計(jì)算機(jī)技術(shù)在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革中的應(yīng)用＊

尹志華 ,張 媛

（1.甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與環(huán)境工程系，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州 730070）

21 世紀(jì)是信息化的時(shí)代，計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已深入應(yīng)用于各行各業(yè)。近些年來，計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已被廣泛應(yīng)用于高等教育中，例如多媒體課件、微課、慕課、虛擬技術(shù)等[1-2]，但在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)應(yīng)用程度較低，大部分應(yīng)用集中在多媒體課件講授環(huán)節(jié)，學(xué)生參與程度低，無法真切感受到計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用以及信息技術(shù)帶給化學(xué)實(shí)驗(yàn)的變革。本研究列舉若干個(gè)計(jì)算機(jī)技術(shù)在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，供實(shí)驗(yàn)課老師開拓思路，能夠切實(shí)將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，讓學(xué)生真切感受到計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)更符合現(xiàn)代化技術(shù)的復(fù)合型化學(xué)人才。

1 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用

1.1 掌握Origin、MathType、ChemOffice 等化學(xué)繪圖及數(shù)據(jù)處理軟件

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過冗長(zhǎng)的計(jì)算，甚至作圖才能得到最終的結(jié)果，學(xué)生不僅要熟練掌握計(jì)算、繪圖方法，還要學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并作出符合要求的圖表。學(xué)會(huì)常用的一些數(shù)據(jù)處理軟件及化學(xué)專業(yè)軟件，例如ChemDraw、MathType、Origin 等，是當(dāng)代每位同學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能必不可少的一項(xiàng)基本技能[3]。

Origin 是由OriginLab 公司開發(fā)的一個(gè)科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，在各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用來處理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、信號(hào)分析、曲線擬合等，并輸出符合學(xué)術(shù)規(guī)范的各類圖表，是化學(xué)科技人員進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及繪圖必須掌握的一個(gè)軟件。

MathType 是一款專業(yè)的數(shù)學(xué)公式編輯工具，可以用它來編輯及在文檔中插入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和符號(hào)，也可以用來編輯化學(xué)反應(yīng)方程式，該軟件是編輯化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子文檔必備的軟件之一。

ChemDraw 是一款專業(yè)的化學(xué)繪圖軟件，使用者可以用它來繪制各類復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)方程式、化工流程圖及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置圖等，同時(shí)還可以用來預(yù)測(cè)化合物的屬性、光譜數(shù)據(jù)等，該軟件能極大幫助化學(xué)學(xué)科相關(guān)工作及科研人員進(jìn)行電子數(shù)據(jù)的整理工作。

除以上提到的三款軟件外，其他軟件如SPSS、Matlab、PhotoShop、CorelDraw 等也經(jīng)常被用于化學(xué)報(bào)告冊(cè)的數(shù)據(jù)及圖表處理，近些年來，隨著化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科的不斷融合，涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件，例如GraphPad Prism，Sigmaplot，Adobe Illustrator，Hyperchem 等。

1.2 編寫特定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的計(jì)算軟件

對(duì)于一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)，可通過編寫特定的計(jì)算軟件，迅速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 是作者設(shè)計(jì)的一個(gè)鹽酸溶液標(biāo)定的計(jì)算軟件，代課教師只需將滴定體積輸入該程序，可立即生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能迅速判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確。圖2 是強(qiáng)酸與強(qiáng)堿反應(yīng)的摩爾焓變測(cè)定實(shí)驗(yàn)的計(jì)算軟件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入該軟件后，可立即顯示外推作圖的結(jié)果以及最終的計(jì)算結(jié)果，代課教師可及時(shí)判斷學(xué)生數(shù)據(jù)是否合理，有效輔助課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1 鹽酸溶液的標(biāo)定軟件

另外，這些數(shù)據(jù)處理軟件簡(jiǎn)單易編寫，可讓學(xué)有余力的同學(xué)自行設(shè)計(jì)編程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)掌握編程技術(shù)，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理及數(shù)據(jù)，處理方法能夠進(jìn)一步理解，一舉多得。

2 在虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用

虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)室目前也已在部分高校建成使用，例如北京大學(xué)的考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、南昌大學(xué)的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、廣西大學(xué)的化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。虛擬實(shí)驗(yàn)指的是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的模擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)，它集合了多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化功能[4]，與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有顯著的特點(diǎn)。

2.1 不受時(shí)間空間的限制

傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定時(shí)間、特定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作學(xué)習(xí)，而虛擬實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及云計(jì)算平臺(tái)的支撐下，可同時(shí)容納不限數(shù)量的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。另外，實(shí)驗(yàn)時(shí)間也不限制，基礎(chǔ)較弱的學(xué)生可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的感性認(rèn)識(shí)和熟練程度。

