基于虛擬仿真技術的有機化學實驗教學改革與探索*

李丹丹，鞠志宇，侯旭鋒，牛亮峰，黃夕瑤

(許昌學院化工與材料學院，河南 許昌 461000)

實驗教學不僅是現代大學發展水平的標志，也是人才培養質量的重要保障。近年來，隨著多學科交叉融合的發展，有機化學教學在化工、應化、化學、材料、制藥、食品、醫學等專業人才培養中至關重要。有機化學實驗與其相輔相成，經過實驗訓練，既可以加深了學生對理論知識的掌握，還可以提升他們的實驗操作技能。同時，實驗教學也是培養學生的應用操作能力、科研素養、實踐創新能力和科學思維的重要途徑[1]。因此，切實有效地提高有機化學實驗的教學質量，對化工等相關專業的教學具有重要的意義。

1 有機化學實驗傳統教學的現狀

目前，我校的有機化學實驗教學模式為：下達實驗任務-學生課前預習-教師課堂實驗講解+操作展示-學生實驗-教師隨堂指出問題-學生上交實驗報告-教師點評。新冠肺炎疫情期間，我校有機實驗課幾乎處于停滯狀態，這給我們實驗教師敲響了警鐘，不改變傳統的教學模式，就不能適應教學形勢的發展，也很難迎接新的挑戰。經過與多專業學生的接觸和多年的實驗教學總結，發現存在以下問題：

1.1 實驗預習效果欠佳

實驗預習的程度直接決定了實驗的成敗和實驗效果，而實際檢查中發現，學生對預習不夠重視，多數預習報告停留在抄寫書本內容，對實驗內容一知半解。

1.2 教學模式單一，學生缺乏實驗興趣

由于教學模式單一，學生對實驗的理解不透徹，做實驗時經常照方抓藥，沒有實驗的興趣和熱情，遇到不能解決的問題時更是手足無措。

1.3 不能有效地規避安全問題

盡管老師在上課一再強調實驗中的安全問題，但是由于實驗場地有限，實驗人數過多，實驗過程中仍然存在安全隱患和學生受傷等情況。

1.4 實驗儀器及藥品損耗較多及環境污染等問題

由于學生的預習不夠，講解及操作演示時受實驗場地、人數等問題的影響，實驗操作過程繁瑣，經常存在學生操作失誤、損壞儀器及操作失敗的問題，在一定程度上加劇了儀器及藥品損耗和環境污染。

因此，如何改變當前的實驗教學方式，適應的新的變化和發展，提升教學效果和學生的動手能力迫在眉睫。

2 虛擬仿真技術及其應用于有機實驗教學的意義

虛擬仿真實驗以計算機技術為基礎，融合了網絡通訊、多媒體、人機交互、數據庫等多種技術[2]，是一種在互聯網環境中進行的以培養學生探索精神和實踐操作技能為目的虛實結合的實驗手段[3]，它由美國Virginiada大學的William Wolf教授于1989年提出[4]。它通過虛擬仿真技術模擬實際實驗的場景、藥品和設備，讓學生在構建的虛擬環境中開展實驗，從而達到實驗教學效果[5]。

2015年，教育部辦公廳明確指出，“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容[6]。”這不僅強調了虛擬仿真實驗教學的重要性，也為實驗教學改革指明了方向。基于當前有機化學實驗教學的現狀，我們在實驗教學中引入虛擬仿真技術，打破實驗教學中實驗室場地、儀器數量、藥品危險性，實驗普適性等多重限制，以達到補充有機實驗教學的盲點，豐富現有實驗內容，提高學生的實驗熱情和教學效果的目的。

