基于虛擬仿真實驗平臺的有機化學(xué)實驗教學(xué)實踐

付穎寰+楊大偉+郭宏+侯傳金+楊義+初婷婷

摘要：有機化學(xué)實驗是輕工類院校理工科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課之一，其中涉及的許多基本操作是學(xué)生在畢業(yè)環(huán)節(jié)及從事相關(guān)工作時必備的能力。我校傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗教學(xué)模式存在著授課模式較單調(diào)、教學(xué)效率不高、考核方式不全面等問題，亟待改進。

關(guān)鍵詞：有機化學(xué)實驗；虛擬仿真；教學(xué)改革；教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0271-02

一、前言

有機化學(xué)研究有機化合物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及它們之間的互相轉(zhuǎn)化規(guī)律，是輕工類院校輕化、紡材、生物、食品專業(yè)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程之一。有機化學(xué)實驗是理論課教學(xué)的重要輔助環(huán)節(jié)，通過實驗可以使學(xué)生學(xué)會基本的合成及分離實驗操作，鍛煉學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，為將來從事相應(yīng)專業(yè)的研發(fā)工作打下基礎(chǔ)。我校的有機化學(xué)實驗教學(xué)目前存在以下問題：學(xué)生對實驗的重視程度不夠，預(yù)習(xí)報告抄襲，預(yù)習(xí)的過程流于形式；課堂上教師的講解較詳細(xì)，但教學(xué)模式較單一，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，同時由于預(yù)習(xí)不夠，學(xué)生一知半解，實驗時照方抓藥，不懂真正的原理；實驗過程中出現(xiàn)錯誤較多，重新進行實驗導(dǎo)致藥品浪費；實驗藥品用量大，污染嚴(yán)重；某些實驗對反應(yīng)條件要求比較苛刻，無法順利開展；一些先進的儀器設(shè)備無法應(yīng)用到本科有機化學(xué)實驗教學(xué)中。

基于以上有機化學(xué)實驗中存在的問題，我們開展了一系列教學(xué)改革，如設(shè)計多媒體助學(xué)型有機化學(xué)實驗預(yù)習(xí)課件、改革有機化學(xué)實驗考核方式[1]、將有機化學(xué)合成實驗的用量改為半微量和微量并進行系列化實驗以減少環(huán)境污染和浪費[2]等。這些改革對改善學(xué)生的預(yù)習(xí)過程有一定的幫助，使教學(xué)效果稍有提高，也緩解了一部分環(huán)境污染，但并沒有獲得較大的改觀。利用虛擬仿真實驗平臺，可以真實地模擬實驗室中進行的有機化學(xué)實驗全過程，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性；在真正進入實驗室前，通過預(yù)先完成模擬實驗可以檢驗預(yù)習(xí)效果，熟悉實驗過程，減少真正實驗時的出錯率；另外，還可以模擬一些由于苛刻條件而無法開設(shè)的實驗。因此，將虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實驗平臺應(yīng)用于有機化學(xué)實驗可以提高教學(xué)效率[3]，具有實際意義，也是目前高?；瘜W(xué)實驗室一種新的發(fā)展趨勢。目前已有將仿真實驗引入有機化學(xué)實驗教學(xué)中的實例[4]，并取得了較好的教學(xué)效果，但其依賴于二維動畫平臺，不能逼真地體現(xiàn)實驗室的真實場景。本年度我校引進了大連微瑞公司的虛擬仿真實驗平臺，并在有機化學(xué)實驗教學(xué)中進行了應(yīng)用實踐。