2.2 不受儀器種類、數(shù)量限制

在傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等限制，一般只開設(shè)關(guān)于酸度計(jì)、分光光度計(jì)等儀器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于一些常用的大型儀器設(shè)備如液相色譜、氣相色譜、原子吸收儀、熱重分析儀等，由于這些設(shè)備價(jià)格昂貴、操作要求高、易損壞，一般不對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生開放學(xué)習(xí)，但這些儀器卻是在化學(xué)測(cè)試中最常用的，利用虛擬儀器技術(shù)完全可以解決上述問題。只要開發(fā)出對(duì)應(yīng)的虛擬儀器設(shè)備，每位學(xué)生即可在計(jì)算機(jī)上大膽地進(jìn)行各種操作設(shè)置，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，不用擔(dān)心因操作失誤而導(dǎo)致儀器故障，直到熟練掌握該儀器的測(cè)量原理及操作方法。需要注意的是，虛擬儀器畢竟不同于實(shí)體儀器，最好是在虛擬儀器上熟練掌握操作流程后，再與實(shí)體儀器進(jìn)行比對(duì)，這樣就更能使學(xué)生加深印象，徹底掌握該儀器的使用方法。

2.3 實(shí)驗(yàn)安全性增大，零損耗、零污染、綠色環(huán)保

實(shí)驗(yàn)室安全是目前所有高校都十分重視的一個(gè)內(nèi)容，在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于一些容易發(fā)生危險(xiǎn)、需要使用大量?；坊蛘邥?huì)產(chǎn)生大量有害廢棄物的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式來代替，例如，溴苯的制備實(shí)驗(yàn)中所使用的原料苯和液溴等對(duì)人體的造血系統(tǒng)都有很大程度的傷害，同時(shí)液溴也有很強(qiáng)的腐蝕性[5]；在制備4-硝基鄰二甲苯的合成實(shí)驗(yàn)中，濃硝酸作為該反應(yīng)的氧化劑，在反應(yīng)過程中會(huì)放出大量對(duì)人體有害的二氧化氮?dú)怏w[6]；在銨鹽中氮含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，會(huì)使用大量可使人體致癌的甲醛溶液[7]。像這類實(shí)驗(yàn)均可以虛擬實(shí)驗(yàn)的形式供學(xué)生學(xué)習(xí)，在保證學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理及操作方法的基礎(chǔ)上，能極大避免基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的安全事故，同時(shí)也能減少?；肥褂昧考拔ｋU(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)生量，對(duì)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)人員身體都有益處。

2.4 以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作主要是以實(shí)驗(yàn)老師的講授以及課本內(nèi)容為主，按部就班教學(xué)不利于學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)揮。虛擬實(shí)驗(yàn)主要采用自主學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行，充分發(fā)揮學(xué)生自身的主觀性、能動(dòng)性，在設(shè)置一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還可以將最前沿、最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法或?qū)嶒?yàn)技術(shù)也添加在選修虛擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，讓學(xué)生自己摸索實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、思考實(shí)驗(yàn)，帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以結(jié)合多媒體技術(shù)，形象展示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程中微觀的電子、原子、分子是如何相互作用從而產(chǎn)生一些宏觀現(xiàn)象，讓學(xué)生更能直觀地感受到化學(xué)微觀反應(yīng)，加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣。

但虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙泊嬖谠S多弊端，首先，虛擬實(shí)驗(yàn)基本都是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的操作，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求；其次，由于虛擬實(shí)驗(yàn)是已編設(shè)好的程序，不會(huì)像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣出現(xiàn)許多不確定因素，因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單一，不利于提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力；最后，由于虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)人員的專業(yè)水平不同，市場(chǎng)上已開發(fā)的虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)質(zhì)量也良莠不齊，需要仔細(xì)甄別。

虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充工具，但并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，相信隨著虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展和完善，在虛—實(shí)交互的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，會(huì)培養(yǎng)出更多符合未來社會(huì)需求的化學(xué)人才。

3 在網(wǎng)絡(luò)化管理方面的應(yīng)用

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是面向本科一年級(jí)新生開設(shè)的技能訓(xùn)練類基礎(chǔ)課程，采用大班輪流授課方式，學(xué)生人數(shù)眾多，實(shí)驗(yàn)水平參差不齊，涉及全校各不同專業(yè)，管理難度大；另外，該門實(shí)驗(yàn)課程沒有系統(tǒng)完整的考核方式，存在學(xué)生不重視、被動(dòng)聽課的現(xiàn)象。要改變基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目前的這種狀況，有效途徑之一是建立適合本?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺(tái)，如圖3 所示，該平臺(tái)的建立可以通過網(wǎng)站、微信公眾號(hào)、手機(jī)端App 等方式實(shí)現(xiàn)。在該平臺(tái)上，建立環(huán)環(huán)相扣的“課前導(dǎo)學(xué)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—隨堂測(cè)試—課中實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)—課后電子報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)流程，建立完善的考核制度，引起學(xué)生的重視，通過增加開放實(shí)驗(yàn)、趣味實(shí)驗(yàn)等措施，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，由被動(dòng)聽課變?yōu)橹鲃?dòng)探索，使基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)這門課程真正起到訓(xùn)練學(xué)生基本技能的教學(xué)目標(biāo)。

