險(xiǎn)性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)條件要求高的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自行虛擬練習(xí)，再進(jìn)行虛擬仿真操作考試。

對(duì)有機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分類與整合，是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的模塊化，也是我們虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建過(guò)程，依據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(2)基于虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)改革

傳統(tǒng)的有機(jī)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)局限于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的簡(jiǎn)單抄寫，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不清晰，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解不透徹，操作步驟不清楚等問(wèn)題。為了使學(xué)生全面的掌握實(shí)驗(yàn)儀器使用方法，理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握操作步驟，實(shí)驗(yàn)老師需要付出大量的時(shí)間和精力對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行梳理、總結(jié)，然后在有限的時(shí)間和場(chǎng)地內(nèi)對(duì)學(xué)生進(jìn)行填鴨式的講解和惡補(bǔ)式的灌輸，然而，雖然老師付出了很多，教學(xué)效果仍然不佳，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情也不高。針對(duì)目前的狀況，我們將細(xì)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，釋放教師課堂講解的壓力，將有機(jī)實(shí)驗(yàn)與moolsnet微信小程序、MOOC教育平臺(tái)，MLabs虛擬教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等充分結(jié)合，變學(xué)生被動(dòng)灌輸為主動(dòng)學(xué)習(xí)，通過(guò)變換學(xué)習(xí)手段和增加學(xué)習(xí)趣味來(lái)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和教學(xué)效果。因此，我們以化工專業(yè)的實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)(制備實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn))的基礎(chǔ)上，提出了新的預(yù)習(xí)改革方案如圖2所示。

圖2 基于虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)改革Fig.2 Organic chemistry experiment preview reform based on Virtual Simulation Technology

以正溴丁烷的合成為例：學(xué)生接到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，對(duì)應(yīng)教師給出的先導(dǎo)問(wèn)題預(yù)習(xí)課本，了解實(shí)驗(yàn)操作步驟，完成思考題，期間可以通過(guò)中國(guó)大學(xué)MOOC等一系列資源自主學(xué)習(xí)。然后登陸微信小程序moolsnet，開始實(shí)驗(yàn)安全與新的儀器學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，如圖3和圖4所示。

圖3 儀器模塊Fig.3 Instrument module

圖4 實(shí)驗(yàn)安全模塊Fig.4 Experimental safety module

在完成以上任務(wù)的基礎(chǔ)上，登陸手機(jī)APP程序MLabs移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，后臺(tái)會(huì)相應(yīng)的根據(jù)操作給出成績(jī)，部分演示如圖5所示。

圖5 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分操作演示Fig.5 Operation demonstration of virtual experiment platform

經(jīng)過(guò)以上幾步的預(yù)習(xí)，學(xué)生可以清晰的認(rèn)識(shí)每個(gè)新儀器、了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及操作步驟，在實(shí)際上課實(shí)驗(yàn)時(shí)就能游刃有余，大大提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

(3)基于虛擬仿真技術(shù)的危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)操作、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)改革

由于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特殊性，平時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過(guò)一系列考量而挑選的相對(duì)安全的實(shí)驗(yàn)(試劑毒性相對(duì)較低，操作危險(xiǎn)性小)。對(duì)于那些試劑毒性高，操作危險(xiǎn)的綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，我們很難在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)教學(xué)實(shí)現(xiàn)。但是，一些相對(duì)危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)或者是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)又是以后科研實(shí)踐必備的技能。我們將虛擬仿真技術(shù)引入有機(jī)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成這些實(shí)驗(yàn)操作，不僅填充和豐富了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，還保證了學(xué)生的安全，大大減少了實(shí)驗(yàn)損耗和投資，同時(shí)避免了實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的環(huán)境污染。

(4)基于虛擬仿真技術(shù)的課程評(píng)價(jià)體系改革

目前，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試組成。其中，平時(shí)成績(jī)?yōu)榍皫状螌?shí)驗(yàn)的平均成績(jī)，占總成績(jī)的百分之六十；期末考試為最后一次實(shí)驗(yàn)的實(shí)操成績(jī)，占百分之四十。這種評(píng)價(jià)體系往往造成實(shí)驗(yàn)報(bào)告冗長(zhǎng)，抄襲了事，實(shí)驗(yàn)獨(dú)立操作能力不強(qiáng)等問(wèn)題。為了充分發(fā)揮學(xué)生的獨(dú)立自主性，提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，我們提出了基于虛擬仿真技術(shù)的新的評(píng)價(jià)體系(如圖6所示)：對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和部分綜合實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)體系由實(shí)驗(yàn)思考題20%，虛擬訓(xùn)練操作20%，實(shí)驗(yàn)操作30%，實(shí)驗(yàn)態(tài)度10%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告(包括總結(jié)及討論)20%。對(duì)于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn))，評(píng)價(jià)方法可以包括： 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的新穎性及合理性30%，實(shí)驗(yàn)操作及問(wèn)題處理能力40%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及報(bào)告30%。評(píng)價(jià)體系更注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成、專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)、實(shí)踐操作能力的提升和創(chuàng)新意識(shí)的激發(fā)。

圖6 基于虛擬仿真技術(shù)的課程評(píng)價(jià)體系Fig.6 Course evaluation system based on virtual simulation technology

4 教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，我院20級(jí)化工專業(yè)的學(xué)生對(duì)虛擬技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)可率在99%以上。在實(shí)驗(yàn)課上我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)更積極，更愿意思考問(wèn)題，動(dòng)手操作能力不僅得到了提升，做實(shí)驗(yàn)的效率也得到進(jìn)一步提高。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和課后交流，多數(shù)同學(xué)認(rèn)為這種教學(xué)改革非常有趣，既能直觀的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)儀器，又可以提前進(jìn)行虛擬操作，大大避免了實(shí)際操作過(guò)程中手忙腳亂的問(wèn)題，更有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程的思考?？傊?，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還能讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中體驗(yàn)具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大大降低了實(shí)驗(yàn)的事故率、減少了儀器損耗和環(huán)境污染。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)融入到實(shí)踐操作強(qiáng)的課程中已成為現(xiàn)代化教學(xué)的趨勢(shì)。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入使課堂教學(xué)的效率得到提高，學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和熱情得以充分調(diào)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)儀器的損壞和實(shí)驗(yàn)失敗的概率大大降低。在教學(xué)效果提升的同時(shí)，我們也應(yīng)該清楚：虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和優(yōu)化，它并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更不能離開課堂實(shí)際操作的訓(xùn)練，否則，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平只能停留在理論上，手動(dòng)能力和分析解決問(wèn)題的能力將會(huì)大打折扣。因此，如何將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的各自優(yōu)勢(shì)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果將是我們以及教學(xué)工作者一直探究的方向。