虛擬仿真實驗在《分析化學(xué)》實驗教學(xué)中的實踐

趙明蕊

河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校藥學(xué)系，河南新鄭 451191

分析化學(xué)是一門實驗性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，隨著科技的進(jìn)步，新儀器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，常用大型分析儀器在分析化學(xué)實驗課程教學(xué)中具有舉足輕重的作用[1-5]，而大型分析儀器設(shè)備成本高，人員培訓(xùn)和設(shè)備維護(hù)成本高[6-7]，實驗儀器少，而傳統(tǒng)的化學(xué)分析實驗中化學(xué)試劑用量大，易對環(huán)境造成一定的污染[5-9]。為更好為學(xué)生服務(wù)，促進(jìn)《分析化學(xué)》實驗教學(xué)質(zhì)量的全面提高，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，本研究對河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校（我校）2018級藥學(xué)專業(yè)《分析化學(xué)》線下實驗教學(xué)和2019級藥學(xué)專業(yè)《分析化學(xué)》虛擬仿真實驗教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析和評估，以期為虛擬仿真教學(xué)在相關(guān)課程中的應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

我校2018級、2019級藥學(xué)、藥品生產(chǎn)等專業(yè)共1200余名學(xué)生學(xué)習(xí)《分析化學(xué)》課，本研究對象隨機(jī)選擇2018級藥學(xué)專業(yè)二大班和2019級藥學(xué)專業(yè)二大班學(xué)生各90例，共180例作為研究對象，這兩個班級的學(xué)生均為普招學(xué)生，基礎(chǔ)知識相對較好，具有代表性。學(xué)習(xí)平臺為超星學(xué)習(xí)通。

1.2 方法和觀察指標(biāo)

2018級藥學(xué)專業(yè)《分析化學(xué)》實驗課在線下進(jìn)行，主要有課程簽到、實驗預(yù)習(xí)情況、實驗操作、實驗報告等活動。評價指標(biāo)以每次課程學(xué)生簽到人數(shù)、實驗預(yù)習(xí)情況、實驗實際操作、實驗報告的完成情況等幾個指標(biāo)為評價標(biāo)準(zhǔn)，各教學(xué)活動成績的具體占比為：課程簽到5%、實驗預(yù)習(xí)情況20%、實驗實際操作60%、實驗報告15%，按照以上比例匯總學(xué)生總成績，考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2019級藥學(xué)專業(yè)《分析化學(xué)》虛擬仿真實驗課在線上進(jìn)行，主要有課程簽到、實驗預(yù)習(xí)情況、虛擬仿真實驗操作、實驗報告等活動。評價指標(biāo)以每次課程學(xué)生簽到人數(shù)、實驗預(yù)習(xí)情況、虛擬仿真實驗操作、實驗報告的完成情況等幾個指標(biāo)為評價標(biāo)準(zhǔn)，各教學(xué)活動成績的具體占比為：課程簽到5%、實驗預(yù)習(xí)情況20%、虛擬仿真實驗操作60%、實驗報告15%，按照以上比例匯總學(xué)生總成績，考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2019級藥學(xué)專業(yè)評價指標(biāo)和各教學(xué)活動成績的具體占比與2018級藥學(xué)專業(yè)相同。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 學(xué)生課程簽到 2018級藥學(xué)專業(yè)分析化學(xué)實驗教學(xué)采用線下進(jìn)行，實驗教學(xué)過程中學(xué)生是否來上課，由班干部在課前進(jìn)行點名，確定學(xué)生是否進(jìn)行實驗。2019級藥學(xué)專業(yè)分析化學(xué)實驗教學(xué)采用網(wǎng)上進(jìn)行，實驗操作采用模擬仿真軟件進(jìn)行操作，為準(zhǔn)確掌控學(xué)生是否進(jìn)行實驗，教師每次課前10 min，發(fā)布簽到通知，提醒學(xué)生10 min后課程開始，請同學(xué)們做好準(zhǔn)備，學(xué)生收到信息后進(jìn)行簽到操作。

1.3.2 實驗預(yù)習(xí)情況 2018級藥學(xué)專業(yè)分析化學(xué)實驗教學(xué)常用線下進(jìn)行，學(xué)生進(jìn)行實驗前提交實驗預(yù)習(xí)報告，教師根據(jù)預(yù)習(xí)報告評分標(biāo)準(zhǔn)，見表1，對學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況進(jìn)行評定。2019級藥學(xué)專業(yè)采用網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)，學(xué)生通過超星學(xué)習(xí)通平臺上傳手寫的實驗預(yù)習(xí)報告，教師根據(jù)預(yù)習(xí)報告評分標(biāo)準(zhǔn)，見表1，對學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況進(jìn)行評定。

