手機端化學(xué)實驗仿真教學(xué)軟件的實踐及探索*

何 燕，曾慧婷，曾星星

(1 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005；2 長沙醫(yī)學(xué)院，湖南 長沙 410219)

近年來，化學(xué)及其分支學(xué)科在生命科學(xué)，材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此許多高校為拓寬學(xué)生的專業(yè)領(lǐng)域已將其列為相關(guān)專業(yè)的公共必修課。但由于化學(xué)是以實驗為重點的學(xué)科，想要有效地利用化學(xué)分析法來獲得所需信息，就必須經(jīng)過嚴格的實驗訓(xùn)練，特別是非化學(xué)類專業(yè)學(xué)生，而高超熟練的實驗技能是獲得精確實驗數(shù)據(jù)的必要和先決條件。

針對于傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)模式，近年來教育及科研工作者已提倡線上線下相結(jié)合的混合式實驗教學(xué)模式[1-3]。目前國內(nèi)外開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化學(xué)仿真實驗平臺[4-6]已逐步走入本科及以化學(xué)類專業(yè)為主的職業(yè)院校，成為學(xué)生主要的學(xué)習(xí)工具，但對于經(jīng)費投入及實驗室規(guī)模有限的非化學(xué)類專業(yè)高校來說，PC端進行仿真化學(xué)實驗教學(xué)卻難以實現(xiàn)，如設(shè)備資源投入量大、學(xué)習(xí)地點受限、實驗課時量少、操作界面難度大等因素。因此開發(fā)手機端仿真教學(xué)平臺具有重要現(xiàn)實意義，特別是為部分偏遠地區(qū)電腦和實驗耗材缺乏的學(xué)生創(chuàng)造了時時可學(xué)、處處可學(xué)的機會。本文根據(jù)高校非化學(xué)類專業(yè)化學(xué)實驗課程的特點，以手機端化學(xué)仿真軟件為例進行了實驗教學(xué)實踐及探索，期望通過實踐為手機端仿真教學(xué)平臺在各高校的化學(xué)實驗遠程線上教育建設(shè)上發(fā)揮作用。

1 化學(xué)實驗教學(xué)存在的問題

在實驗室建設(shè)與管理方面，當前高校實驗室特別是以非化學(xué)類專業(yè)為重點的實驗室，其實驗安全環(huán)境、建設(shè)條件、環(huán)保教學(xué)體系遠遠不如本科以化學(xué)類專業(yè)為主的職業(yè)院校健全，部分實驗管理人員甚至并非來自化學(xué)類專業(yè)，加上學(xué)生的化學(xué)知識及安全責(zé)任意識欠缺、自我防護和環(huán)保意識匱乏等問題，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故時有發(fā)生。

在課程教學(xué)實施方面，高校學(xué)生大多數(shù)缺乏學(xué)習(xí)的熱情，理論課上難免覺得枯燥、乏味從而失去興趣，因此現(xiàn)場理論課堂教學(xué)效果不理想，實驗教學(xué)質(zhì)量則更加難以保證。而在傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)中，通常由教師或?qū)嶒瀱T事先準備好實驗中所需要的藥品及試劑，調(diào)試好儀器，課堂上教師向?qū)W生講解實驗內(nèi)容、演示實驗過程，隨后學(xué)生進行實驗。在此過程中我們不免發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生理論根基不穩(wěn)，預(yù)習(xí)不徹底，對將要做的實驗不熟悉，進入實驗室后僅依靠實驗講義進行實驗，有些學(xué)生甚至不能明確各個實驗試劑的具體用途。此外，為響應(yīng)國家政策，目前各高職院校面向全社會擴招，實驗教學(xué)師生基本比例在1:20以上，因此教師在課堂上很難照顧到每一名學(xué)生，加上課堂時間和空間的局限性，學(xué)生并未及時記住并理解教師的講解或操作演示，難以掌握基本的操作規(guī)范。部分學(xué)生在實驗報告中照抄講義，甚至抄襲他人實驗數(shù)據(jù)，忽略了實驗的嚴謹性和真實性。

2 手機端仿真軟件的化學(xué)實驗教學(xué)實踐

為解決上述問題，以非化學(xué)類專業(yè)化學(xué)實驗教學(xué)為例，引入北京歐貝爾公司今年研發(fā)的手機app版仿真軟件對化學(xué)實驗課程教學(xué)模式進行了實踐和探索。

2.1 手機app版實驗室安全知識仿真教學(xué)

根據(jù)最新教高廳文件精神[7]，無論是教學(xué)實驗室還是科研實驗室都應(yīng)該加強實驗人員的安全意識和承擔(dān)安全責(zé)任、預(yù)防安全事故的基礎(chǔ)性工作，因此學(xué)生在開展實驗之前都必須進行實驗室安全知識培訓(xùn)，提高他們的安全和防護意識。

手機app版實驗室安全知識仿真教學(xué)包括個人防護安全、化學(xué)實驗室安全及應(yīng)急演練(圖1)，主要培訓(xùn)內(nèi)容為進入實驗區(qū)域以后的個人防護措施及行為準則、對自身所處環(huán)境的確認、實驗室安全隱患的排查、實驗中突發(fā)火災(zāi)狀況的應(yīng)對，如佩戴好防護裝備；學(xué)習(xí)實驗室安全管理制度；確認洗眼器、水電開關(guān)、安全出口等位置；處理停水停電、火災(zāi)、水銀泄露、化學(xué)品灑出等常見事故。

