物理化學虛擬實驗微課程教學模式改革

茹婷婷，劉杉杉

（吉林建筑大學 基礎科學部，吉林 長春 130118）

隨著網絡技術和信息技術的不斷進步，在教育教學領域利用教育技術手段開展教學正在蓬勃發展。在此背景下虛擬實驗微課程應運而生，虛擬實驗與微課程的有機結合具有課程時間短，不受地點限制，知識點精煉，實驗操作可視化等優點。物理化學實驗是高校化學、化工等專業的一門基礎課程，是化學的理論基礎。其學科特點是應用物理的原理和方法研究化學中最基本的規律和理論，其研究過程中需要掌握多種相關儀器的操作和使用，要求學生不僅能夠深入理解理論知識，還能將理論知識應用于具體實驗過程中，遇到問題能夠運用所學知識有針對性地分析和解決問題，從而提高綜合實驗能力。本著培養高質量、具有較強綜合實驗能力的新世紀人才的目標，將虛擬實驗微課程引入到物理化學實驗課教學中，在開展實驗教學過程中，根據實驗類型的不同和學習者對基礎知識以及實驗技能的掌握程度，可以有針對性地設計并實施實驗，選擇合適的教學模式，以達到良好的實驗教學效果。

一、物理化學虛擬實驗微課程的教學設計目的

（一）提高學習者的綜合實驗能力

虛擬實驗微課程以提高學習者的實驗操作、分析問題和解決問題的能力為目標。在微課程的教學過程中以實驗內容設計為核心，針對不同類型的實驗，開展不同的教學模式。結合微課程實驗內容微型化的特點，在實驗教學設計過程中充分保證實驗操作的完整性，在合理分配教學資源、探索新的實驗教學模式的基礎上，以實驗為重心。在微課程學習過程中，學習者在微課程資源的輔助下能夠自主完成指定的學習任務、順利完成實驗操作并解決實驗中遇到的問題，從而提升學習者的綜合實驗素養。

（二）優化實驗教學過程

物理化學虛擬實驗微課程的設計過程主要包含四方面：制定教學目標、分析學習者特點、分析教學內容需求、選擇合適的教學模式。課程的開展以學習者為主體，充分發揮其主觀能動性，合理安排教學過程，在短時間內實現實驗目的、實驗原理和實驗內容的透徹講解，使學習者能夠對實驗內容理解并掌握。通過開展微課程有效縮短課堂講解實驗相關基礎知識的時間，為動手操作實驗留有充足的時間，有利于學習者在動手操做實驗過程中遇到問題有時間進行思考，及時與教師溝通探討；對于實驗操作有誤的同學，也能夠在糾正錯誤后，再次進行實驗操作。實驗課堂上不再是傳統的“照書抓藥”式的操作方式，學習者是在充分掌握實驗原理、內容的基礎上開展實驗，實驗過程中不斷積極思考，遇到問題有時間與教師和同學開展小組討論，及時解決問題，達到良好的學習效果。

（三）激發學習者學習興趣

利用微課程短小、精煉的特點，預習過程不占用學習者固定的時間，學習者可以利用碎片的時間進行實驗預習。微課程中的視頻、音頻等資源為學習者提供形象、生動的實驗操作以及講解方式，利于學生理解和掌握實驗基本知識。對于預習環節中遇到的問題，學習者利用網絡互動平臺與教師互動，也可以與實驗小組人員研究與探討，充分發揮學習的主觀能動性，有針對性地進行預習和學習。培養學習者發現并解決問題的能力、增強團隊協作能力、提高創新意識與創新能力。利用化學虛擬實驗平臺可以解決傳統實驗教學中昂貴設備缺乏、實驗儀器不足、實驗課時有限及實驗項目固定化等問題。基于化學虛擬實驗平臺，可以與學科發展前沿相結合開展綜合性實驗、設計性實驗以及探索性實驗，從而深化理論教學，提高實驗教學水平，激發學生探索學科新知識、新領域的興趣。

二、物理化學虛擬實驗微課程的設計原則

（一）虛擬實驗微課程的設計應具有針對性

虛擬實驗微課程的設計以學習者能夠自主開展有效學習和深入學習為目的。學習者根據自身特點和學習需求，利用微課程的導航系統，可以有針對性地選擇學習資源，節約學習者時間，避免重復學習某些已經掌握的知識。在學習過程中學習者對不懂的知識點進行針對性學習，從而完善相關知識體系，提高學習效率。在虛擬實驗微課程的輔助下，結合實驗室中動手操作實驗，從而完成整個實驗的學習過程。

