后疫情時代高校大學化學實驗教學模式探索

袁乙平，羅鳴，胡玥玥，李璽，余媛媛

(1.成都工業學院宜賓校區，四川 宜賓 644004； 2.宜賓職業技術學院五糧液技術與食品工程學院，四川 宜賓 644003)

0 引言

受新冠肺炎疫情影響，國內疫情防控已經進入常態化、精準化模式。社會層面的疫情防控總體已經進入后疫情時代，即新冠肺炎疫情并沒有完全消失，社會運行總體恢復但不是一切如初，疫情時起時伏，伴隨國內外人員流動呈現多地點、小規模爆發樣態，這種樣態遷延較長時間，對爆發地域正常的生產生活仍然會產生重大影響[1]。未來若干年內，這種情勢將持續存在。為減少疫情防控對高校日常教學的影響，教育部發布了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，提出“停課不停教、停課不停學”的要求。隨著后疫情時代的來臨，在線教育模式已經成為各大高校應對疫情防控的重要手段，各學科各專業也在加緊探索形式多樣的線上教育方法[2]。具體到大學化學實驗課教學上，應當將線上與線下教育的內容和形式加以創新整合，以“實踐+理論”理念為引導，在順應時代發展的同時，積極推動課程的理論邏輯轉型和實踐場景轉型。

大學化學實驗教學是大學化學課程內容的重要組成部分，是培養大學生實驗操作技能的重要途徑。基于師生現場指導交流模式的線下教學在大學化學實驗教學中發揮了重要作用，并且仍是當前大學化學實驗教學的主流形式。但是，在后疫情時代，面對疫情防控要求，線下教學有時不能正常開展。此外，由于線下教學在空間、安全、儀器設備、教學經費等方面的實際限制，很多新實驗技術和內容難以在本科實驗教學中開展。隨著信息技術的發展以及 5G 技術的成熟，“線上+線下”教學模式以及虛擬現實技術(virtual reality，VR)為大學化學實驗教學提供了新的有效途徑。教育部在《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高函〔2017〕4號)中明確提出，要以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，在日常教學活動中積極引入虛擬仿真實驗教學方式，提高教學實效。因此，綜合運用“線上+線下”教學模式，將虛擬仿真技術引入大學化學實驗教學中，已成為大學化學實驗教學改革的必然趨勢。

1 傳統大學化學實驗課存在的制約因素

1.1 形式單一，實驗內容受限

大學化學實驗課是一門以理論知識為基礎、圍繞實際實驗展開的教學課程。很多高校在選取實驗課程內容時，會綜合考慮到相關實驗的時長、操作難易程度、藥品的性質、學生的綜合水平等因素來設置實驗內容，對應相關的化學理論課，實現從理論到實踐過程的循序漸進、交叉融合。但是就目前的實際情況來看，一些高校開設的化學實驗課受限于課程時長、儀器設備、教學經費、教學場地等因素，導致實驗內容過于陳舊，實驗形式過于單一，多為驗證性實驗，能夠充分提高學生實踐能力和科研思維的創新綜合設計實驗明顯偏少，不能滿足國家和社會對新時代大學生目標能力的要求，也沒有與理論課程有機融合，形成理論與實驗“兩張皮”局面。此外，實驗課程實施過程中學生參與感、獲得感不足，一些實驗甚至流于形式，甚至僅僅通過視頻圖片的形式向學生展示實驗的過程和結果，學生完全被動接受，沒有體現出學生的主體地位。總體來看，目前的大學化學實驗課程體系設置與預期培養目標是不匹配的。

1.2 缺乏創新，難以調動學生積極性

傳統大學化學實驗教學對新技術的運用不夠，缺乏創新性和趣味性。面對“零零后”這一在互聯網時代背景下成長起來的“新興學生群體”來說，傳統的大學化學實驗課程對他們的吸引力明顯不夠；在一些相對比較復雜的化學實驗中會使用高端、精密儀器，傳統課堂上學生無法見到儀器實物，不了解儀器的組裝和使用過程，導致學生難以理解實驗中儀器設備的工作原理；某些實驗操作過程中步驟繁瑣、氣味重、有毒有害、安全風險系數高，教師不能直接在教學過程中進行演示，學生只能通過視頻或者教師無實物講解來了解實驗，直接影響了學生對實驗過程的探究、數據的獲取以及對實驗結果的認知。正是由于線下實驗教學在時間、空間、安全、儀器設備等方面的實際限制，所以很多新實驗技術課題和內容難以引入到本科實驗教學中。

