“虛實”結合的新實驗教學模式在有機化學中的應用*

廖　云，單德才，鄧昌愛

(南華大學化學化工學院，湖南　衡陽　421001)

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“虛實”結合的新實驗教學模式在有機化學中的應用*

廖云，單德才，鄧昌愛

(南華大學化學化工學院，湖南衡陽421001)

通過分析高校有機化學實驗教學模式的現狀，按照實驗項目選取、教學設計、教學模式實施及規范化、系統化的思路對原有的實驗教學進行了改革。主要提出了虛擬仿真實驗—真實實驗相結合的有機化學新實驗教學模式，模式按以虛為主和以實為主兩種教學活動展開，形成了多樣化的課程資源建設途徑和科學的實驗考核體系，對培養具有自主創新能力和實踐動手能力的高校人才具有重要意義。

有機化學；虛擬仿真；實驗教學模式；自主創新

有機化學作為高校 “四大基礎化學”重要成員之一，已經逐步滲透到生命科學、材料科學、環境科學、能源科學等眾多學科領域[1]。作為有機化學教學中不可或缺的一環，有機化學實驗要求提高學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力，并從實驗中逐漸培養出自主創新和實踐動手能力[2]。然而，目前大部分高校實驗教學模式單一，實驗設備陳舊，在這種實驗教學環境下，學生的實踐能力、創新能力的培養受到極大的阻礙。

2013年，教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，拉開了虛擬實驗教學中心建設的序幕，虛擬實驗教學在高校引起了高度關注[3]。虛擬實驗教學平臺借助虛擬現實、多媒體、人機交互、網絡通訊等技術，模擬真實實驗環境，讓學生在虛擬環境中開展實驗，達到實驗教學要求[4]。這種實驗教學方法逐步在高校中被應用，如麻省理工學院的微電子在線實驗室、美國休斯頓大學的虛擬物理實驗室等[5]，雖虛擬實驗具有成本低、效率高、操作安全、資源共享等[6]優點，但它也具有一定的弊端：學生不能直接接觸實物，容易造成理論與實踐的脫節。因此，有效利用虛擬仿真技術，同時又不造成與真實實驗脫節，成為改革實驗教學模式中亟需解決的問題。

鑒于此，筆者根據學院有機化學實驗教學的基本情況，并結合管理仿真實驗室的經驗，提出了虛擬仿真實驗—真實實驗相結合(下文稱“虛實”結合)的新實驗教學模式，為有機化學實驗教學提供了一種新的、有利于學生創新能力提高的實驗教學模式。

1　有機化學實驗教學模式現狀分析

當前多數高校有機化學實驗教學仍采用“課前預習—課堂實驗—課后報告”的形式。預習時，需要學生了解實驗內容，由于無人督促，很多學生根本不預習，以致影響實驗的進行，更談不上在實驗中獨立、主動的思考；課堂實驗時，學生按書本步驟操作，雖能接觸實驗儀器，但由于儀器數量不足，學生扎推使用儀器的現象比比皆是，這種“大鍋飯”似的實驗操作使得教學效果大打折扣，此外由于設備陳舊，學生不得不分散精力排除故障；課后，學生沒有機會重新操作實驗，對實驗結果的分析只能停留在理論層次，實驗報告答案千篇一律。整個實驗過程，受無人監督、場地、設備等主客觀條件約束，學生很少做到自主獨立的學習，這種實驗教學模式在一定程度上抹殺了學生探索實驗的興趣，不利于激發學生的創新意識。

2　“虛實”結合的實驗教學模式

2.1改革思路

筆者提出的“虛實”結合的實驗教學模式，改革思路主要圍繞以下幾點展開：(1)打破“時空”限制，使學生能自行安排實驗時間和場所；(2)將“要我學”轉變成“我要學”；(3)保證理論知識與實踐的銜接，避免“紙上談兵”；(4)盡量規避實驗儀器不足或有毒氣體排放等不利因素。具體思路如圖1所示：

圖1　“虛實”結合實驗教學模式的研究思路Fig.1　The research design of virtual-real combining experiment teaching method

