基于互動(dòng)視頻的高分子化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施研究*

周俐軍，王冬梅，滕 騰，姚同杰

(1 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006)

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校應(yīng)化專業(yè)的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是塑造學(xué)生核心素養(yǎng)的核心課程，既培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和操作能力，又幫助學(xué)生深入理解理論課堂的重要知識(shí)點(diǎn)，做到理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用[1]。傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容比較固定，實(shí)驗(yàn)過(guò)程基本上是按圖索驥，缺乏設(shè)計(jì)性，學(xué)生探索的空間較小，這大大影響了他們對(duì)高分子研究的興趣和熱情[2-3]。教育部《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函[2018]5號(hào))明確提出，將行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果建設(shè)成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容加速更新，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加富有新時(shí)代的特征[3-4]。教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)(教高〔2019〕8號(hào))對(duì)課程建設(shè)提出了提升高階性、突出創(chuàng)新性、增強(qiáng)挑戰(zhàn)度的要求[5]。這就需要我們要不斷梳理傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，剔除陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，優(yōu)化包含專業(yè)基本原理、方法與技能的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6-7]，引入由學(xué)科前沿成果和工程技術(shù)實(shí)踐轉(zhuǎn)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[8-9]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的取舍與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與創(chuàng)新[2]。

1 含稀土配合物光學(xué)樹(shù)脂的制備和表征實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我校高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的大三學(xué)生，每屆60～90人，分24個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行。采取小班授課，每班30人左右，3～4人一組。教學(xué)團(tuán)隊(duì)由5名主講教師組成，其中專職實(shí)驗(yàn)人員2人。由于高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，每組的4名學(xué)生必須相互配合，負(fù)責(zé)藥品稱量和溶液的配置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。指導(dǎo)教師隨時(shí)進(jìn)行釋疑和質(zhì)詢，機(jī)動(dòng)掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)度。

為了加深學(xué)生對(duì)含稀土配合物功能性光學(xué)樹(shù)脂的理解和掌握，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞自由基聚合(均聚與共聚)，設(shè)計(jì)了稀土銪、鋱配合物、含配合物光學(xué)樹(shù)脂的制備以及表征等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，相關(guān)合成路線、中間產(chǎn)品及目標(biāo)產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 本實(shí)驗(yàn)合成路線、中間產(chǎn)品及目標(biāo)產(chǎn)品Fig.1 Synthetic route，intermediate products and target products of this experiment

(1) 稀土配合物的制備[10-12]

這里以銪的二元和三元配合物的制備為例來(lái)設(shè)計(jì)稀土配合物的合成過(guò)程：

①分別配制0.01 mol/L的 EuCl3水溶液、0.01 mol/L的DBM乙醇溶液、0.01 mol/L的phen乙醇溶液，再配制1:4的稀氨水和pH=8.2、pH=9.2的緩沖溶液。

②制備Eu(DBM)3·H2O的二元稀土配合物，制成淺黃色粉末微粒。

③制備Eu(DBM)3·Phen的三元稀土配合物，制成淺粉色粉末微粒。

(2)合成含稀土配合物的熒光樹(shù)脂

將一定量的上述稀土配合物溶解于由甲基丙烯酸(MA)和苯乙烯(St)組成的混合溶液中，分別加入硬脂酸和引發(fā)劑，使之完全溶解，在60 ℃下預(yù)聚、裝模，在57 ℃下聚合，最后緩慢降至室溫脫模，得到供測(cè)試用的3 mm厚樹(shù)脂樣品。

(3)表征稀土配合物、含稀土配合物熒光樹(shù)脂的性質(zhì)

分別進(jìn)行透光性測(cè)定、紅外光譜測(cè)定、熒光性質(zhì)測(cè)定、電子透射電鏡(TEM)的測(cè)定、元素分析測(cè)定C、H、N的含量以及TGA-DSC 的測(cè)試。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上本著以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，根據(jù)“00”后學(xué)生喜歡交互體驗(yàn)的特點(diǎn)，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)分成了四個(gè)功能模塊，分為知識(shí)學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)表征和通關(guān)考核(圖2)。前三個(gè)模塊偏重于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與仿真實(shí)驗(yàn)，最后的通關(guān)考核主要對(duì)學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、交互練習(xí)、分組合作等學(xué)習(xí)方法展開(kāi)，最后通過(guò)通關(guān)考核與反思評(píng)價(jià)鞏固、提升學(xué)習(xí)效果。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

圖2 稀土配合物熒光樹(shù)脂的制備及 表征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能Fig.2 Preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin and function of virtual simulation experiment platform

(1)知識(shí)學(xué)習(xí)

教師科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先要解決的問(wèn)題是將高深的前沿知識(shí)結(jié)合本專業(yè)學(xué)過(guò)的知識(shí)，以通俗的方式講給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)稀土元素、稀土配合物的發(fā)光原理、能量傳遞、能級(jí)匹配，聚合物的共聚、均聚、配合物的表征等實(shí)驗(yàn)過(guò)程有較全面的認(rèn)識(shí)。

