基于互動視頻的高分子化學虛擬實驗設計與實施研究*

周俐軍，王冬梅，滕 騰，姚同杰

(1 山東科技大學，山東 青島 266590；2 哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150006)

高分子化學實驗是我校應化專業的主要實踐環節，是塑造學生核心素養的核心課程，既培養學生的動手和操作能力，又幫助學生深入理解理論課堂的重要知識點，做到理論聯系實際，學以致用[1]。傳統驗證性實驗教學內容比較固定，實驗過程基本上是按圖索驥，缺乏設計性，學生探索的空間較小，這大大影響了他們對高分子研究的興趣和熱情[2-3]。教育部《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函[2018]5號)明確提出，將行業產業發展最新成果建設成虛擬仿真實驗教學項目引入實驗教學，促進實驗教學內容加速更新，使實驗教學內容更加富有新時代的特征[3-4]。教育部關于一流本科課程建設的實施意見(教高〔2019〕8號)對課程建設提出了提升高階性、突出創新性、增強挑戰度的要求[5]。這就需要我們要不斷梳理傳統的實體實驗教學內容，剔除陳舊的實驗教學項目，優化包含專業基本原理、方法與技能的綜合設計性實驗項目[6-7]，引入由學科前沿成果和工程技術實踐轉化的虛擬仿真實驗教學項目[8-9]，通過實驗項目的取舍與改進，實現實驗教學體系與教學內容的重構與創新[2]。

1 含稀土配合物光學樹脂的制備和表征實驗設計

我校高分子化學實驗主要面向應用化學專業的大三學生，每屆60～90人，分24個學時進行。采取小班授課，每班30人左右，3～4人一組。教學團隊由5名主講教師組成，其中專職實驗人員2人。由于高分子化學實驗周期較長，每組的4名學生必須相互配合，負責藥品稱量和溶液的配置，實驗過程中記錄自己的實驗數據和結果。指導教師隨時進行釋疑和質詢，機動掌握實驗教學的進度。

為了加深學生對含稀土配合物功能性光學樹脂的理解和掌握，團隊重點圍繞自由基聚合(均聚與共聚)，設計了稀土銪、鋱配合物、含配合物光學樹脂的制備以及表征等實驗環節，相關合成路線、中間產品及目標產品如圖1所示。

圖1 本實驗合成路線、中間產品及目標產品Fig.1 Synthetic route，intermediate products and target products of this experiment

(1) 稀土配合物的制備[10-12]

這里以銪的二元和三元配合物的制備為例來設計稀土配合物的合成過程：

①分別配制0.01 mol/L的 EuCl3水溶液、0.01 mol/L的DBM乙醇溶液、0.01 mol/L的phen乙醇溶液，再配制1:4的稀氨水和pH=8.2、pH=9.2的緩沖溶液。

②制備Eu(DBM)3·H2O的二元稀土配合物，制成淺黃色粉末微粒。

③制備Eu(DBM)3·Phen的三元稀土配合物，制成淺粉色粉末微粒。

(2)合成含稀土配合物的熒光樹脂

將一定量的上述稀土配合物溶解于由甲基丙烯酸(MA)和苯乙烯(St)組成的混合溶液中，分別加入硬脂酸和引發劑，使之完全溶解，在60 ℃下預聚、裝模，在57 ℃下聚合，最后緩慢降至室溫脫模，得到供測試用的3 mm厚樹脂樣品。

(3)表征稀土配合物、含稀土配合物熒光樹脂的性質

分別進行透光性測定、紅外光譜測定、熒光性質測定、電子透射電鏡(TEM)的測定、元素分析測定C、H、N的含量以及TGA-DSC 的測試。

2 虛擬實驗教學的設計

實驗設計上本著以學生為中心的教學理念，根據“00”后學生喜歡交互體驗的特點，將整個實驗分成了四個功能模塊，分為知識學習、翻轉實驗、實驗表征和通關考核(圖2)。前三個模塊偏重于學生的自主學習與仿真實驗，最后的通關考核主要對學生模擬實驗學習的效果進行考核。實驗教學以問題驅動、交互練習、分組合作等學習方法展開，最后通過通關考核與反思評價鞏固、提升學習效果。具體實驗教學內容設計如下：

圖2 稀土配合物熒光樹脂的制備及 表征虛擬仿真實驗平臺功能Fig.2 Preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin and function of virtual simulation experiment platform

