COVID-19疫情下虛擬仿真化學實驗開放教學模式探究和實踐

王軍鋒 費菲 聶迎春 李連慶 梁攀

摘? 要：新冠疫情爆發(fā)期間為響應“停課不停教”的號召，迅速展開虛擬仿真化學實驗的研究和實踐。研究線上實踐教學的規(guī)律和模式，對照課程大綱和教學目標，遴選專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺，用創(chuàng)新教學設計落實線上實驗教學方案。實踐表明特殊時期虛擬仿真化學實驗教學模式可行和有效，也將會是常態(tài)下化學實驗教學的重要補充，助力實現真實實驗中一些難以完成的教學功能。以虛擬仿真技術為支撐，以傳統實驗教學與虛擬仿真實驗平臺共同建設為抓手，可以帶動化學實驗教學示范中心的全面建設。

關鍵詞：新冠疫情;“停課不停教”;虛擬仿真技術;化學開放實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）05-0030-04

Abstract： During the outbreak of the COVID-19 epidemic， in response to the call of "suspend classes but keep teaching"， the research and practice of virtual simulation chemistry experiment were carried out rapidly. This paper studies the rules and patterns of online practice teaching， selects professional virtual simulation experiment teaching platform according to the curriculum outline and teaching objectives， and implements online experiment teaching innovation scheme with the new teaching design. The practice shows that the virtual simulation chemistry experiment teaching mode is feasible and effective in the special period， and it will be an important supplement to the normal chemistry experiment teaching， helping to realize some difficult teaching functions in the real experiment. With the support of virtual simulation technology and the joint construction of traditional experiment teaching and virtual simulation experiment platform as the key initiatives， the comprehensive construction of chemical experiment teaching demonstration center can be increasingly promoted.

Keywords： COVID-19 epidemic; "suspend classes but keep teaching"; virtual simulation technology; reform and open of chemical experiment teaching

2020年注定是不平凡的一年。一場突如其來的COVID-19疫情，讓春季高校正常的教學、科研工作遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，針對COVID-19肺炎疫情的影響，教育部要求春季學期大學生延期返校，并印發(fā)了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》《關于在疫情防控期間有針對性地做好教師工作若干事項的通知》等指導性文件，其中的核心是希望各級各類學校，能克服困難，做到“停課不停教、不停學”。

陜西學前師范學院化學實驗教學示范中心（ Chemical Experiment Teaching Demonstration Center）是一家省級教學師范中心，承擔著化學化工學院及相關理科學院化學實踐教學的主體任務。該中心也正在開展著以學生為中心，以應用型人才的培養(yǎng)為主旨的各項實踐教學模式的創(chuàng)新活動;承擔著化學實驗示范中心開放實驗運行模式研究的各項課題。面對疫情化學示范中心上下一致，積極響應教育部號召、學校各項要求，以“疫情倒逼創(chuàng)新、困難促進改革”的理念，加快了也已開展的化學實驗在線開放教學改革的步伐。加快創(chuàng)新實驗教學模式研究，實施信息化實驗教學管理，以更加開放和多元方式開展實踐教學是落實實踐教學。本周解決“停課不停教”的關鍵目標，創(chuàng)造性尋找解決問題的著力點。

通過采用專業(yè)的化學實驗虛擬仿真模擬平臺，輔之以在線的直播加線下學習群落，建立了在疫情期間開展化學實驗教學的創(chuàng)新、開放也便捷的實踐教學新模式。該模式經過近一個學期的實踐，證明具有一定的實用性，也收到了良好的效果。

一、線上教學組織與實施

（一）統籌謀劃，精心部署

化學實驗中心評估了學生不能按期返校情況下實踐教學開啟面臨的問題和困難，深入分析教師和學生在疫情仍然嚴峻的形勢下教和學的準備度狀態(tài)，特別研究了將實踐教學大面積的轉移到線上開展的可行性。在深入分析和調研的基礎上，制定了系統的線上教學工作方案，包括教學資源的調配、硬件設施的保障、技術指導、條件保障等。并迅速對相關老師、教輔人員及教學管理人員做了動員和部署，通過“我在校園”智慧管理平臺和電話通知到每一位學生。