圖3 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程信息化管理平臺(tái)示意圖

3.1 課前預(yù)習(xí)

每位同學(xué)的基礎(chǔ)不同，對(duì)新事物的接受能力不同，而課程時(shí)間集中，因此，實(shí)驗(yàn)課程開始之前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)是十分必要的。在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程信息管理平臺(tái)上，將每節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理等整理成圖文、動(dòng)畫或短視頻形式，供學(xué)生觀看預(yù)習(xí)。此外，還可以拓展實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生活的聯(lián)系，能夠使學(xué)生學(xué)以致用，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該環(huán)節(jié)主要針對(duì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，例如在混合堿測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，通過課前導(dǎo)學(xué)，使學(xué)生了解雙指示劑法測(cè)定的原理，然后讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并填寫在該部分，在正式上課時(shí)，通過老師的進(jìn)一步講解得到答案或帶著存在的問題到實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行探究，更深入理解雙指示劑法測(cè)量的實(shí)驗(yàn)操作方法。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立深入思考的習(xí)慣，在以后科研實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮更加完善，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。對(duì)于一些基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，可以在這部分提出關(guān)于實(shí)驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)問題，讓學(xué)生帶著問題去做實(shí)驗(yàn)，變被動(dòng)聽課為主動(dòng)探索。

3.3 知識(shí)點(diǎn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)課程管理平臺(tái)上增加該環(huán)節(jié)，主要是為了檢測(cè)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的掌握程度，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和印象，該部分成績(jī)可按百分比計(jì)入最終的考核成績(jī)中。

3.4 課中實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)代課教師可以以語(yǔ)音的形式，對(duì)每位同學(xué)的操作以及對(duì)實(shí)驗(yàn)理解掌握程度作評(píng)價(jià)，并上傳至實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái)，每位同學(xué)課后即可收到老師的點(diǎn)評(píng)。這個(gè)環(huán)節(jié)可以使學(xué)生清楚明白自己實(shí)驗(yàn)的不足之處，促進(jìn)師生交流，激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的興趣。

3.5 課后電子報(bào)告

學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告以Word 文檔的形式提交到實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái)，這樣可以規(guī)范學(xué)生的報(bào)告格式，便于代課教師批閱與保存，教師批閱后，實(shí)驗(yàn)報(bào)告可及時(shí)反饋到學(xué)生端，學(xué)生能及時(shí)了解到自己實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況。另外這種報(bào)告形式還可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)Word 文檔、計(jì)算軟件、繪圖軟件、數(shù)據(jù)處理軟件的熟悉程度，為今后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.6 實(shí)驗(yàn)考核

在實(shí)驗(yàn)信息化平臺(tái)中可以加入基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)考試題庫(kù)，每學(xué)期末，參加該門課程學(xué)習(xí)的學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上隨機(jī)抽取部分題目進(jìn)行作答，該部分成績(jī)與電子報(bào)告成績(jī)、隨堂測(cè)試成績(jī)、教師評(píng)價(jià)成績(jī)按一定百分比組成學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。信息化管理平臺(tái)的建立，有利于學(xué)生每次成績(jī)的記錄與保存，使實(shí)驗(yàn)成績(jī)更加公平公正。

3.7 增設(shè)開放實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái)上還可以增設(shè)一些前沿性、趣味性的開放實(shí)驗(yàn)，在不影響正常教學(xué)的條件下，供有興趣的同學(xué)參與，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)習(xí)興趣。

網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的建立可以規(guī)范實(shí)驗(yàn)管理，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，促進(jìn)師生交流，是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的有效方式之一。

計(jì)算機(jī)技術(shù)在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用并不止于此，還有許多，例如數(shù)據(jù)采集、計(jì)算模擬等應(yīng)用在文中并沒有提到。我們應(yīng)當(dāng)充分利用現(xiàn)有技術(shù)積極建立基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合各種計(jì)算機(jī)技術(shù)，深入改革基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染，降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)人體的傷害，減少有毒有害試劑的使用。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合可以有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，規(guī)范實(shí)驗(yàn)管理，不僅能使學(xué)生熟練掌握化學(xué)基本操作技能，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，有利于學(xué)生全面發(fā)展。