融合仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

摘 要：環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校環(huán)境類專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)踐課程之一。為有效提高環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，筆者對(duì)當(dāng)前環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的問題進(jìn)行了分析。通過引入虛擬仿真軟件，構(gòu)建線上、線下混合式教學(xué)模式，對(duì)教學(xué)方法、課下活動(dòng)組織和課程考核體系等三個(gè)方面進(jìn)行改革，并結(jié)合黃山學(xué)院環(huán)境科學(xué)專業(yè)的實(shí)際教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐。結(jié)果表明該教學(xué)模式有助于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高。

關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真軟件；教學(xué)模式；教學(xué)方法；課程考核

Exploration and Practice of Environmental Chemistry Experiment Course Teaching Based on Virtual Simulation Software

Luo Yi1*， Chen Ran1， Yu Sibei1， Ma Minghai1， Qian Liping1， Feng Shuai2

（College of Life and Environmental Sciences， Huangshan University， Huangshan 245041， China）

Abstract： Environmental chemistry experiment is one of the important foundational and major courses for environmental majors. In order to effectively improve the teaching quality of environmental chemistry experiment， this paper analyzed the existing problems in the current teaching mode. Through the introduction of virtual simulation software to build an online and offline hybrid teaching mode， we reformed the teaching method， organization of after-school activities and curriculum assessment system， and put it into practice， when teaching environmental science major students in Huangshan University. The results show that this teaching model is helpful to improve students' learning enthusiasm.

Keywords： environmental chemistry experiment; virtual and simulation software; teaching mode; teaching method; course assessment

“環(huán)境化學(xué)”屬于化學(xué)與環(huán)境科學(xué)的交叉學(xué)科，是運(yùn)用化學(xué)的基本原理，從微觀的原子、分子水平闡述污染物質(zhì)在環(huán)境中的存在形式、化學(xué)性質(zhì)、行為特性、環(huán)境效應(yīng)及其控制方法，是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。“環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是與環(huán)境化學(xué)理論課程相配套的實(shí)驗(yàn)課程。該課程既有化學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，又有環(huán)境分析的實(shí)際意義，通過理論與實(shí)踐結(jié)合有助于加深學(xué)生對(duì)環(huán)境化學(xué)理論知識(shí)的理解，同時(shí)掌握環(huán)境化學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)方法和技能[1]。因此如何提高環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生更好地掌握各項(xiàng)環(huán)境化學(xué)中的實(shí)驗(yàn)技能，是“新工科”背景下環(huán)境科學(xué)與工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)之一[2， 3]。

一、環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)方式單一，學(xué)生積極性不高

目前環(huán)境化學(xué)的教學(xué)方式仍然是授課老師先把實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼⒉僮鞑襟E、數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等詳細(xì)講解一遍，這種被動(dòng)填鴨式講解完成后，學(xué)生開始按照實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械的完成實(shí)驗(yàn)，然后急忙離開實(shí)驗(yàn)室。由于實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程的抽象性、復(fù)雜性和繁瑣性，學(xué)生往往難以短時(shí)間內(nèi)理解，長(zhǎng)此以往，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的熱情不高，不愿去思考原理和步驟，只愿意在課堂上按部就班的完成實(shí)驗(yàn)即可，最終導(dǎo)致主動(dòng)思考和獨(dú)立思考的積極性不足[4，5]。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備不足，學(xué)生參與感少

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室僅有一些簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備，例如pH、電子天平、紫外/可見分光光度計(jì)、水浴鍋、消煮爐等簡(jiǎn)單的儀器。而環(huán)境化學(xué)課程實(shí)驗(yàn)往往涉及一些大型儀器設(shè)備，例如鄰苯二甲酸酯的微生物降解實(shí)驗(yàn)需使用液相色譜儀、土壤對(duì)銅的吸附實(shí)驗(yàn)需使用大型離心機(jī)和原子吸收儀。基于儀器設(shè)備管理規(guī)定，使用這些設(shè)備需要聯(lián)系學(xué)院測(cè)試中心，預(yù)約到上機(jī)時(shí)間才能使用，且這類設(shè)備的開放程度不高，對(duì)大部分學(xué)生來說接觸這類設(shè)備的機(jī)會(huì)較少。此外，即便是常規(guī)儀器的數(shù)量也是有限的，只能通過5人左右小組的形式完成實(shí)驗(yàn)過程，這就造成很多學(xué)生沒有機(jī)會(huì)親手使用儀器，更不會(huì)調(diào)試、校正所使用的儀器，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能得不到有效的提高。