第一階段按模塊選取實驗實驗項目，調試虛擬軟件，與所做實驗項目匹配，同時建設課程資源，使學生能通過多種途徑獲取教學資源；第二階段按以實為主和以虛為主兩種方案進行教學設計，形成虛實結合的實驗教學模式；第三階段對設計好的“虛實”結合的實驗教學模式進行初步實施，并對學生進行考核，并反饋教學效果，若反響不佳，進一步調整教學設計，直至效果為佳；第四階段將教學設計、流程等進行經驗總結，形成系統化、規范化的新實驗教學模式。

改革思路的重點在于采用以實為主和以虛為主兩種教學活動開展實驗，如圖2所示。對于基礎、綜合型實驗主要以虛擬實驗為主，而創新、綜合型實驗則以真實實驗為主，以下將分別加以闡述。

圖2　“虛實”結合的實驗教學模式Fig.2　Virtual-real combining experiment teaching method

2.2以虛為主的教學活動開展

以虛為主實驗主要包括課前預習、課中實驗考核與討論、課后鞏固三階段(圖2上部)。

(1)課前預習階段 學生在個人計算機上安裝教師指定虛擬軟件，在宿舍等場所即可完成課前預習。如在“無水乙醇的制備”實驗中，學生進入實驗界面后，有兩種操作模式可供選擇：訓練操作模式和考核操作模式。訓練操作模式不計分數，附有詳細的實驗操作步驟供學生查看，如圖3所示，學生可完成對實驗目的、原理等的學習，還可參考視頻演示。通過預習，學生即可對本實驗有初步了解。

圖3　無水乙醇虛擬實驗Fig.3　The virtual experiment of alcohol

(2) 課中實驗考核與討論并重階段 正式上課時，學生進入仿真實驗室。課堂教學主要包括三個方面：①實驗考核，學生進入虛擬考核操作模式，對操作進行計分考核，沒有完整的操作步驟提示，教師可根據得分了解學生預習情況。②課堂討論，學生可將實驗中出現的問題提出，所有學生通過討論共同解決。討論形式可多樣化，分組或自由發言均可，教師記錄學生發言情況。③教師答疑，對于學生無法解決或容易忽視的問題，教師可答疑補充。課堂教學旨在發揮學生的積極性和主動性，提高對實驗的熱情。

(3) 課后鞏固階段 課后的鞏固可結合實驗報告、與真實實驗對比等手段進行。實驗報告不應照搬書本中實驗原理、目的等內容，教師應根據虛擬實驗課堂教學情況設計實驗報告，多設計總結性或有利創新思維的問題，如總結本實驗中出現的問題、如何解決，如何更好設計本實驗等等，必要時，可采取真實實驗演示、觀摩實驗儀器(對于某些特殊儀器)等手段來鞏固實驗。

2.3以實為主的教學活動開展

對于創新研究型和部分綜合型實驗，教學活動的開展別具一格，主要體現在學生的自主性比較大。教學流程包括選題和設計，實驗，成果驗收三部分(圖2下部)。

(1) 選題和設計 學生根據實驗條件和興趣選擇實驗項目，內容應和虛擬實驗有所區別，側重于實驗的綜合性和創新性。之后，學生通過查閱資料設計實驗流程，分析實驗的可行性，形成系統的實驗方案。設計實驗流程時，教師需進行把關，規避實驗設計不當導致的危險。

(2) 實驗 選題和實驗設計完成后，學生即可開展實驗，對于在化學實驗室進行的實驗，教師綜合所有學生的實驗項目，統籌安排實驗時間；對于在導師課題組進行的實驗，可自行與課題組協商。實驗開展過程中，教師定期檢查學生實驗記錄。對于某些具有一定難度的實驗，可由幾個學生共同完成，另外，創新研究型實驗可結合高校的實驗競賽一起開展，如與“大學生挑戰杯”“化學實驗競賽”等等結合。

(3) 成果驗收 成果驗收應以實驗記錄、實驗成果為主，如某些合成實驗，成果應包括合成的產品及其性能檢測結果，還可要求學生以科研論文的形式呈現實驗成果，對于失敗的實驗，可提交經驗總結等。