二、通過虛擬仿真實驗平臺進行有機化學(xué)實驗預(yù)習(xí)可以提高教學(xué)效率

學(xué)生通過學(xué)號和密碼登錄，進入虛擬仿真實驗平臺中的有機化學(xué)實驗?zāi)K，點擊其中一個實驗的名稱，可以完成預(yù)習(xí)過程。首先觀看課件對實驗有大致的了解，完成預(yù)習(xí)報告內(nèi)容，包括設(shè)計流程圖、物理常數(shù)查閱等。接著進行仿真模擬實驗，這時學(xué)生就像真正進入了有機化學(xué)實驗室，可以在書本預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上進行一次實驗的模擬操作，比如稱量、加藥品、搭建裝置、拆除裝置、純化等步驟。需要在規(guī)定的時間內(nèi)正確完成指定的操作，如果其中某一個步驟出現(xiàn)問題，如稱量結(jié)束沒有關(guān)閉天平或未通入冷凝水就打開常壓蒸餾裝置的加熱套開關(guān)，系統(tǒng)就會提示“錯誤”、“扣分”等字樣，同時后臺記錄了整個操作過程和分?jǐn)?shù)結(jié)果。如果“錯誤”的提示積累到一定數(shù)量或未能在規(guī)定時間內(nèi)完成操作，實驗的預(yù)習(xí)成績視為不及格，需要重新進行一次模擬實驗。教師登錄實驗平臺可以看到學(xué)生模擬實驗的完成時間和分?jǐn)?shù)。學(xué)生只有在平臺中按要求通過模擬實驗過程，才允許申請進入有機化學(xué)實驗室實際操作。比起以往教師只能在上課時通過提問檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，這樣的方式一方面可以檢驗預(yù)習(xí)的效果，保證預(yù)習(xí)過程的質(zhì)量，提高實驗教學(xué)效率；另一方面可以加深學(xué)生對錯誤操作和注意事項的理解，避免在實驗室中實際操作時重復(fù)出現(xiàn)這樣的錯誤[5]。在真正進入有機實驗室操作的時候，也大大節(jié)省了教師的授課時間，提高了實驗效率。

三、虛擬仿真實驗可以激發(fā)學(xué)生對有機化學(xué)實驗的興趣和主動性

以往的預(yù)習(xí)是學(xué)生通過閱讀實驗教材、填寫預(yù)習(xí)報告進行的，整個過程比較枯燥，有相當(dāng)一部分學(xué)生為了省事而抄襲預(yù)習(xí)報告，這樣就沒能激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動性，達(dá)不到預(yù)習(xí)的效果。使用虛擬仿真實驗平臺后，學(xué)生反映在平臺上可以看到實驗室的情況，按照書上的步驟進行操作，對使用的玻璃儀器、裝置搭建的方法有了直觀的了解，熟悉了實驗流程，并且在虛擬實驗室中，界面內(nèi)容豐富，視角轉(zhuǎn)換等操作方式與學(xué)生熟悉的電腦游戲鍵盤操作類似，這使他們感到非常親切，容易操作，對于每一步實驗操作和展示的實驗現(xiàn)象充滿了好奇心，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣。在虛擬平臺中，如果操作正確就會繼續(xù)進行，錯誤時將會提示并扣分，若錯誤過多將需要再次進行實驗?zāi)M，這將促使學(xué)生在下一個實驗的預(yù)習(xí)中更加細(xì)心，避免出現(xiàn)類似的錯誤，爭取一次通過，增強了學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的主動性和獨立思考的能力，進而促進有機化學(xué)理論課的教學(xué)[6]。

四、虛擬仿真實驗利于減少環(huán)境污染，降低成本

如果學(xué)生在預(yù)習(xí)實驗階段所做的準(zhǔn)備工作不夠充分，沒有深入了解實驗原理，對實驗儀器和裝置的使用也不熟練，實驗時只是盲目操作，實際操作時出現(xiàn)錯誤的可能性就比較高，造成產(chǎn)率極低或者根本得不到正確產(chǎn)品的結(jié)果，白白消耗了較多的化學(xué)藥品，也浪費了自己和教師的時間，這在一方面提高了實驗的成本，另外也造成了對環(huán)境的污染。相反，如果學(xué)生事先通過虛擬仿真實驗平臺對本次實驗進行了充分的預(yù)習(xí)，也盡可能地避免了實驗中可能出現(xiàn)的一些錯誤，就會大大地節(jié)約藥品試劑的成本，提高了實驗效率，同時也使得半微量、微量實驗更容易成功，在一定程度上減少了對環(huán)境的污染。

五、通過虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)可以豐富有機化學(xué)實驗的內(nèi)容