1.3 實驗耗材多，有違環保理念

開展化學實驗需要購買大量的實驗儀器和設備，投資大，儀器維護復雜。傳統化學實驗中，很多化學實驗藥品具有易燃易爆、腐蝕性強、毒性大等特點，學生若是操作不當，極有可能引發安全事故。學生在實踐操作過程中，還會因為操作不熟練、不準確，造成一定藥品資源的浪費。實驗過程中產生的“廢液、廢氣、廢固”等三廢的排放和處理問題，也是化學實驗課必須重點考慮的問題。如果沒有對“三廢”進行妥善處理，必然造成一定的環境污染。這與大學化學倡導的生態環保的學科理念不符，也與當前社會倡導的生態環保理念不符。

1.4 實驗時間長，難以滿足大量學生實驗需求

在傳統的大學化學實驗課模式下，教師通常需要花費大量的時間進行教學前準備，并為學生講解實驗原理、操作步驟和注意事項等，在有限的課堂時間內學生實際訓練操作的時間非常有限。由于部分學生在課前預習不充分，導致學生對實驗操作步驟不熟悉，嚴重拖延了實驗課進度安排，遇到一些反應時間長的實驗，學生甚至難以順利完成整個實驗過程，實驗效果大打折扣。多數情況下，因為實驗資源有限，原本應該一個人獨立完成的實驗不得不容納2～3人，以小組為單位開展實驗，其弊端在于組內難免有成員開小差，坐等團隊實驗結果，不想親自動手操作，這就完全背離了大學化學實驗課培養學生動手能力和創新意識的初衷，削弱了大學化學實驗課的成效。

1.5 部分實驗存在安全隱患，增加管理負擔

大學化學實驗中大都存在“易燃、易爆、易腐蝕、有毒”等危險化學品，為順利開展實驗和保證學生的安全，教師在設計相關實驗時都會有所顧慮，要么只進行教師演示，要么只組織學生操作一整個實驗中的部分環節，甚至有的教師干脆以視頻教學的方式取代現場實驗。這種看似“保護”的措施，實際上增加了學生的好奇心和想要嘗試的欲望。正所謂“越是禁止越不能禁止”，導致他們可能偷偷開展相關實驗，滿足好奇心，又因為應急處理能力不足，這無疑極大增加了學生的安全風險。長此以往，勢必直接導致學生的化學實驗安全意識薄弱，或者對化學實驗產生抵觸情緒。此外，在實驗教學過程中，盡管教師多次重點強調實驗操作過程中存在的安全隱患，要求學生遵守實驗室守則，然而還是會出現一些學生因操作失誤、嬉戲打鬧等原因造成的安全事故。這類安全事故在高校開展化學實驗課程中屢見不鮮。

2 大學化學實驗課的轉型趨勢

2.1 方法上的轉型趨勢

在目前眾多的大學化學教學改革方法中，探究式教學方法引起了學界較多關注，它成為了學界重點提倡的一種教學改革方法，代表著未來大學化學教學改革的轉型趨勢。探究式教學方法又稱發現法、研究法，最早是由美國教育學家杜威提出的。該方法強調在教學過程中要以學生為中心、多用引導歸納的方式引導學生，培養學生自主習得能力。將這一方法運用到大學化學實驗課教學改革中，就是要求教師要更多地扮演引導者角色，向學生提出若干關鍵問題，引導學生自己去閱讀、觀察、實驗、思考、討論，經歷一次完整的探究式學習過程，用自己的方式掌握相應的原理和規律。但遍觀目前的大學化學實驗教學現狀，大多數大學化學教師在實驗教學的過程中并未很好地使用探究式教學方法，也沒有深刻領會到探究式教學方法的精髓，在實驗教學中缺少與學生的問題互動，不善于引導啟發學生去發現問題、解決問題，也沒有要求學生去查閱文獻、討論交流、提出創新想法。學生在實驗過程獨立思考意識淡薄，主動創新以及探索精神缺失。如果能充分利用信息化的教學技術和手段，全方位多角度地開展大學化學實驗課探究式教學，可以激發學生的學習興趣，培養學生的思維能力、創新能力、歸納分析能力，還能使大學化學實驗與時俱進、推陳出新，最終助力學生實驗操作能力的綜合提升。