3　課程資源建設及實驗考核體系改革

“虛實”結合的新實驗教學模式的開展需要有更加科學合理的課程資源和評價考核體系作為支撐，才能最大限度發揮新實驗教學模式的優勢。

(1) 課程資源建設 在信息化時代，實驗課程資源建設途徑是多樣化的，網絡資源的利用成為一種更加便捷的方式，如圖4所示。因此，有機化學教研室有必要將實驗教材、教學PPT、虛擬軟件、演示視頻等豐富的資源發放在學院網絡平臺上，使實驗室無處不在。教師對學生的實驗指導，不局限于實驗室、課題組等面對面的交流，還可通過QQ、微信等網絡途徑進行。

圖4　課程資源建設途徑Fig.4　The development of course resource

(2) 實驗考核體系改革 以往學生實驗成績一般由兩部分組成：平時成績70%+實驗報告30%，這樣容易造成實驗報告互相抄襲、實驗過程消極怠慢等現象，不利于發揮學生獨立自主性。本模式按兩種教學活動展開，因此，考核方法也可多樣化。對于虛擬實驗，考核體系可包含以下幾方面：實驗預習20% (通過考核模式了解預習情況)，實驗操作20%，課堂討論20%，實驗報告20%，實驗態度10%，創新點10%(對敢于提出創新性想法的學生，應予以鼓勵)。對于真實實驗，考核方法具體可如下：選題和流程設計的新穎及合理性30%，實驗操作及問題處理能力30%。實驗成果展示40%。考核方式分為自評、他評和師評。虛擬實驗和真實實驗成績加權組成學生最終成績。可以看出，無論是虛擬實驗，還是真實實驗，考核方法都偏重學生的自主創新能力和實踐操作能力，符合有機化學實驗教學的培養目標。

4　結　語

真實實驗與虛擬實驗互為補充的實驗教學方法源于當代高校化學實驗室建設中出現的各種問題，也符合國家對實驗教學建設的最新政策[7]。本文提出的“虛實”結合的新有機化學實驗教學模式，按照兩種教學活動展開，能同時發揮真實實驗和虛擬實驗的優勢，有利于學生自主創新能力和實踐操作能力的提高，對培養高素質的高校人才具有重要的意義。本實驗教學模式將在學院有機化學實驗中逐步開展。

[1]施玲, 郭曉稚, 葛健鋒,等. 有機化學實驗教學與管理的新實踐[J]. 化學教育, 2014(4)：37-39.

[2]張大海, 張靜, 李先國,等. 基于創新型人才培養的有機化學實驗教學策略研究[J]. 教學研究, 2014, 37(5): 68-70.

[3]教育部. 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z]. 高教高司函〔2013〕94號文件, 2013.

[4]董林芳. 基于仿真實驗平臺的網絡工程專業實踐教學模式[J]. 計算機教育, 2014(20)： 97-100.

[5]吳涓, 孫岳, 民雷, 等. 東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(10): 5-9.

[6]李亮亮, 趙玉珍, 李正操,等. 材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J]. 實驗技 術與管理, 2014, 31(2): 5-8.

[7]王曉迪. 虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(8): 9-11.

Application of A New “Virtual-actual Combination” Experimental Teaching Mode in Organic Chemistry*

LIAO Yun, SHAN De-cai, DENG Chang-ai

(School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hunan Hengyang 421001, China)

Aiming at the problem appearing in the experimental teaching process of organic chemistry in some colleges, a new experimental teaching mode of Organic Chemistry was put forward and it was developed in two ways: virtual simulating and actual operating. A diverse construction of curriculum resource and reasonable experimental assessment system were also formed. The new teaching mode was significant in cultivating the students of independent innovation and strongly practical ability.

Organic Chemistry; virtual simulating; experimental teaching mode; independent innovation

南華大學2015年高等教育研究與改革課題資助(2015XJG18)。

廖云(1985-)，女，實驗師，主要從事實驗室管理及高分子研發。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)09-0196-03