（二）協調資源，科學配置

無論理論教學還是實踐教學，都面臨一個學生不能返校，如何實現線上教學的問題。為了保證任課教師在短時間內迅速掌握相關教學平臺的使用方法，中心組織承擔實驗課教學任務的老師參加了多個教學平臺如中國大學慕課、學堂在線智慧樹等平臺使用的培訓;提供了包括騰訊會議系統、騰訊課堂、QQ、微信等多個教學互動平臺供教師在教學中選用，有力的保障了“停課不停教”的順利實施。

二、線上實驗教學的謀劃和開展

（一）基于實踐課程要求 遴選專業(yè)虛擬仿真平臺

相對于線上理論教學而言，需要操作訓練的化學實驗該如何進行教和學，一下子成了老師、學生甚至是家長關心的問題，也是最有價值的探究的領域。化學實驗教學師范中心承擔化學化工學院化學及應用化學2個專業(yè)和生科院2個專業(yè)共計15門實驗課程，涵蓋基礎實驗、綜合實驗及創(chuàng)新和設計等幾乎所有層級的實驗。在系統梳理春季學期化學實驗教學后，對現有化學實驗專業(yè)虛擬仿真平臺進行比對，精心篩選最契合的虛擬仿真平臺。發(fā)現微瑞科技化學虛擬仿真實驗平臺與中心當下的實驗開設的需求最為匹配。以其U系列三維虛擬化學仿真實驗為例。其主要的功能包括：[1]

1. 知識原理模塊

主要介紹與該實驗相關的知識，包括但不限于儀器原理、儀器結構、實驗操作方法和相關注意事項等。

2. 實驗演示、模擬和考核模式

該軟件提供虛擬實驗的演示、模擬和考核等不同模式，并且在整個實驗過程中可以在不同模式之間無縫自由切換。在演示模式中，系統自動執(zhí)行虛擬實驗演示操作方法。在學習模式中，通過打開提示，可以根據詳細的步驟提示、3D物體上的燈光閃爍引導對于實驗操作步驟進行學習，完成虛擬實驗。在考核模式下，操作者在沒有提示的情況下獨立完成整個實驗。

3. 考核和評估系統

系統預設標準和實驗數據，根據學生模擬進展，對照規(guī)范操作標準進行打分和計時，并會在實驗結束時報告詳細的信息。在不通過管理平臺修改設置的情況下，系統按照預先設定的默認方式進行打分和計時。按照默認的規(guī)則，每個小步驟如果在完全沒有提示的情況下（即考核模式）進行操作則不扣分;如果查看了文字提示，則扣分;如果查看了燈光閃爍提示也扣分;如果打開演示模式演示了任何一個小步驟或者大步驟，則嚴厲扣分。

4. 多樣化的菜單界面

系統菜單有“全屏”“皮膚”“退出”和“幫助”四個選項;教學菜單中有“實驗目的”“實驗原理”“儀器介紹”以及實驗相關的其它介紹，每個實驗的具體內容有所不同;信息中會顯示實驗進行時實驗室內的溫度、氣壓及濕度等相關要求。同時還有一個調整視角的菜單通過初始視角、實驗視角、儀器視角、輔助視角、放大視角、縮小視角等，可以將人物和視野快速移動至合適的狀態(tài)。

（二）聚焦教學目標 多措并舉 多元化在線實驗教學

根據實驗教學大綱的要求，任課教師參照虛擬平臺上實驗的資源信息，結合學生和課程實際情況，針對性制定各個課程的線上教學方案，做到“一課一案，一班一策”，要求、標準不降但方式方法可以不同。

首先，教學計劃根據新的教學模式進行更新。化學實驗中心要求各個課程小組組織線上討論，充分發(fā)揮集體智慧進行課程重塑，形成創(chuàng)新線上實驗教學課程設計方案。每周一討論，在正式開課一周前，提交下周的網絡課程上課計劃。盡量做到提前設計，實踐中不斷優(yōu)化。所有的實驗教師需要根據新的教學模式重新編撰教學教案、課堂設計及學員講義，以期讓教學內容與全新線上模式相匹配，并力求在實踐中不斷優(yōu)化調整。