（二）虛擬實驗微課程的設計具有關聯性

虛擬實驗微課程的設計是以單個知識模塊為主，但是這樣的設計存在一個弊端，如果整個知識體系沒有一個大致的脈絡，那獲得的知識體系缺乏整體性、關聯性。因此在設計過程中要對物理化學實驗過程中所涉及的相關知識點進行橫向結構化，基于此構建虛擬實驗微課程體系。學習者不僅能夠對實驗過程中涉及的相關內容進行縱向的深入學習，還能夠對實驗相關知識進行橫向延伸，將所學知識點聯系起來，形成一個完整的知識體系。

（三）虛擬實驗微課程的設計具有互動性

虛擬實驗微課程的教學過程不是獨立教學視頻的簡單匯集，在教學過程中要重視師生之間的互動與溝通，這樣虛擬實驗微課程教學才能起到良好的教學輔助作用。在虛擬實驗微課程的設計過程中，不僅包含了相關的教學資源，還要具有學生與教師之間溝通、互動的應用平臺。除了教學視頻外，還要包括相關的實驗原理講解、實驗知識點的小測試、對實驗結果進行分析并將結果通過平臺系統反饋給教師，從而構成一個完整的虛擬實驗微課程教學體系，發揮出虛擬實驗微課程的教學實效。

三、物理化學虛擬實驗微課程的教學模式研究

（一）一體化教學模式

通過開展綜合性實驗，引入一體化教學模式。以草酸根合鐵（Ⅲ）酸鉀組成的確定與性質表征綜合性實驗為例，該實驗涉及無機化學、有機化學、分析化學和物理化學相關基礎理論知識，需要綜合運用化學分析、熱分析、電荷測定、磁化率測定及紅外光譜法等性質表征的方法和手段。相關的化學理論知識借助微課程平臺呈現給學生，學生利用化學虛擬實驗平臺完成實驗模擬過程。該教學模式不受時間和空間限制，提高學生綜合運用理論知識和實驗技能的能力，建構完整的知識體系，從多方面、多維度培養學生綜合分析能力和動手實踐能力。

（二）研究式教學模式

利用化學虛擬實驗平臺開展探索性實驗，引入研究式教學模式。在化學實驗教學中，結合我校教師近年來的科研項目以及大學生創新創業項目，2017-2020 年開展了低溫燒結基板用SiO2-BPO4/LMZBS 玻璃陶瓷的制備與研究，多孔g-C3N4/鐵錳氧化物復合材料的制備及其對重金屬吸附氧化性能的研究等科研項目。學生基于以上科研項目，自選實驗題目，進行實驗設計、完成實驗操作以及熟練實驗儀器的操作，對實驗結果進行分析。研究式教學模式能夠將教師的科研與教學有效結合，使學生在學習理論的同時與實際應用相結合，實時了解學科發展趨勢與動態，在提高教學質量的同時還能夠減輕實驗經費不足等壓力。在研究性實驗開展過程中，利用化學虛擬實驗平臺使學生能夠“身臨其境”地探索和操作實驗，有利于培養學生動手操作能力、協作協調能力以及科研創新能力，激發學生自主學習，提高學生創新意識。

（三）開放式教學模式

通過開展第二課堂，引入開放性實驗，有效彌補了化學課堂教學時間、上課地點以及課堂形式單一等不足。物理化學是一門理論性較強的學科，而物理化學實驗原理難理解、涉及儀器多，數據處理復雜，僅通過一次實驗課不能夠較好地理解和掌握實驗原理、操作及數據處理等，更不利于學生創新意識和發散思維的發展。我校在2018 年課內實驗項目利用氣相色譜法測定混合物中苯、甲苯和乙苯的含量，通過了解氣相色譜分析基本原理，掌握氣相色譜操作技術，利用面積歸一化法進行定量分析。在第二課堂中采用開放式教學模式，學生利用所掌握的基礎知識，自行設計實驗方案。例如利用氣相色譜法測定空氣中的甲醛含量，在化學虛擬實驗平臺上進行模擬操作。開放式教學模式不受時間、空間限制，通過多次操作實驗儀器，熟練掌握基本實驗技能、大型精密儀器的使用及注意事項，密切關注學科前沿發展動態，拓寬學習者視野，提高科研創新能力。