（三）考核方式單一，難以反映學(xué)生能力

實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)通常由兩部分組成，平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。在評(píng)定過程中多數(shù)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分比較看重，這是因?yàn)槠綍r(shí)成績(jī)中的實(shí)驗(yàn)操作能力難以在實(shí)際課堂中去一一判斷，而通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)記錄、整理及分析較為直觀和方便。這種成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系存在很大的弊端，體現(xiàn)在（1）忽視了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程考察，導(dǎo)致那些遵守操作規(guī)范，認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生得不到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。（2）正因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)過程的考察不夠，導(dǎo)致有些學(xué)生直接共享其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至抄襲網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)報(bào)告，造成成績(jī)可信度不高。

（四）較多的誤操作帶來的實(shí)驗(yàn)安全、試劑浪費(fèi)和污染問題

在環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往涉及到加強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高壓消解和高速離心等危險(xiǎn)步驟，如果操作不當(dāng)會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。由于實(shí)驗(yàn)要在短時(shí)間內(nèi)完成，學(xué)生人數(shù)又較多，在這樣的環(huán)境下學(xué)生很容易誤操作，出現(xiàn)設(shè)備損壞和人身安全問題。此外，一些實(shí)驗(yàn)使用到重金屬和有毒的有機(jī)試劑，在實(shí)驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤的情況下會(huì)增加這些藥品和試劑的使用量，進(jìn)而帶來試劑浪費(fèi)、人體健康和環(huán)境污染問題[6]。

二、基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)方式探索

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在線課程學(xué)習(xí)成為當(dāng)下教育改革的趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)的中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、愛課程、智慧樹等在線課程學(xué)習(xí)平臺(tái)作為大學(xué)課堂教育的有效補(bǔ)充和輔助教學(xué)方式已經(jīng)產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果和社會(huì)影響[7，8]。因此針對(duì)上述環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的問題和互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)的蓬勃發(fā)展現(xiàn)狀，我們嘗試引入虛擬仿真軟件開展線上模擬+線下實(shí)踐的混合式教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程管理，減少實(shí)驗(yàn)誤操作和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目標(biāo)，最終獲得一套有效提高環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)模式。

（一）虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)

虛擬仿真軟件是一種基于虛擬仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬操作的現(xiàn)實(shí)軟件。利用虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，可以彌補(bǔ)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的許多不足。首先虛擬仿真軟件的實(shí)驗(yàn)演示功能，可將抽象的實(shí)驗(yàn)步驟，情景化、具象化地向?qū)W生展示，有助于學(xué)生的理解和記憶。其次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在練習(xí)過程中可避免由于實(shí)驗(yàn)不慎造成的危險(xiǎn)。比如在高壓消解過程中，溫度和壓力在沒有達(dá)到開蓋條件時(shí)，學(xué)生取樣品時(shí)會(huì)提示操作錯(cuò)誤，并播放危險(xiǎn)警示內(nèi)容，這種場(chǎng)景則會(huì)讓學(xué)生記憶深刻，有助于消除現(xiàn)實(shí)操作中的不規(guī)范行為帶來的安全隱患。再次，虛擬仿真軟件最大的優(yōu)勢(shì)就是不受時(shí)間和空間的束縛，學(xué)生可以在任何地點(diǎn)和空閑時(shí)間使用軟件做實(shí)驗(yàn)聯(lián)系。同時(shí)由于軟件模擬實(shí)驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)節(jié)省大量的時(shí)間，學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)可以反復(fù)聯(lián)系直到取得滿意的結(jié)果。這種學(xué)習(xí)成本的降低，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。目前，以“Oberyun”、NOBOOK”和“GaussView”為代表的虛擬仿真軟件在物理、化學(xué)、食品、環(huán)境、醫(yī)藥領(lǐng)域的教學(xué)和實(shí)踐培訓(xùn)方面的應(yīng)用越來越廣泛[9-11]。