其次，與中心確立的虛擬仿真實驗軟件開發(fā)公司積極聯系確定項目內容，開通虛擬仿真實驗項目的權限。并對這學期承擔實驗教學任務的老師組織全員培訓，以保證每位老師能自如運用平臺的各項使用功能開展線上教學，將平臺賦予的各項潛能最大化的發(fā)揮出來。對老師線上教學能力，特別是線上與學生互動技巧及線上“翻轉課堂”授課能力進行強化培訓，并建立專項技能討論組群進行經驗分享，很快大家的這項能力在實戰(zhàn)中都得到快速的提升。

另外，在豐富教學資源方面，除了依托化學實驗虛擬平臺的數據資源，主動將近年來化學實驗中心在教學過程中積累的教學視頻資料儲備投入使用，并積極搜尋合適的網上資源不斷豐富資料庫。引導老師將虛擬實驗、網上課程資源及原始視頻資料交叉使用，既豐富了教學內容，也激發(fā)了對混合式實驗教學模式的大膽嘗試。

三、線上教學的模式創(chuàng)新

（一）將資源效能最大化，線上與線下相融合，形成在線教學的閉環(huán)

疫情期間為了確保“要求不變，標準不降”的總體原則，依據實驗課程的大綱要求，在教學設計上進行重塑，將創(chuàng)新教學模式實施落地。以教學目標為指導，依托虛擬仿真實驗平臺，充分利用微信學習群落，騰訊會議直播工具將學校效果不斷提升。在具體實施中探索不同平臺在教學活動中可以發(fā)揮的作用，用最恰當的方式完成最合適的教學內容，將資源效能最大化。在后期基本針對每個平臺都進行了清晰的定位。如虛擬平臺進行課堂演示效果很好，但是用這個平臺進行實驗原理、目的的講解就顯得很呆板;同時在學生開始平臺模擬前就利用騰訊會議等直播平臺進行實驗原理、重點及難點的講解就顯得很高效;而輔導答疑、重難點指導、作業(yè)反饋則在微信群落里效果就特別好。據此將多種平臺潛能發(fā)揮，與教學各個環(huán)節(jié)匹配，讓學習過程在線上也能形成完整的閉合循環(huán)，讓線上實驗課創(chuàng)新模式在一次次實驗實訓中日趨完善。

（二）以學生為中心，人機交互，使教和學在線上也渾然天成

1. 以學生為主體，激發(fā)學生的學習熱情

虛擬仿真給到一個很好的師生互動的平臺。特別是把實驗原理、目的這些枯燥文字形式轉變成動畫，同時又把復雜儀器內部結構顯現化，直觀化，讓儀器內部結構不再是神秘的黑匣子。[2]尤其是Flash動畫呈現方式，及隨著授課進展隨時暫停開啟討論模式，激發(fā)了學生的參與感。巧妙運用這些“激發(fā)學習興趣”的因素，極大調動了學生的學習熱情。

2. 人機交互，實驗模式多樣和階梯式設計，循序漸進

虛擬仿真平臺上學生除了完成常規(guī)實驗之外，學生還可以自己搭建實驗裝置。[3]選擇試劑和實驗條件，設計實驗流程，模擬實驗環(huán)境，完成實驗。通過對實驗結果的分析來評估實驗室操作時的條件，流程及環(huán)境是否恰當。這樣一個回顧性評估使學生獨立思考問題、分析解決問題以及創(chuàng)新能力都得以提升。

3. 多重互動，師生教與學的粘度在提升

由于線上模擬時間有更廣泛的自由選擇空間，課表上教學時間可有全部用于線上交流研討。無論騰訊會議的集體直播，還是課前、課后在微信群、QQ群落的互動，都提升了教學中師生互動的頻次和質量。其中直播互動是整體性對所有學生進行重點、難點的提示;而學習群落中的互動則是利用碎片時間個性化的輔導。內容包括答疑、重點強化、難點研討及思考題反饋，以全面解決學生的疑難、重點的強化及關鍵操作上點撥。

在教學過程中，還會邀請平臺工程師作為技術顧問，及時解決平臺使用過程中遇到的技術問題。與服務商約定“隨需隨叫，隨叫隨到”，以保證學生全天候學習的需求和學習過程的連續(xù)性。