3 虛擬仿真技術應用于有機實驗教學的探索與改革

根據目前有機化學實驗的內容和開展情況，基于虛擬仿真技術，我們從以下幾個方面開展了實驗教學改革和探索：

(1)基于虛擬仿真技術的有機化學實驗內容分類與整合

以培養學生的自主學習能力、應用實踐能力和創新思維能力為目標，促進虛擬仿真技術與有機實驗教學內容的有機融合，我們從學生認知發展的角度出發，將現有的有機化學實驗內容分為基礎類實驗、綜合類實驗兩大類。基礎類實驗由實驗安全、實驗藥品、實驗儀器、基礎操作四部分組成；綜合類實驗由制備性實驗、創新性實驗、危險性實驗三個部分組成，如圖1所示。

圖1 基于虛擬仿真技術的有機化學實驗內容分類Fig.1 Content classification of organic chemistry experiment based on virtual simulation technology

其中，實驗安全主要包括實驗室安全知識、危險品的使用安全，突發及應急事故的處理等內容。實驗藥品模塊主要是指藥品的物質性質參數、貯存方法、主要用途等。實驗儀器包括常用玻璃容器和有機單元組件，其中里面詳細介紹了儀器的名稱、用途、使用方法、注意事項等。基礎操作主要有：常壓蒸餾、回流、減壓蒸餾、萃取分液、干燥、重結晶、薄層色譜以及柱色譜等。基礎實驗操作是開展綜合實驗的基礎和保證，而實際教學過程中，部分學生并不能掌握規范的操作步驟。如果讓學生通過虛擬實驗平臺進行虛擬操作，提前體驗實驗的過程，找出自己的不足，就可以實際操作中加強鞏固基礎操作。通過這種虛實結合的教學方式，既能彌補實際操作實驗的不足，又能增添實驗的趣味，加強實驗教學的效果。

綜合實驗的目的是考察學生對有機基礎知識和基本操作的綜合運用能力。學生需要清楚實驗原理，理解實驗方案和實驗流程(或者自行設計實驗方案)，熟練進行實驗操作。對于操作性強的實驗，學生可以先在虛擬平臺進行訓練，然后再實操；對于危險性強和實驗條件要求高的實驗，學生可以自行虛擬練習，再進行虛擬仿真操作考試。

對有機實驗內容的分類與整合，是實驗內容的模塊化，也是我們虛擬實驗平臺的搭建過程，依據虛擬實驗平臺，開展有機化學實驗教學。

(2)基于虛擬仿真技術的有機化學實驗預習改革

傳統的有機實驗預習局限于實驗報告的簡單抄寫，造成學生對實驗儀器不清晰，實驗內容理解不透徹，操作步驟不清楚等問題。為了使學生全面的掌握實驗儀器使用方法，理解實驗內容，掌握操作步驟，實驗老師需要付出大量的時間和精力對整個實驗過程進行梳理、總結，然后在有限的時間和場地內對學生進行填鴨式的講解和惡補式的灌輸，然而，雖然老師付出了很多，教學效果仍然不佳，學生的實驗熱情也不高。針對目前的狀況，我們將細化預習環節，釋放教師課堂講解的壓力，將有機實驗與moolsnet微信小程序、MOOC教育平臺，MLabs虛擬教學仿真實驗平臺等充分結合，變學生被動灌輸為主動學習，通過變換學習手段和增加學習趣味來提高學生的實驗興趣和教學效果。因此，我們以化工專業的實驗為切入點，在基礎實驗、綜合實驗(制備實驗、危險實驗和創新實驗)的基礎上，提出了新的預習改革方案如圖2所示。

圖2 基于虛擬仿真技術的有機化學實驗預習改革Fig.2 Organic chemistry experiment preview reform based on Virtual Simulation Technology

以正溴丁烷的合成為例：學生接到實驗項目后，對應教師給出的先導問題預習課本，了解實驗操作步驟，完成思考題，期間可以通過中國大學MOOC等一系列資源自主學習。然后登陸微信小程序moolsnet，開始實驗安全與新的儀器學習環節，如圖3和圖4所示。