(2)翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

我們將整個(gè)實(shí)驗(yàn)分成了四個(gè)交互選擇的節(jié)點(diǎn)，第一部分是銪(Eu)配合物的制備，掌握將氧化銪轉(zhuǎn)化成氯化銪、六種配體的乙醇溶液制備、pH緩沖溶液制備、六種銪配合物合成的詳細(xì)步驟和過(guò)程。第二部分是稀土鋱配合物的合制備，讓學(xué)生掌握氧化鋱轉(zhuǎn)化成氯化鋱、兩種配體的乙醇溶液制備、pH緩沖溶液制備、兩種鋱配合物合成的詳細(xì)步驟和過(guò)程。第三部分是含銪配合物光學(xué)樹(shù)脂制備，讓學(xué)生懂得MA/St共聚體系是稀土配合物復(fù)合的合適體系以及復(fù)合過(guò)程中實(shí)際操作的注意事項(xiàng)等；第四部分是含鋱配合物光學(xué)樹(shù)脂的制備，讓學(xué)生了解共聚體系中每種單體MA和 St的比例對(duì)發(fā)光性質(zhì)影響等實(shí)驗(yàn)條件的選擇等。

(3)實(shí)驗(yàn)表征

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的不同選擇，會(huì)得到8種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表征的圖譜也不同，通過(guò)紅外、紫外、熒光和熱重等性質(zhì)的表征，不僅讓學(xué)生了解各類(lèi)表征手段的原理和操作方法，還讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析各類(lèi)光圖譜。

(4)通關(guān)考核

主要對(duì)學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果進(jìn)行“考票”，科目一是讓學(xué)生從6～8種元素中選出2個(gè)正確的稀土元素銪和鋱，科目二是有機(jī)配體的選擇(讓學(xué)生懂得配體與中心離子的能級(jí)匹配和能量傳遞的天線效應(yīng))，科目三是聚合體系的選擇(MA/St共聚體系與甲基丙烯酸甲酯(MMA)均聚體系)，科目四是最終產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)表征手段及相關(guān)表征圖譜(其中包括紅外、紫外、熒光和熱重等圖譜)的選擇，整個(gè)實(shí)驗(yàn)將會(huì)有更多的可能性，互動(dòng)性較強(qiáng)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與反思

構(gòu)建的開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段多元化(圖3)。自稀土配合物光學(xué)樹(shù)脂的制備及表征實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展以來(lái)，共有150 余名學(xué)生完成了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式深受學(xué)生喜愛(ài)。學(xué)生依托平臺(tái)通過(guò)自主式、合作式、研究式學(xué)習(xí)、反思和設(shè)計(jì)，為科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展提供了可靠的前期保證，同時(shí)開(kāi)闊了視野，對(duì)接了行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，接觸到了學(xué)術(shù)前沿，增強(qiáng)了專業(yè)自信和自豪感。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合(圖4～圖5)，部分學(xué)生拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在國(guó)家級(jí)和省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目中獲得好成績(jī)。與此同時(shí)，稀土配合物光學(xué)樹(shù)脂的制備及表征獲批學(xué)校虛擬仿真項(xiàng)目，高分子化學(xué)課程被評(píng)為國(guó)家級(jí)一流課程。

圖3 嗶哩嗶哩網(wǎng)站運(yùn)行平臺(tái)首頁(yè)及二維碼Fig.3 Homepage and QR code of BiliBili website operation platform

圖4 A學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)BC網(wǎng)上展示的稀土配合物 熒光樹(shù)脂的制備及表征虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示例Fig.4 A Students conduct experiments in the laboratory BC the example of preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin on network by student

圖5 稀土配合物熒光樹(shù)脂的制備及 表征虛擬仿真互動(dòng)視頻示例Fig.5 Preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin virtual simulation interactive video example

通過(guò)分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)：將教師科研成果轉(zhuǎn)換成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在本科生不完全掌握學(xué)科前沿條件下進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[6]？這也是開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的問(wèn)題。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，教師要對(duì)科研成果的核心要義進(jìn)行高度凝練，用學(xué)生通曉的、最普通的方法進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生容易自主完成實(shí)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，帶動(dòng)學(xué)生提升自主探索專業(yè)理論知識(shí)的能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于互動(dòng)視頻的高分子化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是高分子專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的現(xiàn)代產(chǎn)物，它既具有高分子專業(yè)鮮明的、前沿性的專業(yè)知識(shí)內(nèi)容，還具有與本成果相關(guān)的最新信息技術(shù)的應(yīng)用，前沿的專業(yè)知識(shí)內(nèi)核+最新的信息技術(shù)應(yīng)用=前沿學(xué)科交叉的知識(shí)載體。2個(gè)輪次的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)這樣知識(shí)載體轉(zhuǎn)換成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目非常感興趣，在夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，提升了學(xué)生結(jié)合本專業(yè)知識(shí)解決專業(yè)問(wèn)題的綜合能力。教師科研成果的引入，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，達(dá)到“兩性一度”的教學(xué)效果。