表1 實驗預(yù)習(xí)報告評分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 實驗操作 2018級藥學(xué)專業(yè)分析化學(xué)實驗采用線下進(jìn)行，學(xué)生按照操作規(guī)范和要求進(jìn)行實驗，學(xué)生實驗操作情況通過教師在實驗室巡視，根據(jù)學(xué)生的實驗操作正確與否、熟練情況、學(xué)習(xí)態(tài)度等進(jìn)行評定。成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。2019級藥學(xué)專業(yè)采用網(wǎng)絡(luò)模擬仿真實驗教學(xué)，模擬實驗結(jié)束，學(xué)生的實驗?zāi)M操作評定由虛擬仿真實驗操作軟件內(nèi)置程序中的實驗操作評定標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生操作情況自動進(jìn)行評定。成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。

1.3.4 實驗報告 2018級藥學(xué)專業(yè)采用線下實驗教學(xué)，2019級藥學(xué)專業(yè)采用網(wǎng)絡(luò)模擬仿真實驗教學(xué)，不論采用實際操作化學(xué)實驗還是模擬仿真化學(xué)實驗，實驗結(jié)束后，學(xué)生均須提交實驗報告，教師根據(jù)實驗報告評分標(biāo)準(zhǔn)評定學(xué)生該次實驗，見表2，成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。

表2 實驗報告評分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 學(xué)生簽到情況

2019級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生簽到的情況結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，發(fā)布簽到信息后，學(xué)生能夠及時簽到。2019級學(xué)生簽到情況與2018級藥學(xué)學(xué)生簽到情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，2019級簽到情況100.00%（90/90）優(yōu)于2018級學(xué)生94.44%（84/90），說明學(xué)生對虛擬仿真實驗教學(xué)更有興趣。

圖1 學(xué)生課程簽到情況

2.2 學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況根據(jù)學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報告體現(xiàn)出來，根據(jù)表1所示評分標(biāo)準(zhǔn)，2018級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生預(yù)習(xí)報告得分情況見圖2；2019級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生預(yù)習(xí)報告在網(wǎng)上提交，得分情況見圖3。2018級和2019級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況比較見圖4，2019級學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)報告與2019級學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)報告相比差別不大，在一定程度上說明，網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中學(xué)生實驗預(yù)習(xí)的和線下教學(xué)基本相同。

圖2 2018級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

圖3 2019級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

圖4 2018級和2019級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況比較注：1優(yōu)秀；2良好；3中等；4及格；5不及格；系列1指2018級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況；系列2指2019級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

2.3 實驗操作

線下實驗教學(xué)過程中，教師先介紹實驗?zāi)康摹⒃怼嶒灢僮鞑襟E及注意事項，然后學(xué)生分組進(jìn)行動手實驗。學(xué)生在教師指導(dǎo)下了解分析工作的流程：試樣的制備，樣品的溶解，分析方法的選擇，溶液的配制，實驗儀器的準(zhǔn)備，實驗裝置的搭建，分析儀器的選擇，分析結(jié)果的記錄和處理等。通過實際操作掌握一個樣品在現(xiàn)實中的實際運(yùn)作情況。學(xué)生按照操作規(guī)范和要求進(jìn)行實驗，學(xué)生實驗操作情況通過教師在實驗室巡視，根據(jù)學(xué)生的實驗操作正確與否、熟練情況、學(xué)習(xí)態(tài)度等進(jìn)行評定。成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。

模擬仿真實驗操作中，實驗流程完全參照實操進(jìn)行，從學(xué)生拿到樣品、選擇實驗儀器，實驗的前處理，儀器設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，直到完成實驗，整個流程按照真實實驗操作過程進(jìn)行訓(xùn)練。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)在虛擬仿真實驗操作軟件指導(dǎo)下，了解分析工作的流程。通過模擬仿真操作熟悉一個樣品在現(xiàn)實中的實際運(yùn)作情況。事先教師將評定標(biāo)準(zhǔn)置入軟件中，模擬實驗結(jié)束，學(xué)生的實驗?zāi)M操作評定由虛擬仿真實驗操作軟件內(nèi)置程序中的實驗操作評定標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生操作情況自動進(jìn)行評定。成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。2018級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生實驗操作情況見圖5，2019級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生實驗操作情況見圖6，說明利用虛擬仿真實驗操作，學(xué)生實驗操作成績有較大程度的提高。