2.2 理念上的轉型趨勢

教學理念的革新在大學化學實驗課改革中具有指導性地位和決定性作用。隨著國內高校基礎化學實驗教學模式改革的持續推進，以及《高等學校化學類專業指導性專業規范》《化學類專業本科教學質量國家標準》等文件的出臺，大學化學實驗教學改革方向逐漸從“知識導向型”與“技能導向型”向“能力導向型”與“素質導向型”演變[3]。“能力導向型”與“素質導向型”教學理念更加強調通過各種教學活動培養提高學生的個人能力和綜合素質，達到“授人以漁”“錦上添花”的效果。在信息化時代，人才競爭日趨激烈，完備的個人綜合素質和能力在這種局面下發揮著決定性作用，借此才能更好地應對變化、應對挑戰，這也是國家對創新型人才的基本要求。通過反思大學化學實驗教學當前存在的一系列問題，可以認為：要使大學化學實驗教學能真正地發揮其應有的功效，更好地為培養具有較高綜合素質的應用型人才教學目標服務，大學化學實驗教學應更加注重信息化、綜合化、生活化，增加教學過程的趣味性、創新性、靈活性，在教學實踐中更加重視培養學生的創新能力、動手能力、溝通能力、組織能力以及處理突發狀況的能力等，同時要重視學生思想素質、政治素質、法治素質、人際交往素質等的鍛煉提升。總之就是不僅僅以學生完成實驗、取得學分為唯一目標，把多種育人目標融入到大學化學實驗教學這一載體平臺上來，達到事半功倍之效。

2.3 教學設備上的轉型趨勢

針對后疫情時代大學化學實驗課程的教學困境，部分教學單位提出在現有線上教學模式的基礎上，引入VR設備輔助教學，開展“線上+線下”、虛擬現實仿真實驗等多種新型教學模式[4]。這樣做既是對教育部關于將虛擬現實技術(VR)引入傳統教學過程的指示的積極響應，同時也是走出當前線上教學困境的必然選擇。虛擬現實技術的優勢就在于，它可以利用計算機和其他輔助設備生成一種模擬環境，這種模擬環境可以使體驗者沉浸其中，體驗者可以在這種環境中體驗到近乎真實的感受，讓體驗者身臨其境、感同身受。同時，虛擬現實技術能夠仿真模擬人類所擁有的多種感知功能，比如：聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等，可以輕松實現人機交互、人人交互，使體驗者在操作過程中能夠自如掌控并且得到真實、迅即的反饋。正是虛擬現實技術的存在性、多感知性、交互性、構想性、自主性等特點，使它可以很好地彌補當前線上教學的弊端，達到1+1＞2的合力效果。所以，這種“線上+VR”的新教學模式是后疫情時代大學化學實驗課轉型的重要趨勢和正確方向，它順應了目前把AI、VR、5G等新技術應用于教育、推動傳統教學變革的現實需要。

3 新型大學化學實驗教學模式的探索路徑

3.1 “線上+線下”模式在教學中的運用

受疫情的持續影響，“線上+線下”教學已成為高校教學的重要形式之一[5-6]。這種教學模式突破了傳統教學模式困境，實現了跨時空教學，學生可突破時間、空間的束縛利用設備訪問網絡進行學習，有效促進優質教學資源跨區域和跨校際共享。以成都工業學院宜賓校區大學化學實驗課程為例，在后疫情時代的實驗教學實踐中，已經開始利用“學習通”APP、MLabs、騰訊會議等搭建起基于“線上+線下”的大學化學實驗教學新平臺。

教學預習階段，利用“學習通”APP創建課題組，將大學化學任課教師組建成一個課題組，一個課題組的老師可以共享PPT課件、作業、微課視頻、試卷等資源。同時，任課教師在課題組里分別組建班級群，可將課題組共享的課件、試卷、作業等根據班級學習進度和專業培養目標發布到任課班級群里。同時還可以對學生進行分組，根據不同專業學生的學習需要和學習背景，通過細分小組可以做到大學化學實驗課的“量身定制”。教師可通過班級群及時發布預習通知、提出預習問題，督促學生完成預習任務，借助移動端設備可隨時隨地查看學生預習進度、預習時長以及預習問題反饋等。學生通過觀看教師發布的實驗操作微視頻、學習實驗方案、參與問題討論等方式，提前預習實驗內容，了解實驗步驟，在學習通上完成實驗預習報告。不管是教師還是學生都能通過學習通APP充分利用碎片時間，隨時隨地滿足教學和學習的需要，實現實驗教學過程的移動性和便捷性，突破傳統學習過程的時空限制。