(1)知識學習

教師科研成果轉化為實驗教學首先要解決的問題是將高深的前沿知識結合本專業學過的知識，以通俗的方式講給學生，使學生對稀土元素、稀土配合物的發光原理、能量傳遞、能級匹配，聚合物的共聚、均聚、配合物的表征等實驗過程有較全面的認識。

(2)翻轉實驗

我們將整個實驗分成了四個交互選擇的節點，第一部分是銪(Eu)配合物的制備，掌握將氧化銪轉化成氯化銪、六種配體的乙醇溶液制備、pH緩沖溶液制備、六種銪配合物合成的詳細步驟和過程。第二部分是稀土鋱配合物的合制備，讓學生掌握氧化鋱轉化成氯化鋱、兩種配體的乙醇溶液制備、pH緩沖溶液制備、兩種鋱配合物合成的詳細步驟和過程。第三部分是含銪配合物光學樹脂制備，讓學生懂得MA/St共聚體系是稀土配合物復合的合適體系以及復合過程中實際操作的注意事項等；第四部分是含鋱配合物光學樹脂的制備，讓學生了解共聚體系中每種單體MA和 St的比例對發光性質影響等實驗條件的選擇等。

(3)實驗表征

在實驗中，學生的不同選擇，會得到8種不同的實驗結果，實驗表征的圖譜也不同，通過紅外、紫外、熒光和熱重等性質的表征，不僅讓學生了解各類表征手段的原理和操作方法，還讓學生學會分析各類光圖譜。

(4)通關考核

主要對學生模擬實驗學習的效果進行“考票”，科目一是讓學生從6～8種元素中選出2個正確的稀土元素銪和鋱，科目二是有機配體的選擇(讓學生懂得配體與中心離子的能級匹配和能量傳遞的天線效應)，科目三是聚合體系的選擇(MA/St共聚體系與甲基丙烯酸甲酯(MMA)均聚體系)，科目四是最終產物的實驗表征手段及相關表征圖譜(其中包括紅外、紫外、熒光和熱重等圖譜)的選擇，整個實驗將會有更多的可能性，互動性較強。

3 虛擬實驗教學的實踐與反思

構建的開放式虛擬仿真實驗平臺，實現實驗教學手段多元化(圖3)。自稀土配合物光學樹脂的制備及表征實驗教學開展以來，共有150 余名學生完成了該虛擬仿真實驗，虛實結合的實驗教學方式深受學生喜愛。學生依托平臺通過自主式、合作式、研究式學習、反思和設計，為科研創新實驗順利開展提供了可靠的前期保證，同時開闊了視野，對接了行業產業發展，接觸到了學術前沿，增強了專業自信和自豪感。通過虛實結合(圖4～圖5)，部分學生拓展了實驗內容，在國家級和省級大創項目中獲得好成績。與此同時，稀土配合物光學樹脂的制備及表征獲批學校虛擬仿真項目，高分子化學課程被評為國家級一流課程。

圖3 嗶哩嗶哩網站運行平臺首頁及二維碼Fig.3 Homepage and QR code of BiliBili website operation platform

圖4 A學生在實驗室進行實驗BC網上展示的稀土配合物 熒光樹脂的制備及表征虛擬仿真實驗場景示例Fig.4 A Students conduct experiments in the laboratory BC the example of preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin on network by student

圖5 稀土配合物熒光樹脂的制備及 表征虛擬仿真互動視頻示例Fig.5 Preparation and characterization of rare earth complex fluorescent resin virtual simulation interactive video example

通過分析總結發現：將教師科研成果轉換成虛擬仿真實驗教學項目的關鍵問題是如何在本科生不完全掌握學科前沿條件下進行教學設計[6]？這也是開展創新實驗教學需要解決的問題。在虛擬仿真實驗教學項目建設過程中，教師要對科研成果的核心要義進行高度凝練，用學生通曉的、最普通的方法進行教學實踐，讓學生容易自主完成實驗，自主設計實驗，帶動學生提升自主探索專業理論知識的能力。

4 結 語

基于互動視頻的高分子化學虛擬實驗設計是高分子專業與信息技術深度融合的現代產物，它既具有高分子專業鮮明的、前沿性的專業知識內容，還具有與本成果相關的最新信息技術的應用，前沿的專業知識內核+最新的信息技術應用=前沿學科交叉的知識載體。2個輪次的教學實踐表明，學生對這樣知識載體轉換成的虛擬仿真實驗教學項目非常感興趣，在夯實專業基礎知識的同時，提升了學生結合本專業知識解決專業問題的綜合能力。教師科研成果的引入，促進學生知識、能力、素質的有機融合，達到“兩性一度”的教學效果。