關于物理化學實驗網絡教學的若干問題思考

蘇建宇

（武漢工程大學化學與環境工程學院 湖北·武漢 430205）

現代網絡與多媒體技術的快速發展，促使我國大學教學也正向網絡化和多元化的方向改革。[1]網絡教學平臺較傳統教學方式最顯著的優勢在于教與學均不受時間與空間的限制，教學資源共享。但是單一的網絡教學使得學生在虛擬環境中缺乏對事物的感知性認識，特別是理工科專業的實驗網絡教學，其弊端尤為明顯。物理化學實驗是高等學校化學、化工、環境、生物、材料等相關專業的必修實驗課程，是學生學習和研究物理化學原理與過程的重要途徑。[2,3]隨著網絡教學逐漸向傳統教學模式的滲透，[4]我們也一直在探索和思考如何發揮網絡教學平臺的優勢而避其短處，來促進物理化學實驗教學的改革與實驗教學水平的提高。

自新冠肺炎疫情發生以來，各高校開始停課，我校正位于疫情嚴重的武漢市，在“停課不停學”的號召下，我校全面開展了網絡教學，物理化學實驗課程也開展了首次的網絡教學與虛擬實驗的實踐。我們為環境、材料等專業的學生開設了“可逆電池電動勢的測定”“最大泡壓法測定正丁醇溶液表面張力”“蔗糖水解速率常數的測定”和“乙酸乙酯皂化反應動力學參數的測定”這四個實驗的網絡教學與虛擬實驗。在實驗課程的教學過程中，我們結合了“優學院”網絡教學平臺和MLabs 虛擬實驗室。具體教學過程包括：“優學院”平臺建課，建教學班級，發布實驗課程公告；在“優學院”平臺根據教學計劃進行每個實驗的操作前直播講解，講解內容包括實驗目的、原理、操作注意事項，數據處理要求；學生在MLabs 平臺進行實驗的虛擬仿真操作，數據記錄；規定時間范圍內完成實驗報告的撰寫，并在“優學院”平臺提交。

1 網絡實驗教學的優勢

從我們的網絡實驗教學實踐過程來看，網絡教學的最大優勢在于不受時間和空間限制，在實驗預習環節，其優勢尤為明顯。傳統的實驗教學模式下，學生的預習過程主要針對實驗課本，學生對儀器的操作、使用和具體的實驗步驟缺乏直觀的認識，提交的預習報告往往是對書本內容的照搬抄寫。這就造成預習過程起不到對實驗的真正預習效果，使得學生在實驗操作過程中仍然對實驗儀器和操作流程認識模糊，導致實驗效率低，實驗效果不明顯。而實驗網絡教學的預習環節，學生可以隨時進入Mlabs虛擬仿真實驗室進行對應實驗的操作練習，這個過程不僅可以較直觀的認識儀器設備，而且可以通過操作練習熟悉整個實驗過程，這種有效的預習環節可以大大提高學生對實驗的認識和理解。

另外，網絡虛擬實驗便于實驗內容與方法的更新換代。在傳統的實驗教學改革中碰到的最大難題便是實驗設備的更新，很多教學實驗室的儀器設備老化落后，已經不能滿足現代教學要求，但是高校實驗設備的更新往往需要經歷計劃預算、上報審核批準、招標采購的漫長過程，不利于實驗教學的改進。而虛擬仿真實驗的更新卻具有高的時效性，可以大大促進實驗教學的改革進程。并且虛擬仿真實驗縮短了實驗時間，在同樣教學時間內，學生可以進行更多內容的實驗操作，有利于提高學生對實驗的興趣和相關物理化學理論的理解。例如，傳統的電池電動勢測定實驗，由于教學時間有限，我們只要求學生測定三組電池的電動勢，而在虛擬仿真實驗中我們可以設計更豐富的內容，可以設計測定不同電解質濃度，以及不同溫度下的電池電動勢，并通過對能斯特方程的應用，更深入理解電解質濃度、溫度對電池電動勢的影響及相互關系。

2 網絡實驗教學的弊端

網絡實驗教學雖然具有如上所述的優勢，但不可否認其也存在某些弊端。目前，虛擬實驗最大的弊端就是對學生動手能力的培養還遠遠達不到要求，且目前虛擬操作多是通關型的設計，即正確完成前一步后才能進入下一步，這就規避了實際實驗過程中可能出現的各種問題，這當然不利于培養學生分析問題和解決問題的能力。另外由于虛擬實驗的數據是設計實驗時已輸入程序，因此學生的實驗數據單一，實驗數據不能體現學生的操作能力，同樣也不利于提高學生對實驗數據的分析能力。