（四）漸進式教學模式

由于不同學院、不同專業物理化學學科教學目標存在差異化，通過開展分級實驗，制定不同層次的實驗內容，采用漸進式教學模式，有針對性地開展適合不同專業學生的教學活動。我們將實驗項目分為三級，第一級主要以開展基礎實驗為主，包括物理化學基礎實驗和儀器分析基礎實驗兩部分，例如恒溫槽操作、溶解熱的測定、蔗糖水解反應速率常數的測定、金屬相圖等，主要目標是要求學生掌握物理化學基本分析技術和實驗方法，培養學生動手操作能力。在基礎實驗基礎上，開展第二級綜合實驗，例如分子篩催化正己醇脫水制備正己烯、原子吸收分光光度法測定水果中的微量元素、熒光分析法測定食品防腐劑苯甲酸含量等，以培養學生分析問題、解決問題能力。第三級開展設計實驗，在掌握物理化學實驗相關實驗操作、實驗原理基礎上，教師給定實驗項目選題，學生自行設計實驗方案，教師審閱方案后，學生開展實驗。已經開展的設計性實驗電動勢法測定熱力學函數、仲丁醇脫氫催化劑活性和選擇性的測定等都已經取得較好的教學效果。通過漸進式教學模式，實現了在基礎實驗基礎上，開展綜合性實驗、設計性實驗等高階實驗，培養學生創新實踐能力。

（五）個性化自主教學模式

個性化自主學習模式適合理論基礎好和動手能力強的學習者。個性化自主學習模式以學習者為中心，教師提供學習者相關學習資料和信息，學習者根據教師提供的課題開展學習過程，主要包括學習相關研究資料、以小組形式開展實驗設計、實施實驗及對實驗結果進行分析討論。該教學模式不僅能夠培養學習者自我學習能力，還能夠使其掌握多元化的學習方式。在個性化自主學習過程中，不再以教師講授為主，而是將實驗相關的原理、內容、操作方法以提綱的形式提供給學習者，并借助各種微課程資源及網絡學習資源展開自我學習的過程。學習者可以根據自己水平對任務清單中的內容進行重難點分析。對于自己不太熟悉的部分有針對性地進行深入學習，對于已經能夠掌握的部分可以用較少的時間和精力進行學習。對于這種個性化自主教學模式，可以充分調動學習者的主觀能動性，使學習者能夠根據自身特點自主調適學習策略，在學習過程中真正做到“有的放矢”。該教學模式適用于學習習慣良好，實驗基礎扎實的學習者，能夠激發學習興趣，有利于提高綜合實驗能力。

（六）混合式教學模式

傳統的實驗教學模式是課前學習者根據實驗指導書對實驗目的、實驗原理及實驗內容等進行預習，課上根據教師的指導進行具體的實驗操作、觀察記錄實驗現象及分析實驗結果。但是物理化學實驗的特點是需要借助相關的分析儀器完成實驗，而在學習者預習過程中，由于受實驗條件、實驗場地和師資不足等條件限制，幾乎不可能為學習者提供實驗預習環境，這樣就不能達到實驗預習效果。

以微課程為主的混合式教學模式主要針對實驗儀器缺乏，以及實驗藥品有危險性，不適合開展學生實驗的情況。融入微課程的混合式教學模式，不受實驗儀器、藥品以及空間限制，學習者借助微課程的動態視頻功能不僅可以有效解決預習過程中實驗操作不直觀、分析儀器的構造及使用方法不具體等限制，還能夠利用虛擬實驗軟件操作完成具有危險性的實驗以及大型儀器設備的使用；學習者在預習和實驗過程中遇到問題，可以通過微課系統軟件及時將信息反饋給教師。教師根據反饋信息，適當調整教學活動，以達到更好的教學效果。該教學模式是對受到安全性、設備不足等限制無法開展的實驗的一種補充，有利于學習者嘗試不同類型的實驗、接觸大型儀器設備的使用、開拓化學視野、增強學習興趣。

四、物理化學虛擬實驗微課程的應用實效

（一）促進教學觀念的改變

通過虛擬實驗微課程平臺的建設與應用，改變了傳統物理化學實驗課程以“講授-接受”和“演示-模仿”為主的模式。通過實驗課堂教學模式的多樣化，有效解決了物理化學實驗課堂理論內容枯燥乏味、難以理解，儀器設備操作繁瑣、難以掌握等問題。教師不再是實驗課堂主體，充分發揮學生的主體地位，激發學生對物理化學實驗課的興趣和學習積極性，解決理論內容更新滯后、與實際應用脫軌、跟不上科技發展進步等問題，促進化學實驗教學內容、模式和方法改革，提高實驗教學效果，實現培養創新型人才為根本目標。

