“虛擬實驗微課程”在“物理化學實驗”教學中的應用研究

茹婷婷 金石

摘??? 要：隨著現代信息技術的飛速發展和網絡資源的不斷豐富，將微課程和虛擬實驗引入到“物理化學實驗”教學中成為可能。文章以“蔗糖水解反應動力學”實驗為例，提出了一種“線上線下—虛擬實驗與微課程相結合”的“物理化學實驗”教學新模式，有效彌補了傳統實驗教學中存在的不足，解決了實驗儀器短缺、實驗存在安全隱患、實驗時間和地點受限等問題，激發學生對“物理化學實驗”的興趣，培養創新意識，提高實踐能力。

關鍵詞：“物理化學實驗”;教學模式;微課程;虛擬實驗

中圖分類號：G642????? 文獻標識碼：A????? 文章編號：1002-4107（2022）02-0076-02

“物理化學實驗”是化學實驗的一個重要分支，其特點是理論與實際緊密結合，是一門化學與物理學高度交叉的學科，在物理化學學習過程中實際上是運用物理學的方法解釋化學變化之間的相互關系[1]。隨著現代信息技術的飛速發展和網絡資源的不斷豐富，教育者不斷地探索將虛擬技術引入到實驗教學中，以解決化學實驗儀器短缺、實驗存在安全隱患、實驗時間地點受限等問題[2]。文章介紹了一種將微課程資源以及虛擬實驗引入到“物理化學實驗”教學中的教學方法，構建了一種“線上線下—虛擬實驗與微課程相結合”（簡稱“虛擬實驗微課程”）的

教學模式。

一、“物理化學實驗”教學現狀分析

（一）學生預習效果不好

學生在預習過程中沒有按照要求認真思考，存在“抄

書”情況。物理化學實驗步驟煩瑣、數據處理復雜，如果學生預習不充分，僅通過教師課上短時間的講解，不能充分地理解實驗原理及具體的實驗操作意義，導致其在實驗過程中出現“照方抓藥”和“依葫蘆畫瓢”的現象。其原因主要是實驗指導書中的原理和內容比較枯燥，缺乏趣味性和探索性，不能激發學生學習興趣。

（二）教學方法落后

傳統“物理化學實驗”教學模式為教師講解演示—實驗時教師輔導—實驗后上交實驗報告—教師點評實驗。由于“物理化學實驗”具有原理復雜、實驗操作煩瑣、數據處理難的特殊性，在實驗過程中一旦出現與預期實驗數據不同的情況，學生不能夠自主分析并解決問題。雖然教師能夠給予一定的輔導，但輔導具有滯后性，實驗數據與預期有很大差別，最終導致實驗失敗，從而打消學生參與物理化學實驗的積極性，甚至懼怕上“物理化學實驗”課。

（三）受學時限制

教師講解要占用一部分時間，若要在有限學時內完成實驗，教師就不能與學生有過多互動，否則會導致部分學生不能在規定學時內高質量完成實驗。以“蔗糖水解反應動力學”實驗為例，總學時4學時，需要進行3組平行實驗操作，由于實驗內容較多，導致實驗時間較緊張。在實驗過程中，學生首先要熟練使用旋光儀，并保證讀數的正確性，否則很難得到合理有效的實驗數據。其次課后對實驗數據的處理過程比較復雜，學生在課上要弄明白，不然整個實驗只得到數據而無法得到最終實驗結果。

（四）教師演示實驗受距離和角度的限制

化學實驗具有較強的動手操作性，而物理化學實驗需要利用中大型的儀器設備輔助完成實驗。教師在授課過程中除了需要講解實驗相關內容外，還需要演示實驗具體操作、實驗裝置搭建流程以及中大型儀器設備的使用方法。目前，各個高校每個自然班的人數約為30～40

人，由于學生人數較多，在不具備分班教學的條件下，教師在演示實驗過程中受到觀察距離和角度的限制，無法將整個實驗操作以及具體的細節操作清晰地展示給每位學生，導致學生在動手操作實驗過程中出現很多問題。

基于以上不足，文章以“蔗糖水解反應動力學”實驗為例，構建了一種“線上線下—虛擬實驗與微課程相結

合”的“物理化學實驗”教學新模式，即教師錄制講解微視頻，包含實驗目的、實驗原理、實驗步驟以及實驗數據處理等重要知識模塊，發送到網絡平臺供學生學習使用。學生遇到問題可以提前查閱相關資料或者通過微課程平臺與教師互動學習，使學生發揮學習主觀能動性;接下來，學生利用虛擬仿真實驗平臺進行相關實驗的操作練習，增加實驗預習過程的趣味性、交互性和操作性;然后，學生在教師指導下在實驗室完成實驗操作過程;最后，教師根據學生的預習情況、實驗室操作過程以及實驗報告進行考評。