3 對網絡實驗教學改進的思考

結合我們對傳統的物理化學實驗教學的經驗和對網絡實驗教學的實踐，我們認為目前物理化學實驗教學改革的方向應是網絡教學、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結合。具體來說，可以利用時間和空間靈活的網絡教學平臺及虛擬實驗室進行實驗前的教學過程，包括實驗講解、預習操作、網上問題討論等；經過網上預習過程后的學生按教學時間進入實驗室進行實際動手操作，數據記錄；完成真實實驗操作的學生再進入網絡教學平臺或虛擬實驗平臺進行實驗數據處理，報告撰寫與提交；老師進入網絡教學平臺或虛擬實驗平臺進行報告批閱與總結。整個教學過程既利用了網絡教學平臺的時空靈活性及虛擬實驗室的時效性，也結合了真實實驗操作對學生動手能力與分析解決問題能力培養的優勢。

當然如前所述的網絡教學、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結合，并不是現有模式的簡單加合，是改進后的有效結合和相互促進。一方面，網絡教學并不是傳統教學的網絡化。傳統教學模式中的“教”主要集中于老師灌輸式的講解，包括實驗目的、原理、實驗步驟，有時為了避免學生實驗失敗和數據處理錯誤，甚至花相當一部分時間對實驗注意事項和數據處理做非常詳細的講解與強調。其實這種灌輸式的講解尤其不適用于實驗教學，甚至違背了實驗教學初衷。物理化學的實驗課程既是其理論課程的補充，即學生通過實驗操作和數據處理可以更深入理解物理化學的理論知識和相關概念，也是對學生動手能力和實驗能力的培養，即學生通過實驗課程中的親自動手操作來提高實際動手能力，通過分析實驗數據來提高實驗分析能力。物理化學是化學相關專業學生的專業基礎課程，這些專業的學生畢業后大多會從事與化學相關領域的工作，這就要求我們要特別重視培養學生的實驗能力和科研素養，所以必須要摒棄傳統的灌輸式教學模式。在與網絡實驗教學方式相結合的過程中，線下的教學應該更傾向于引導式、疑問式，啟發學生帶著疑問進入網絡教學平臺的自主學習。為了充分發揮網絡資源豐富的優勢，教師針對一個實驗講授的內容更不能單一和固定，一個實驗可以有多種實施方法，可以引導學生靈活學習。

另一方面，在與傳統教學方式相結合的過程中，虛擬實驗也還有很多待解決的問題。目前很多虛擬實驗項目過程簡化現象比較嚴重，條件設置單一，并且虛擬實驗無法達到真實操作的效果，所以目前虛擬實驗只能作為預習操作或真實驗的補充。虛擬實驗在預習操作中的優勢非常明顯，較傳統的照著書本抄實驗步驟要更為直觀和形象，并且能提高學生對實驗的興趣。另外，虛擬實驗由于其時效性，因此可以作為真實實驗的補充。例如“乙酸乙酯皂化反應動力學參數測定”實驗，該實驗要測兩個不同溫度下的速率常數，然后再求該反應的活化能。在實驗室的教學過程中，我們發現該實驗的耗時長，往往會影響正常教學安排。如果該實驗設計為實驗室操作測定其中一個溫度的速率常數，然后通過虛擬實驗操作測定另一溫度的速率常數，這樣不僅能達到真實實驗操作的效果，也能大大提高時效，使學生在有限的時間內接觸更多的內容，提高實驗教學質量。同時，虛擬實驗的操作平臺應引入電子實驗報告和數據處理軟件，學生在完成真實實驗操作或真實實驗與虛擬實驗的結合模式操作后，可以直接在虛擬實驗平臺輸入實驗數據，并利用平臺的數據處理軟件進行數據處理，完成實驗報告后提交。

一直以來，在實驗課程的教學中，對學生的考核是一大難題。由于資源有限，實驗設備無法滿足學生單人操作，因此難以實現真正的考核。如果實驗教學中引入了虛擬實驗，那么可以通過設計多項實驗的考試操作模式，電腦隨機給每位學生安排考核實驗，考核實驗包括獨立的完整虛擬操作和實驗數據處理、分析與結果討論。由此可見，虛擬實驗的引入也將打破物理化學實驗考核的瓶頸，大大提高教學質量。

4 結語

綜上所述，物理化學網絡實驗教學具有其特有的優勢，教學過程不受空間和時間的限制，而且能有效提高實驗教學質量，并激發學生的實驗興趣，彌補實驗設備配置有限及更新滯后的問題。但是由于虛擬實驗無法代替真實的實驗環境和實驗操作，因此實驗教學改革的方向是網絡教學與真實實驗操作的結合。只有二者互相補充才能充分發揮各自的優勢，從而促進實驗教學的改進與提高，更好的培養學生實驗操作能力與分析解決問題的能力。