圖5 2018級學(xué)生實驗操作評分

圖6 2019級學(xué)生實驗操作評分

2.4 實驗報告

學(xué)生實驗結(jié)束，需提交實驗報告。實驗報告的評定標(biāo)準(zhǔn)包括實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒瀮x器及藥品、實驗內(nèi)容和步驟，數(shù)據(jù)處理及結(jié)果、誤差計算及分析等。由于在實驗開始前的預(yù)習(xí)報告中已考察過實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒瀮x器及藥品、實驗內(nèi)容和步驟等事項，所以實驗報告將重點考察數(shù)據(jù)處理及結(jié)果、誤差計算及分析等。教師根據(jù)實驗操作評分標(biāo)準(zhǔn)評定學(xué)生該次實驗操作，成績評定等次為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。不及格學(xué)生要重新進(jìn)行實驗，直至及格。2018級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生實驗報告成績分別見圖7，2019級藥學(xué)專業(yè)學(xué)生實驗報告成績見圖8，2018級（平均74分）和2019級（平均95分）學(xué)生實驗報告書寫情況比較見圖9，說明模擬仿真教學(xué)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖7 2018級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

圖8 2019級學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況

圖9 2018級和2019級學(xué)生實驗報告書寫情況比較

3 討論

分析化學(xué)實驗線下教學(xué)方式是教師先介紹實驗?zāi)康摹⒃怼嶒灢僮鞑襟E及注意事項，然后學(xué)生分組進(jìn)行動手實驗。學(xué)生按照教師的講解進(jìn)行實驗，雖然有利于師生互動交流[10-15]，但學(xué)生對知識的理解還是以教師講授為主，學(xué)生要對化學(xué)反應(yīng)原理或儀器工作原理進(jìn)行抽象的想象，沒有機(jī)會獲得感性認(rèn)識，模擬仿真軟件有助于學(xué)生對抽象知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高學(xué)生實驗操作優(yōu)秀率。模擬仿真軟件有助于讓學(xué)生有一個感性認(rèn)識，其次熟悉工作原理和操作流程，即使沒有實際進(jìn)行操作，學(xué)生再操作起來也更容易上手。模擬仿真實驗使學(xué)生們得到鍛煉，在發(fā)現(xiàn)問題，解決問題過程中完成對所學(xué)知識的積累[16]。

虛擬仿真實驗可以在網(wǎng)絡(luò)上共享，打破了教學(xué)設(shè)備及實驗條件的局限性，不受空間和時間的限制[9-10]，彌補(bǔ)實驗教學(xué)中實驗儀器的不足和化學(xué)試劑對環(huán)境的污染，虛擬仿真實驗只需要提供電腦或一部手機(jī)，和系統(tǒng)軟件的支持即可進(jìn)行操作，減少了學(xué)生因?qū)嶒瀮x器不熟悉在實際操作中對儀器的損壞，便于學(xué)生對知識的理解[17]。學(xué)生隨時隨地可以進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)和虛擬仿真操作練習(xí)，整個過程綠色環(huán)保安全，而且可以重復(fù)操作[18]。實驗教師也可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度及對相關(guān)知識的理解和掌握，從而提高教學(xué)效果[19]。

綜上所述，分析化學(xué)模擬仿真實驗通過計算機(jī)對實驗整個操作流程進(jìn)行模擬，使學(xué)生可以提前了解實驗流程，掌握實驗操作，熟悉實驗技能，為實驗教學(xué)提供了新途徑。分析化學(xué)模擬仿真實驗作為一種新的教學(xué)工具，具有再現(xiàn)和模擬真實情景的功能。能夠?qū)⒊橄蟮闹R形象地展示出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，啟發(fā)學(xué)生思維，對提高實驗教學(xué)效果具有不可替代的作用。它可以解決因儀器短缺，操作危險等實驗條件的限制，還可以節(jié)約資金、時間、空間，增強(qiáng)了學(xué)生對《分析化學(xué)》實驗的理解，開闊學(xué)生眼界，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也有利于教師改進(jìn)教學(xué)方法，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)提供了新途徑，是分析化學(xué)實驗教學(xué)必要的有益補(bǔ)充。