（二）利用虛擬仿真軟件提高學(xué)生預(yù)習(xí)質(zhì)量

在實(shí)驗(yàn)開始前，要重視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的“開放”和指導(dǎo)的“開放”，例如提前把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容告知學(xué)生（以水中總磷測(cè)定為例），讓其利用虛擬仿真軟件“Oberyun”（北京歐貝爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司，北京）進(jìn)行預(yù)習(xí)。如圖1所示，軟件中包含實(shí)驗(yàn)原理、目的、操作步驟、實(shí)驗(yàn)試劑、細(xì)節(jié)準(zhǔn)則等知識(shí)點(diǎn)和環(huán)節(jié)。在完成實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)后，可進(jìn)入視頻演示環(huán)節(jié)，學(xué)生可以通過觀看flash視頻了解實(shí)驗(yàn)步驟（圖2）。在完成以上學(xué)習(xí)部分后，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)操作指引進(jìn)行以第一人稱視角的情景化虛擬操作（圖3），直至獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)提交。在完成以上全部預(yù)習(xí)后，學(xué)生可以查看自己每一步的得分，從而知道自己的不足之處，同時(shí)還可以繼續(xù)練習(xí)，直到獲得滿意的得分，達(dá)到對(duì)即將進(jìn)行的真實(shí)實(shí)驗(yàn)有較強(qiáng)認(rèn)知和提高操作能力的效果。教師可以從后臺(tái)導(dǎo)出學(xué)生的數(shù)據(jù)，掌握全班學(xué)生的預(yù)習(xí)情況例如學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)等（表1）和實(shí)驗(yàn)失誤狀況。例如，表1中賬號(hào)為Hsxystu99的學(xué)生在進(jìn)行水質(zhì)總磷模擬操作時(shí)得分為80，進(jìn)入該學(xué)生的操作得分界面（圖4）可了解到其在用分光光度計(jì)測(cè)定樣品時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此在線下教學(xué)過程中應(yīng)對(duì)其輔以分光光度計(jì)使用上的指導(dǎo)。

（三）加強(qiáng)線下管理提高實(shí)驗(yàn)過程效率

在線下實(shí)驗(yàn)課過程中要提高學(xué)生的動(dòng)手能力和協(xié)作意識(shí)，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地大小和儀器數(shù)量等實(shí)際情況，應(yīng)采取20人左右的小班上課。再對(duì)每個(gè)小班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分組，2～3人一組為宜，結(jié)合虛擬仿真軟件的得分為參考，將成績(jī)優(yōu)秀、中等和較差的同學(xué)交叉均分到每組中。小組內(nèi)的成員自行分工，共同完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一起整理好實(shí)驗(yàn)用品，清洗玻璃器皿和實(shí)驗(yàn)臺(tái)面并做好實(shí)驗(yàn)記錄后，經(jīng)老師檢查合格后才能離開實(shí)驗(yàn)室。

（四）改革考核方式

考核方式不能僅僅依據(jù)考勤情況和評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)，更不能局限于最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而應(yīng)涵蓋利用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)操作和實(shí)際操作、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)成敗的原因分析以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的整理情況等。

三、基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的影響

為了評(píng)價(jià)基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)方式的實(shí)際效果，筆者初步圍繞學(xué)習(xí)興趣這一指標(biāo)設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，對(duì)問卷中的問題進(jìn)行量化打分，具體方法如下：非常同意得2分、同意得1分，不太同意得0分，不同意得-1分。

在2022年9月初，對(duì)本校環(huán)境科學(xué)專業(yè)兩個(gè)組的學(xué)生進(jìn)行了課程開始前的問卷調(diào)查，并且在2022年11月初，在課程后期也進(jìn)行了調(diào)查問卷。其中實(shí)驗(yàn)組采用上述的基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，具體情況如表2所示。對(duì)照組采用常規(guī)線下教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)。

利用Spss軟件獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)問卷數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析（表4）可知，在課程開始前實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在假定等方差相等的前提下，不存在顯著差異（sig.=0.693gt;0.05）。課程后期階段，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得分，出現(xiàn)了顯著差異（sig.=0.03＜0.05），即實(shí)驗(yàn)組同學(xué)學(xué)習(xí)興趣得分顯著高于對(duì)照組同學(xué)。由此可以看出基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)方式對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有積極作用。

四、結(jié)語

日益興起的互聯(lián)網(wǎng)教育教學(xué)平臺(tái)為教學(xué)改革提供了新的技術(shù)手段。在環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索中，與時(shí)俱進(jìn)，多方位地拓寬環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的課程興趣，有利于高層次環(huán)境科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：羅毅（1984-），男，安徽合肥人，博士，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)固廢資源利用和土壤環(huán)境修復(fù)。

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