圖1 實驗室安全知識仿真教學(xué)界面

手機app版仿真軟件依據(jù)實驗室實際布局搭建3D模型，將實驗場景移植到手機上，展示了實驗室的真實情況。在具體的操作流程中系統(tǒng)可模擬實際操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明，按實際實驗過程完成交互，以極具親和性的游戲闖關(guān)模式進行仿真教學(xué)。學(xué)生可利用碎片時間通過軟件上的操作進行學(xué)習(xí)，進一步熟悉安全基礎(chǔ)知識、了解實驗室實際實驗環(huán)境、增強安全防范意識、提高異常事故處理水平，在仿真實驗舞臺上自主發(fā)揮的同時不僅調(diào)動了自身思考和動手能力，也增強了學(xué)習(xí)的趣味性。

2.2 手機app版化學(xué)實驗仿真教學(xué)

乙酸正丁酯的制備及沸點的測定是經(jīng)典的綜合性化學(xué)實驗，重點除講解有機酸酯的制備原理及方法，還要求學(xué)生掌握蒸餾、回流、洗滌、萃取、干燥等操作技能。按照常見教材上乙酸正丁酯制備方法開展實驗，存在耗時長、產(chǎn)率低、資源浪費、安全系數(shù)低等不足，學(xué)生在實驗過程中積極性不高、安全和環(huán)保意識薄弱，使得最終的教學(xué)效果不如預(yù)期效果理想。

手機app版化學(xué)實驗教學(xué)涵蓋了實驗預(yù)習(xí)與操作演練兩部分內(nèi)容，其中實驗預(yù)習(xí)包括了儀器試劑的認知及選擇、反應(yīng)裝置的搭建、實驗原理的展示和涉及的防護措施及消防知識(圖2)。在制備乙酸正丁酯仿真教學(xué)中，將涉及到的理論和安全知識落實到具體操作中，如分水器、冷凝管和分液漏斗的使用；蒸餾與分餾裝置的搭建；回流與分液的操作；硫酸的配制與冰醋酸等實驗藥品的介紹。通過題庫練習(xí)與3D動畫相結(jié)合的方式將單一化延伸為多元化，層層遞進引導(dǎo)學(xué)生去思考如何做實驗、為何做實驗，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)他們的化學(xué)思維和素養(yǎng)。

圖2 實驗仿真教學(xué)界面

2.3 手機app版有機化學(xué)課程在線考核

目前隨著信息化教學(xué)技術(shù)的推進及優(yōu)化，各校的線上課程考試已成為趨勢。而常規(guī)的化學(xué)實驗評分依據(jù)主要取決于學(xué)生實驗后提交的實驗報告，這往往很難客觀地評價他們的實驗操作能力，最終驅(qū)使學(xué)生“輕過程，重結(jié)果”。因此需要改良常規(guī)的實驗考核方式。

手機app版化學(xué)課程考核包含了實驗安全知識考核、化學(xué)理論知識考核以及虛擬仿真實驗考核。安全及理論知識考核支持多題型、不同難易度、題目及候選項順序隨機，通過題庫學(xué)習(xí)、模擬自測、錯題練習(xí)等環(huán)節(jié)鞏固了學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識；虛擬仿真實驗考核全程無操作引導(dǎo)，實驗結(jié)束后，系統(tǒng)會即時給出評分并反饋錯誤，真正提升了學(xué)生的實驗水平。系統(tǒng)中提供的智能化試卷分析和統(tǒng)計結(jié)果輸出等功能也為學(xué)生和教師提供了電子化存檔(圖3)，教師通過實時掌握仿真軟件使用情況，可有針對性地開展科學(xué)高效的仿真教學(xué)及考核。此外，手機端實驗室安全仿真教學(xué)給每個實驗操作都配有實驗簡介和操作手冊，因此還可用于實驗室相關(guān)人員的實驗安全仿真測試。

圖3 課程考核統(tǒng)計界面

2.4 手機app版仿真實驗教學(xué)評價

針對現(xiàn)行實驗教學(xué)模式和考核方式挑選出419位非化學(xué)類專業(yè)學(xué)生，在實驗教學(xué)結(jié)束后對其進行教學(xué)效果評價(表1)。從評價結(jié)果中可以看出，86%的學(xué)生認為通過手機app版仿真教學(xué)方式對其學(xué)習(xí)實驗課有很大幫助，91%的學(xué)生對考核模式表示滿意，95%的學(xué)生表示支持此類教學(xué)模式。我校有機化學(xué)實驗教師們對此也提出了寶貴意見，比如可將現(xiàn)有模式替換為微信公眾號或QQ游戲大廳等類似平臺，平臺內(nèi)設(shè)置不同的實驗入口，避免每一個實驗都安裝一個軟件，節(jié)省操作時耗和手機內(nèi)存。

表1 手機端仿真實驗教學(xué)效果評價

續(xù)表1

3 結(jié) 語

通過手機app版仿真軟件將虛擬仿真技術(shù)移植到手機端，解決了PC端設(shè)備資源投入量大、學(xué)習(xí)地點受限、操作界面難度大等難題，讓課程資源惠及到更多的學(xué)生，不僅節(jié)約教學(xué)資源，打破時空限制，同時，在教學(xué)過程中積累的大數(shù)據(jù)分析也為教師了解教學(xué)效果、改進教學(xué)方法提供了真實可靠的依據(jù)。目前手機端實驗教學(xué)平臺尚未完善，如移動端儀器分析實驗教學(xué)，由于工作站參數(shù)的修改在后臺難以實現(xiàn)設(shè)置而導(dǎo)致研發(fā)受阻，加上手機端界面較小，顯示內(nèi)容有限，畫面清晰度和運行速度對手機配置有要求，在部分功能上相對于PC端具有一定局限性，其利弊之處也為高校手機端實驗教學(xué)提供了參考。