（三）充分發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺優(yōu)勢，促進綠色實驗室全面開放

1. 打破時空限制，實現“實驗室”全面開放

仿真實驗軟件可以放到校園局域網上，后臺匹配賬號和密碼。師生在疫情期間，雖然時空有差距，但只要有網絡，無論是電腦端還是智能手機端，都可以即時進行實驗操作，師生互動。沒有了實驗室固定場所的限制，沒有了嚴苛環(huán)境的要求。學生可根據自身的時間安排、多次反復的到平臺上完成實驗。同時還能做到根據學生的興趣愛好和培養(yǎng)方案的更高層次要求，有針對性的選擇一些實驗項目開放給完成基本學習任務的學生。這些學生一旦獲得授權，利用其賬號和密碼，如同完成常規(guī)實驗一樣，登錄仿真實驗平臺，完成高階實驗的所有內容。這種打破時空的全方位開放，給因材施教或者說根據學生的個體狀況，進行定制化實驗，提供了各種可能，也會推動教師教學方法的創(chuàng)新。

2. 高性價比的綠色實驗方案

虛擬仿真模式，開放實驗到更廣闊的時空，學生不受地域環(huán)境、時間限制，使在相同時間內，為更多學生提供實驗機會;這不但大大減少了耗材的使用，還節(jié)約了巨大的人力成本，使教學成本降低，實現了高性價比解決問題方案。

傳統化學實驗中心各學科實驗涉及到很多化學試劑，有些甚至是有毒有害的，如“原子熒光法分析土壤中砷鉛汞”實驗中重金屬對人的劇毒，也會對環(huán)境造成巨大的污染;有機化學實驗各種有機試劑都有強致癌物質，無論是對師生健康還是對環(huán)境的污染都是嚴重的;實驗過程中排放的“三廢”不可避免的對環(huán)境造成污染;儀器分析實驗的各種大型儀器在實驗操作中都或多或少存在危險與不安全隱患。將這些實驗搬到虛擬仿真模擬平臺上模擬，通過計算機鍵盤和鼠標就可以完成實驗，實現藥品零投入，毒物零接觸，污染物的零排放。可以說在源頭上杜絕了污染的產生，避免了潛在不安全隱患，實現了高性價比綠色教學。

3. 多種形式開展綜合創(chuàng)新實驗

虛擬仿真實驗平臺提供了開展綜合性、創(chuàng)新性實驗的新選擇。利用軟件設計的便捷性，針對性的對實驗模塊進行調整，很容易衍生出各種創(chuàng)新、綜合性實驗項目，在不確定性增加的情況下，讓學生探索最理想的方案，以此培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新能力。這一功能及其帶來的獲益和化學實驗中心一直以來強調的“一體化、三層次、一拓展”的實驗教學模式非常契合。這里的一體化是指以培養(yǎng)應用型人才為宗旨，提升綜合素質為核心，追求知識、能力、方法和價值觀的協同發(fā)展;三層次中，第一層次——基礎實驗是重在基礎、夯實根基;第二個層次——綜合性實驗是著力于能力提高、科學素質的養(yǎng)成;第三個層次——設計實驗，旨在培養(yǎng)化學科學研究方法和創(chuàng)新能力。一個拓展是著力培養(yǎng)學生自主研究的綜合能力。虛擬仿真實驗平臺在推進設計創(chuàng)新實驗中開辟新的、高效率的一個路徑，值得大力提倡和推動。

4. 線上實驗教學管理自動化

化學實驗模擬平臺各項功能的開放和利用，可以實現完整的教學管理環(huán)節(jié)。系統詳細記錄學生學習完成的過程，包括針對某個實驗模擬時間，模擬次數，實驗成績;學生可利用系統平臺進行實驗報告的撰寫和提交;教師可以利用平臺評分和批改。系統提供實驗考試管理和實驗考試模塊，并總體對實驗成績進行匯總等，實現實驗教學的閉環(huán)管理。

