基于虛擬仿真技術的線上線下混合式教學模式在無機化學實驗中的應用

王 蓉，韋慶敏，覃利琴，覃其品

（玉林師范學院 化學與食品科學學院，廣西玉林 537000）

無機化學是化學學科最古老的分支，是化學學科的基礎，是其他化學科目的基礎課程，學好無機化學才能更好地掌握其他化學課程。而實驗課程是理論課程的一種延續和補充，是加強學生對理論知識的一個應用理解及動手能力的訓練，同時，實驗課程是培養學生實踐能力、發現問題和解決問題的能力，以及創新思維和創造能力的重要過程[1]。因此，實驗課程與理論課程同等重要，兩者相輔相成。無機化學實驗與理論課程的知識緊密相連，是無機化學課程的重要組成部分，該課程基本上是學生入學后所接觸的第一門實驗課程，主要鍛煉和培養學生最基本的實驗操作，為后續其他課程奠定基礎。然而隨著科技水平的進步，傳統的教學模式已經不能滿足當前社會的要求，也不符合當下學生的學情。因此對新的教學理念及教學方法也在不斷進行探索和革新，引進新的實驗教學手段具有重要的意義[2]。

1 傳統實驗教學存在的問題

傳統的無機化學實驗課程教學中，普遍存在以下幾個問題：

1）重理論輕實驗[3]。這種現象在大多數的實驗課程中都存在。不管是教師還是學生，都覺得理論課程比實驗課程重要。對于教師，大部分教師認為學好理論知識才是硬道理，實驗課程只是理論知識的驗證過程，實驗是次要的，因此備課和教學時更多地把精力傾注到理論課程中，且在成績評價方面，實驗課程的考核評定方式也比較隨意，通過率較高。對于學生，一方面由于實驗儀器及試劑的限制，學生在實驗過程中多是以小組進行，導致部分學生濫竽充數、渾水摸魚，像一個圍觀者一般，基本不參與到實驗中；另一方面由于教師在實驗課程的最終考核中要求較低，通過率高，自然導致學生的重視度降低。

2）教學模式守舊。目前，實驗教學中大部分的教師還是采用傳統的教學方式，即老師一人在黑板把實驗原理、實驗過程、注意事項和數據原理講一遍，之后給所有學生進行一次實驗操作演示，最后學生分小組自行完成實驗操作。這種傳統的教學模式教師為主導，學生為輔，教師基本是憑自己有限的經驗進行簡單重復的教學實踐，在對學生學習能力培養的過程中只重視對學生基礎知識和基本技能的訓練，而不注重對其思維能力和思維習慣的培養[4]。而長期以如此傳統單一的教學模式進行教學活動，也會導致學生的學習興趣低，主動性和積極性差，最終的教學效果并不好。

3）實驗課堂混亂[5]。實驗課堂基本是以小組為單位，導致有部分學生有渾水摸魚的心里，因此，雖然教師要求學生在實驗前要寫預習報告，但大部分的學生都是機械性的照抄教材上的內容，抄完就完成任務了，根本不去思考，有的甚至不去看里面的內容，導致對實驗原理及實驗步驟不熟悉。另一方面，雖然教師在課堂中都會進行實驗演示，但是教師在實驗演示時，并不能保證每位學生都能清楚地看到整個演示過程，而有些學生即使看清楚整個演示過程，也記不住全部的細節。因此學生在自己操作的過程中手忙腳亂，錯亂百出，出現各種錯誤操作甚至實驗意外，還有的學生完全不知道如何操作，無法順利完成實驗。

2 虛擬仿真教學的優點

虛擬仿真技術是綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等多種技術，通過構建一個逼真可視化的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗平臺[1]。目前虛擬仿真教學在高校教學中已普遍存在，它具有很多的優點，可以彌補傳統實驗教學中存在的很多問題[2，6]。

1）安全實惠。借助虛擬仿真實驗平臺，幾乎可以將實驗危險系數以及實驗成本降到零，是一種安全性高且經濟實惠的實驗教學手段。因此，對于傳統實驗活動中，由于擔心學生安全而不得不刪除的一些危險性實驗，或者由于實驗儀器設備昂貴而不能開展的實驗，完全可以借助虛擬仿真實驗平臺重新開展。因此，虛擬仿真實驗系統既提高了實驗的安全性，降低實驗成本，又能保證學生完整地掌握知識體系。