有機化學(xué)中有一些試劑由于活性較高經(jīng)常需要使用特殊的實驗裝置，如涉及金屬有機試劑的反應(yīng)就需要使用雙排氣體分配器來創(chuàng)造惰性氣體和真空的環(huán)境；有的實驗需要在低溫或特殊條件下進行，這些在一般的高?；A(chǔ)化學(xué)實驗室中都難以實現(xiàn)。通過虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)可將此類實驗引入本科教學(xué)中，還有一些危險的實驗，比如將對硝基甲苯氧化為對硝基苯甲酸的實驗，在滴加濃硫酸的時候由于放熱，機械攪拌可能會產(chǎn)生電火花，有的學(xué)生感到害怕因此不敢繼續(xù)滴加；另外，也有一些耗時較長的實驗，不宜在有限的學(xué)時中開設(shè)。以上實驗內(nèi)容都可以添加在虛擬仿真平臺中，學(xué)生在課余時間可以有選擇性地進行實驗的模擬，從而觀察到相應(yīng)的反應(yīng)現(xiàn)象，學(xué)會如何實現(xiàn)特殊條件的控制，既豐富了有機化學(xué)實驗的內(nèi)容，又拓寬了學(xué)生的視野。

六、虛擬仿真實驗中存在的問題

盡管在初步應(yīng)用虛擬仿真有機化學(xué)實驗平臺的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了它的很多優(yōu)點，但同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如平臺中對實驗過程的模擬，可以用于對預(yù)習(xí)情況的檢驗，實現(xiàn)苛刻實驗條件的補充手段，但是絕對不能代替實際操作。一方面，虛擬實驗畢竟是“紙上談兵”，學(xué)生動手能力的培養(yǎng)必須通過親自操作、多次練習(xí)來完成；另一方面，在真實的實驗過程中可能會出現(xiàn)一些突發(fā)現(xiàn)象和事件，這也是虛擬仿真實驗平臺所無法預(yù)料和模擬的[7]。因此，我們應(yīng)發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)點，對有機化學(xué)實驗教學(xué)進行有益的補充。

七、結(jié)語

將引進的虛擬仿真實驗平臺用于我校本科生有機化學(xué)實驗教學(xué)的實踐，取得了良好的效果。虛擬仿真實驗平臺作為對有機化學(xué)實驗傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種有益輔助方式，表現(xiàn)在多個方面，如可以強化預(yù)習(xí)過程、檢驗預(yù)習(xí)效果、提高實驗教學(xué)效率、加深學(xué)生對操作步驟和注意事項的理解、減少實際操作的錯誤率、激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動性、減少化學(xué)藥品的浪費及對環(huán)境的污染、讓學(xué)生可以接觸到更多類型的有機化學(xué)實驗操作等。隨著我校虛擬仿真實驗平臺的逐步完善，其功能也將逐漸強大，如將來平臺可以用于多種學(xué)科的虛擬仿真實驗、預(yù)習(xí)通過后實驗時間的申請、有機化學(xué)實驗期末考核方式的一部分等。

參考文獻(xiàn)：

[1]付穎寰，李明慧，楊大偉，郭宏，侯傳金，楊義，陳麗鳳.綠色化教學(xué)在有機化學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報（增刊），2014：1-3.

[2]李明慧，楊大偉，付穎寰，郭宏，侯傳金，楊義.改革有機化學(xué)教學(xué)模式和考核方式[J].教育進展，2014，（4）：121-124.

[3]劉桂斌.運用模擬實驗提高教學(xué)效果[J].中國電化教育，2002，183（4）：30-31.

[4]楊世軍.有機化學(xué)實驗仿真、綠色化、半微量等互補型教學(xué)模式的探索[J].廣東化工，2014，（21）：230-231.

[5]如婷婷，石瑩巖，初學(xué)峰.基于高校虛擬化學(xué)實驗研究若干問題的建議[J].高教學(xué)刊，2016，（12）：54-55

[6]曾凡斌，劉漢蘭，謝勁松.利用虛擬化學(xué)實驗促進有機化學(xué)教學(xué)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（12）：89-90.

[7]郭亞寧.仿真模擬技術(shù)在有機化學(xué)實驗教學(xué)中的作用[J].高校實驗室工作研究，2011，108（2）：46-47.