基于虛擬仿真實驗平臺的有機化學實驗教學實踐

付穎寰+楊大偉+郭宏+侯傳金+楊義+初婷婷

摘要：有機化學實驗是輕工類院校理工科學生的必修基礎課之一，其中涉及的許多基本操作是學生在畢業環節及從事相關工作時必備的能力。我校傳統的有機化學實驗教學模式存在著授課模式較單調、教學效率不高、考核方式不全面等問題，亟待改進。

關鍵詞：有機化學實驗；虛擬仿真；教學改革；教學模式

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

一、前言

有機化學研究有機化合物結構、性質及它們之間的互相轉化規律，是輕工類院校輕化、紡材、生物、食品專業學生必修的基礎課程之一。有機化學實驗是理論課教學的重要輔助環節，通過實驗可以使學生學會基本的合成及分離實驗操作，鍛煉學生的動手能力，培養良好的實驗習慣和嚴謹的科研作風，為將來從事相應專業的研發工作打下基礎。我校的有機化學實驗教學目前存在以下問題：學生對實驗的重視程度不夠，預習報告抄襲，預習的過程流于形式；課堂上教師的講解較詳細，但教學模式較單一，難以激發學生的興趣，同時由于預習不夠，學生一知半解，實驗時照方抓藥，不懂真正的原理；實驗過程中出現錯誤較多，重新進行實驗導致藥品浪費；實驗藥品用量大，污染嚴重；某些實驗對反應條件要求比較苛刻，無法順利開展；一些先進的儀器設備無法應用到本科有機化學實驗教學中。

基于以上有機化學實驗中存在的問題，我們開展了一系列教學改革，如設計多媒體助學型有機化學實驗預習課件、改革有機化學實驗考核方式[1]、將有機化學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境污染和浪費[2]等。這些改革對改善學生的預習過程有一定的幫助，使教學效果稍有提高，也緩解了一部分環境污染，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實驗全過程，激發學生的積極性和主動性；在真正進入實驗室前，通過預先完成模擬實驗可以檢驗預習效果，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的實驗。因此，將虛擬仿真網絡實驗平臺應用于有機化學實驗可以提高教學效率[3]，具有實際意義，也是目前高校化學實驗室一種新的發展趨勢。目前已有將仿真實驗引入有機化學實驗教學中的實例[4]，并取得了較好的教學效果，但其依賴于二維動畫平臺，不能逼真地體現實驗室的真實場景。本年度我校引進了大連微瑞公司的虛擬仿真實驗平臺，并在有機化學實驗教學中進行了應用實踐。

二、通過虛擬仿真實驗平臺進行有機化學實驗預習可以提高教學效率

學生通過學號和密碼登錄，進入虛擬仿真實驗平臺中的有機化學實驗模塊，點擊其中一個實驗的名稱，可以完成預習過程。首先觀看課件對實驗有大致的了解，完成預習報告內容，包括設計流程圖、物理常數查閱等。接著進行仿真模擬實驗，這時學生就像真正進入了有機化學實驗室，可以在書本預習的基礎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。需要在規定的時間內正確完成指定的操作，如果其中某一個步驟出現問題，如稱量結束沒有關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，系統就會提示“錯誤”、“扣分”等字樣，同時后臺記錄了整個操作過程和分數結果。如果“錯誤”的提示積累到一定數量或未能在規定時間內完成操作，實驗的預習成績視為不及格，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生模擬實驗的完成時間和分數。學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生的預習情況，這樣的方式一方面可以檢驗預習的效果，保證預習過程的質量，提高實驗教學效率；另一方面可以加深學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出現這樣的錯誤[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學生對有機化學實驗的興趣和主動性

以往的預習是學生通過閱讀實驗教材、填寫預習報告進行的，整個過程比較枯燥，有相當一部分學生為了省事而抄襲預習報告，這樣就沒能激發學生的好奇心和主動性，達不到預習的效果。使用虛擬仿真實驗平臺后，學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，界面內容豐富，視角轉換等操作方式與學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象充滿了好奇心，極大地激發了學生的興趣。在虛擬平臺中，如果操作正確就會繼續進行，錯誤時將會提示并扣分，若錯誤過多將需要再次進行實驗模擬，這將促使學生在下一個實驗的預習中更加細心，避免出現類似的錯誤，爭取一次通過，增強了學生預習實驗的主動性和獨立思考的能力，進而促進有機化學理論課的教學[6]。

四、虛擬仿真實驗利于減少環境污染，降低成本

如果學生在預習實驗階段所做的準備工作不夠充分，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，實際操作時出現錯誤的可能性就比較高，造成產率極低或者根本得不到正確產品的結果，白白消耗了較多的化學藥品，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，另外也造成了對環境的污染。相反，如果學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習，也盡可能地避免了實驗中可能出現的一些錯誤，就會大大地節約藥品試劑的成本，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境的污染。

五、通過虛擬仿真實驗平臺的建設可以豐富有機化學實驗的內容

有機化學中有一些試劑由于活性較高經常需要使用特殊的實驗裝置，如涉及金屬有機試劑的反應就需要使用雙排氣體分配器來創造惰性氣體和真空的環境；有的實驗需要在低溫或特殊條件下進行，這些在一般的高校基礎化學實驗室中都難以實現。通過虛擬仿真實驗平臺的建設可將此類實驗引入本科教學中，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，機械攪拌可能會產生電火花，有的學生感到害怕因此不敢繼續滴加；另外，也有一些耗時較長的實驗，不宜在有限的學時中開設。以上實驗內容都可以添加在虛擬仿真平臺中，學生在課余時間可以有選擇性地進行實驗的模擬，從而觀察到相應的反應現象，學會如何實現特殊條件的控制，既豐富了有機化學實驗的內容，又拓寬了學生的視野。

六、虛擬仿真實驗中存在的問題

盡管在初步應用虛擬仿真有機化學實驗平臺的過程中，我們發現了它的很多優點，但同時也發現了一些問題，比如平臺中對實驗過程的模擬，可以用于對預習情況的檢驗，實現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”，學生動手能力的培養必須通過親自操作、多次練習來完成；另一方面，在真實的實驗過程中可能會出現一些突發現象和事件，這也是虛擬仿真實驗平臺所無法預料和模擬的[7]。因此，我們應發揮虛擬仿真實驗平臺的優點，對有機化學實驗教學進行有益的補充。

七、結語

將引進的虛擬仿真實驗平臺用于我校本科生有機化學實驗教學的實踐，取得了良好的效果。虛擬仿真實驗平臺作為對有機化學實驗傳統教學模式的一種有益輔助方式，表現在多個方面，如可以強化預習過程、檢驗預習效果、提高實驗教學效率、加深學生對操作步驟和注意事項的理解、減少實際操作的錯誤率、激發學生的好奇心和主動性、減少化學藥品的浪費及對環境的污染、讓學生可以接觸到更多類型的有機化學實驗操作等。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科的虛擬仿真實驗、預習通過后實驗時間的申請、有機化學實驗期末考核方式的一部分等。

參考文獻：

[1]付穎寰，李明慧，楊大偉，郭宏，侯傳金，楊義，陳麗鳳.綠色化教學在有機化學實驗中的應用[J].大連工業大學學報（增刊），2014：1-3.

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

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

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

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

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

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