四、虛擬仿真化學實驗教學局限及后續(xù)發(fā)展

（一）虛擬仿真化學實驗教學中所存在的問題

1. 虛擬仿真實驗教學在全面達成教學目標上的差距

虛擬仿真模式即使使用在線3D模式，無論模擬的如何逼真，總是和眼見為實的現場實物有一定的差別。如仿真中，學生主要是以軟件操作的形式進行，即使學生出現操作不當導致的事故及其后果也僅限于系統軟件中既定的嚴重警告，沒有實物損壞和現場危險場景的強烈刺激感。所以學生在操作中，即使出現很嚴重的問題，也不以為然，導致學生對危險狀況的認知，危險狀況的預警和防范意識比較薄弱。同樣的原因，在某些學科如化工實驗需要對設備、工藝及控制有較高的目標要求時，可能達不到培訓的要求。[3]

2. 虛擬仿真實驗對操作技能培養(yǎng)還有欠缺

總體來說，虛擬仿真模擬實驗模式，由于用鍵盤鼠標方式控制實驗設備，其對實驗原理、方法及流程的培訓其效果是明顯的，但對有些需要訓練學生實際操作技能的實驗則效果欠佳。與之對應，由于缺乏現場實際操作，對現象觀察、判斷及因此而期望提升的學生分析問題、解決問題的能力，效果也會下降。

例如分析化學實驗模擬中，由于相關數據為系統預設，這降低了學生對數據分析判讀及后續(xù)數據處理及對實驗誤差的分析判斷能力。

3. 仿真軟件設計中存在的缺陷

仿真軟件是由相關的專業(yè)人員根據實驗教材、講義或實際情況來進行開發(fā)的，在開發(fā)過程中，所遵循的原則很難完全契合到實踐教學大綱目的和要求，有些還只是照搬了教材上實驗目的、原理及操作流程，很難做到實際教學活動中根據學生實際技能水平因材施教或有針對性的及時調整。同時軟件的開發(fā)需要各個專業(yè)的人員共同完成，在完成和調試過程中，難免會出現一些問題，包括軟件設計中一些理論和操作流程的錯誤，如不能及時糾正，會讓學生在操作中按照錯誤的操作和理解進行，造成嚴重誤導。

（二）虛擬仿真在實踐教學中的發(fā)展趨勢

1. 虛擬仿真軟件迭代更新速度加快

虛擬仿真實驗背后的支撐是新生代的軟件不但的推陳出新，這是由IT業(yè)的特征所決定的。虛擬仿真實驗平臺和所有的在線教學模式一樣，在疫情過后將會迎來一個快速的發(fā)展期。依托對實驗需求的多元化和更高的要求，在加上軟件迭代更新本身就很快，虛擬仿真實驗平臺模式將迎來好的發(fā)展。為了彌補其與真實實驗室場景效果的差別，3D技術的運用及VR技術的加入將會其顯現出勃勃生機。同時多樣化的表現形式，如3D及VR技術將使操作更為直觀、有趣，界面更加友好。

2. 虛擬仿真高性價比，將其與傳統實驗教學相融合，促進創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)

由于虛擬仿真實驗模式的高性價比、多樣化設計、快速發(fā)展，傳統以驗證為主的實驗方式將面臨挑戰(zhàn)。按照既定的實驗步驟、嚴格按照操作規(guī)程一步一趨的實驗方式，其訓練的能力必然會和虛擬仿真實驗平臺訓練學生能力進行有效的區(qū)隔。這意味著虛擬仿真模擬實驗將會和傳統實驗教學相融合，進入常規(guī)實踐教學序列，作為有益和必不可少的補充，一起來促進創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)。

五、結束語

實踐表明應急狀態(tài)下虛擬仿真化學實驗教學模式將會是常態(tài)下化學實驗教學的重要補充，其打破時空的便利性、低風險、低污染、綠色化、線上管理的自動化及靈活創(chuàng)新性，可以實現實驗實景難以完成的教學任務和目標。據此作者認為，以虛擬仿真技術為支撐，以傳統實驗教學與虛擬實驗教學共同建設為抓手，加強虛擬仿真實驗平臺的建設，將帶來化學實驗室實踐教學革命性的改變。

參考文獻：

[1]北京微瑞集智科技有限公司.微瑞U系列三維虛擬仿真軟件使用手冊[Z].

[2]劉來玉，陳晨，董焱，等.虛擬仿真實驗教學助推雙創(chuàng)教育的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（12）：128-131.

[3]周凱，侯國安，馬少寧.化工仿真在本科教學中的探索與實踐[J].化學工程與裝備，2017（12）：343-345.