二、“虛擬實驗微課程”教學模式的設計和實施

（一）線上微課程導學

教師根據具體實驗內容，錄制相關微課程，包括實驗原理的講解、實驗步驟以及操作注意事項等;學生對于難以理解和掌握的內容可以通過提前預習講解加深理解。教師在微課中可以給學生布置小任務，一方面檢驗學生的預習效果，另一方面激發學生的主觀能動性，使學生能夠提出一些問題，并通過查閱資料或者與教師探討，進行探究式學習。以“蔗糖水解反應動力學”實驗為例，針對實驗原理中出現的物質的光學性質以及如何判斷某一旋光性物質是左旋還是右旋的問題，學生可以通過自己查閱資料來學習。在實驗步驟中，為什么配制蔗糖溶液可以用粗天平進行稱量;在混合蔗糖溶液和鹽酸溶液時，為什么把鹽酸溶液加入到蔗糖溶液中去，如果把蔗糖溶液加入到鹽酸溶液中去，對實驗結果是否有影響，為什么？對于這樣的問題，傳統“物理化學實驗”課中都是教師讓學生簡單思考后講解答案的，而采用線上微課程導學可以給學生充分的時間進行思考，有助于激發學生學習主動性。

（二）學生利用虛擬仿真實驗平臺進行預習和操作練習

學生在觀看線上微課程之后，可以利用虛擬仿真實驗軟件進行相關的實驗操作。學生在手機或電腦上下載移動虛擬實驗室軟件，該軟件具有操作簡單、畫面立體生動、操作細節設計詳細的特點，利用該虛擬實驗平臺可以模擬實驗室實景和具體實驗操作流程。具體操作如下：通過點擊屏幕或利用鼠標移動進入移動虛擬實驗室，該軟件有練習和測試兩種模式，對于初學者可先進入練習模式，選擇“物理化學實驗”，點擊要預習的實驗項目，系統會自動載入所選的實驗并出現相關的虛擬操作界面。以“蔗糖水解反應動力學”實驗為例，具體的實驗操作包括：認識儀器、溶液配制、恒溫裝置調節、旋光儀零點校正、30℃時不同時刻蔗糖水解時旋光度的測定。在虛擬實驗練習過程中，如果遇到操作上的問題可以通過系統中“T”鍵進行提示。在操作過程中如果出現不正確的操作，系統會自動停止，直到操作正確，才會進入下一步操作。該軟件類似于“闖關游戲”，只有完成“關卡”，才能“解鎖”下一個“關卡”，具有很強的趣味性，提高了學生學習興趣。通過虛擬實驗的操作練習，能夠使學生進行“身臨其境”的實驗操作，更好地掌握實驗流程以及操作注意事項，為順利完成線下實驗室操作做好準備。

（三）線下實驗室操作

化學實驗作為化學學習的一個重要組成部分，在任何情況下都具有重要且不可取代的地位。即使現在已經有了先進的虛擬實驗操作系統，在手機或電腦上就可以完成實驗操作以及實驗數據處理并得出相應結果，但線下實驗室操作環節仍是不可缺少的，因為在實際動手操作過程中會遇到很多問題，這是在線上固定操作系統中不會出現的隨機問題。化學實驗具有不可預測性，正是這種不可預測性才會使人們在科學技術上取得進步，所以學生需要在線下實驗操作過程中發現問題、解決問題，提高實踐動手能力，培養創新精神。

（四）評價考核

傳統實驗成績的評定主要由預習報告、學生實驗操作情況以及實驗報告的撰寫三部分構成。傳統預習報告是以紙質的形式上交，所以大部分學生都是以“抄書”形式進行預習，沒有進行深入思考，不善于發現和解決問

題，對于在預習過程中遇到的問題不能充分發揮學習主觀能動性去解決[3]。引入微課程教學以及虛擬實驗操作系統后，對于學生綜合成績的評定更加客觀，學生實驗成績由課前預習、虛擬實驗操作、實驗室操作完成情況以及實驗報告綜合評定構成，對于教師不可控的課前預習也變得可以定性評價。

文章通過分析傳統“物理化學實驗”在教學實踐過程中存在的不足，提出了“虛擬實驗微課程”教學模式，該教學模式在實踐過程中取得了較好的教學效果，使學生不再被動地、機械地操作實驗，有效激發了學生學習的自主

性、積極性，提高了學生在“物理化學實驗”教學中的參與度，對于提升學生實驗綜合素養和培養創新思維具有重要意義。

參考文獻：

[1]? 焦雨蒙，高曉曉，魏本宏，等.基于VR的沉浸式虛擬實驗室設計研究[J].數字教育，2020，6（4）：38.

[2]? 申文竹，安維岳，劉麗，等.基于虛擬仿真技術的熱分析實驗教學探索與實踐[J].化學教育（中英文），2020，41（22）：84.

[3]? 張海軍，閆瓊，張睿，等.虛擬仿真實驗項目建設質量評價研究[J].實驗技術與管理，2020，37（9）：174.

■ 編輯∕陳晶

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