（二）解決化學實驗受時間空間等的限制

物理化學虛擬實驗平臺是基于校園網平臺上建立的，學生可以在校內有網絡的地方進入實驗平臺進行操作，不同于傳統的化學實驗室，只有在實驗室開放期間學生才能進入實驗室做實驗，提高了實驗學習的方便性。對于操作危險性較高、所用試劑毒性較大的實驗也以講述為主，利用虛擬實驗平臺可以模擬進行危險度高、試劑毒性大的實驗，激發學生學習興趣，提高動手實踐能力。對于大型精密儀器的操作、使用以及注意事項等學習內容，可以通過虛擬實驗平臺實現，解決了教師在展示過程中學生受距離和角度等因素限制看不清楚的問題，最大程度實現了教育資源的公平化。

（三）理論與實踐有效結合

物理化學課程的發展與實驗技術的發展是密不可分的，利用虛擬實驗技術實現人機交流、虛擬與現實相結合，實現教學模式多樣化，提高教學效果。通過虛擬實驗環境，熟練實驗操作，掌握實驗技術，應用實驗儀器，有效加深學生對理論知識的認知，增加對實驗操作的熟練程度，從而提升理論知識的學習效果；反過來，通過對理論知識的深入學習和熟練運用，有助于提升學生實驗操作技能，加強綜合素質教育。

（四）教學以學生為主體

實驗教學不再以教師講授、演示為主，教學模式發生了改變，以學生為主體，充分發揮學習者的主觀能動性。物理化學虛擬實驗微課程結合大學生的認知特點和認知心理，充分發揮學生的主體地位，激發學習者的學習熱情和對新知識的渴望。學生對實驗方案的設計、動手操作能力以及創新實踐能力在虛擬實驗中得到發展和提高，學習者能夠感受到實驗學習所帶來的成就感、滿足感，尤其是主動參與開放式教學的學生，當自己設計的實驗方案能夠實現并有效解決實際問題時，學生的學習熱情高漲，很大程度提升學習者的參與度、動手操作能力、實踐創新能力。

（五）共享網絡資源，提升教學合作

虛擬實驗微課程具有共享性和開放性。利用物理化學虛擬實驗平臺，開展了物理化學網絡課程建設，基于互聯網開放性和共享性的特點，實現了虛擬實驗課程的開放和共享。通過授權的學生或學校可以進入虛擬實驗系統進行實驗操作，參與者可以進入同一個實驗項目協作完成任務，也可以分別選擇不同的實驗項目進行獨立操作，撰寫并提交實驗報告，對教學以及實驗操作過程中發現的問題進行及時反饋。利用網絡系統的開放性，不同專業、不同學院、不同院校共享虛擬實驗網絡教學資源，提升教學交流與合作。

（六）提升教師的教學能力

化學虛擬實驗平臺的應用和建設對教師教學能力、科研水平提出了更高的要求，教師不僅要鉆研物理化學實驗課程的相關知識、操作技能、儀器使用等，還要熟練掌握虛擬實驗系統的技術原理，能夠解決學生在虛擬實驗模擬過程中遇到的問題，這對化學實驗教師在計算機技術水平、網絡協調能力等方面提出了新要求。在虛擬實驗平臺建設的推動下，教師積極參與相關技術培訓活動、查閱相關資料、總結實驗教學成果，促進教師教學水平、實驗業務能力以及科研能力的不斷提升。

五、結束語

物理化學虛擬實驗微課程平臺的建設是一個不斷發展并逐步完善的過程，在日后的教學工作中，需要總結教學經驗，發現不足及時改善，不斷提高科研水平，從科研項目中提取具有針對性、代表性的課題引入到實驗教學中，不斷更新、擴展相關實驗內容。虛擬實驗微課程的開展有助于學習者綜合實驗素質的提高、知識遷移能力的增強和實驗創新能力的提升。在實驗教學過程中，教師要關注對微課程自身的評價和教學效果的評價，通過學生的反饋及時對教學方案進行修改。教師應根據實驗者的學習能力和實驗項目的特點來制定相應的微課程教學策略。物理化學虛擬實驗微課程的教學模式需要在不斷的實踐和探索中進一步優化。