2）普及面廣。傳統教學中，由于實驗教學經費的限制，學校的實驗設備以及藥品試劑不足，學生進行實驗時多是以小組為單位，不能對每個學生進行全面的訓練和培養。通過引入虛擬仿真實驗平臺，可以使每個學生體驗實驗的全部過程，學生只要登錄虛擬仿真實驗系統，即可獨立開展實驗，因此實驗的訓練過程可以普及到每一個學生。

3）節能省時。一方面，由于虛擬仿真實驗平臺所用的設備及材料均為虛擬的，因此不會發生儀器的損壞和材料浪費的問題。另一方面，借助虛擬仿真實驗平臺，可以提高實驗效率，縮短實驗時間。這就有利于學生進行多次練習或者實驗失敗的學生重新進行實驗，使學生能更好地、真正地掌握實驗的原理和實驗操作過程，為其線下的實驗提供強硬的技術支撐。

3 虛擬仿真實驗教學在無機化學實驗中的應用

3.1 特殊實驗

將危險系系數高或者需要高貴儀器設備或藥品試劑的實驗稱為特殊實驗。在特殊實驗中，為保證學生的安全和實驗的順利進行，實驗的開展采用基于虛擬仿真實驗平臺的全線上方式進行。學生登錄虛擬仿真系統，通過平臺中的教學視頻學習實驗的原理和實驗步驟，觀看實驗操作視頻后，才用虛擬仿真系統獨立開展實驗，對于實驗中的疑問，可以通過網上查詢或者咨詢任課老師，教師在教室觀摩每個學生的學習和操作，學生實驗完成后，需要完成系統中相應的考核，作為平時成績的一部分。

3.2 普通實驗

對于一般的普通實驗，根據以往的教學經驗，學生很難自覺預習，即使預習了，有時候也不了解實驗的具體操作如何，或者某個實驗儀器如何實驗，對實驗步驟不熟練，到實驗時還是懵懵懂懂，手足無措，導致實驗耗時長，實驗失敗率高，而由于實驗課堂時間的限制，失敗后學生很難重新開始實驗，最后學生草草了事，實驗能力不能得到很好的提升，因此不能達到本門課程的培養目標。而虛擬仿真實驗也存在雙面性，其自身也存在一定的局限性，比如過度地強調虛擬仿真實驗教學，會導致學生的實際動手能力、發現問題和解決問題的能力受到限制，學生容易形成“高知低能”，也不利于學生的團隊合作精神的培養；此外，虛擬仿真實驗無法使學生切身體會真實實驗的視覺、嗅覺等方面的直接感官體驗[7]。針對這種現象，可以采取基于虛擬仿真實驗和實際課堂的線上線下混合式教學模式，在實驗操作開始前，學生先在虛擬仿真實驗系統對實驗原理實驗過程進行，之后在平臺對實驗操作進行多次練習，直到把對實驗操作熟練并得到合理的結果為止，最后學生需通過教師在虛擬平臺設置的考核，方能進行線下的實驗操作。線下在線下的實驗中，仍以傳統的實驗教學模式為主，幾個學生為一小組進行實驗，通過線上的練習后，學生對實驗熟記于心，在線下實驗中，可以操作得更加熟練，提高實驗的成功率和實驗的效率。

3.3 設計實驗

設計性實驗主要是開發學生的思維能力和創新能力，給定一個實驗目的，讓學生設計實驗方案，學生可以自行選擇儀器和藥品試劑，實驗方案不唯一。設計性實驗同樣采用線上線下結合的方式進行。一方面，學生設計好實驗方案后，先借助虛擬仿真實驗進行驗證，直到驗證成功后再進行線下實驗，這樣可以避免實驗設計不合理所產生的材料浪費問題和實驗安全問題。另一方面學生可以對多種方案進行嘗試和驗證，培養學生解決問題的能力和創新創造能力。

4 結束語

通過總結目前無機化學實驗教學中主要存在的問題，提出借助虛擬仿真實驗平臺，對特殊實驗采取基于虛擬仿真平臺的全線上教學方式，對普通實驗和設計實驗采取虛擬仿真平臺和傳統教學的線上線下混合式教學模式，為無機化學實驗課程改革提供參考。