圖3 儀器模塊Fig.3 Instrument module

圖4 實驗安全模塊Fig.4 Experimental safety module

在完成以上任務的基礎上，登陸手機APP程序MLabs移動虛擬實驗平臺進行實驗操作，后臺會相應的根據操作給出成績，部分演示如圖5所示。

圖5 虛擬實驗平臺部分操作演示Fig.5 Operation demonstration of virtual experiment platform

經過以上幾步的預習，學生可以清晰的認識每個新儀器、了解整個實驗過程以及操作步驟，在實際上課實驗時就能游刃有余，大大提高實驗的教學效果。

(3)基于虛擬仿真技術的危險實驗操作、創新實驗改革

由于有機化學實驗的特殊性，平時的基礎實驗和綜合實驗都是經過一系列考量而挑選的相對安全的實驗(試劑毒性相對較低，操作危險性小)。對于那些試劑毒性高，操作危險的綜合實驗和創新實驗，我們很難在實驗室通過教學實現。但是，一些相對危險的實驗或者是創新實驗又是以后科研實踐必備的技能。我們將虛擬仿真技術引入有機實驗，使學生通過虛擬實驗平臺完成這些實驗操作，不僅填充和豐富了有機化學實驗的教學內容，還保證了學生的安全，大大減少了實驗損耗和投資，同時避免了實驗帶來的環境污染。

(4)基于虛擬仿真技術的課程評價體系改革

目前，學生的實驗成績由平時成績和期末考試組成。其中，平時成績為前幾次實驗的平均成績，占總成績的百分之六十；期末考試為最后一次實驗的實操成績，占百分之四十。這種評價體系往往造成實驗報告冗長，抄襲了事，實驗獨立操作能力不強等問題。為了充分發揮學生的獨立自主性，提高實驗效率和實驗教學效果，我們提出了基于虛擬仿真技術的新的評價體系(如圖6所示)：對于基礎實驗和部分綜合實驗，評價體系由實驗思考題20%，虛擬訓練操作20%，實驗操作30%，實驗態度10%，實驗報告(包括總結及討論)20%。對于創新實驗(設計實驗)，評價方法可以包括： 實驗方案設計的新穎性及合理性30%，實驗操作及問題處理能力40%，實驗結果及報告30%。評價體系更注重學生自主學習能力的養成、專業素養的培養、實踐操作能力的提升和創新意識的激發。

圖6 基于虛擬仿真技術的課程評價體系Fig.6 Course evaluation system based on virtual simulation technology

4 教學效果

經過一個學期的教學實踐，我院20級化工專業的學生對虛擬技術應用于有機化學實驗教學的認可率在99%以上。在實驗課上我們發現，學生在實驗時更積極，更愿意思考問題，動手操作能力不僅得到了提升，做實驗的效率也得到進一步提高。通過問卷調查和課后交流，多數同學認為這種教學改革非常有趣，既能直觀的認識實驗儀器，又可以提前進行虛擬操作，大大避免了實際操作過程中手忙腳亂的問題，更有助于對實驗原理和過程的思考。總之，虛擬仿真技術應用于有機實驗教學，在激發學生主動探索實驗的同時，還能讓學生在虛擬場景中體驗具有危險性的實驗過程，大大降低了實驗的事故率、減少了儀器損耗和環境污染。

5 結 語

隨著信息化技術的發展，將虛擬仿真技術融入到實踐操作強的課程中已成為現代化教學的趨勢。通過教學實踐我們發現：虛擬仿真實驗的引入使課堂教學的效率得到提高，學生對有機化學實驗的學習興趣和熱情得以充分調動，實驗儀器的損壞和實驗失敗的概率大大降低。在教學效果提升的同時，我們也應該清楚：虛擬仿真技術融入實驗教學，是對傳統實驗教學的補充和優化，它并不能代替傳統的實驗教學，更不能離開課堂實際操作的訓練，否則，學生的實驗水平只能停留在理論上，手動能力和分析解決問題的能力將會大打折扣。因此，如何將虛擬仿真技術與實驗教學有機融合，充分發揮虛擬實驗與實際實驗的各自優勢，提升實驗教學效果將是我們以及教學工作者一直探究的方向。