教學進行階段，教師可以在“學習通”APP班級群里繼續發布提前錄制好的教學視頻，講解實驗原理、步驟和操作注意事項。學生登錄MLabs平臺，利用手機或者平板電腦根據課程進度點擊課程實驗，首先認識實驗儀器設備與試劑、了解實驗目的原理、實驗步驟，在移動虛擬實驗室中模擬實驗練習。在模擬演練過程中學生如遇到問題可隨時截圖并對問題進行描述反饋。模擬實驗結束后，平臺自動生成實驗記錄，學生可立即查看實驗操作記錄，根據記錄查漏補缺。同時，教師通過“學習通”和MLabs后臺查閱學生線上學習進度和實驗掌握情況，分析學生在實際實驗中可能存在的薄弱環節。進入到線下的實驗室操作環節后，教師先根據學生線上實驗操作和預習報告完成情況進行分析，針對學生反映突出的問題進行重點講解，進一步強調實驗操作注意事項，對實驗過程中的關鍵環節進行反復演示，指導學生完成線下實驗操作，最后教師按照化學實驗評價體系對學生實驗成績進行綜合評價。這種實驗教學模式充分體現了以學生為中心的實驗教學理念，以注重培養學生實踐能力、創新能力為目標，相較于傳統實驗課有進步有提高，激發了學生的實驗興趣，一定程度上提高了教學實效。

教學結束階段，教學課程結束之后，教師可以在“學習通”APP上布置課后作業，并隨時對學生反饋回來的作業進行批改。遇到明顯的錯誤或者問題，教師可以發起在線答疑，一對一為學生講解作業中反映出的問題，及時幫助學生解決問題，真正做到不拖延、不留賬，學習問題“一課一清”。恰到好處地運用線上學習平臺串聯起實驗教學的前中后三個階段，一氣呵成，相互呼應，切實提高大學化學實驗課教學效果。

3.2 虛擬現實技術平臺(VR)在教學中的運用

MLabs虛擬仿真實驗平臺可根據學校的人才培養目標、教師教學要求以及學生的自身興趣設計生成滿足實驗教學要求的虛擬仿真化學實驗項目。學生能夠隨時隨地進行學習，根據興趣選做實驗、設計實驗，在平臺上查看自動生成的實驗報告，查看每一步得分情況，也可以向老師提問并查看班級通知公告等。利用Mlabs平臺在手機或平板電腦上模擬實驗操作，使學生身臨其境反復演練實驗操作，即使受疫情影響不能在實驗室現場進行試驗操作，也基本可以獲得與現場實驗類似的操作感受，符合學生的學習習慣，回應了構建 “綠色化學”的學科理念。MLabs平臺提供練習模式和考試模式兩種模式，操作界面簡單流暢，畫面生動，形式新穎，滿足學生好奇心的同時培養了學生求知探索和自主學習的能力。從簡單認識實驗儀器設備、了解實驗安全操作規范、熟悉實驗操作流程，到復雜的易燃易爆有毒實驗，再到特殊高精尖實驗設備的適應等，都可以在MLabs平臺上“一站式”體驗。教師還可以結合仿真實驗進行講解，同時針對各專業學生開設的虛仿實驗復雜程度，有針對性地介紹一些設備的使用方法如質譜儀、流變儀、色譜儀等。MLabs平臺根據實驗類別除無機、有機、分析、物理四大主要化學實驗外，還提供儀器分析、生物化學、化工單元操作、高分子及工廠等滿足不同學科專業需求的虛擬實驗。對不同類型的化學實驗，在形象直觀的仿真操作過程中有效加強對反應原理、現象、條件等必要知識的掌握和理解。這一平臺的廣泛使用，極大緩解了傳統大學化學實驗課形式單一、實驗內容受限、缺乏創新、難以調動學生積極性、有違環保理念、難以滿足大量學生實驗需求、部分實驗存在安全隱患等制約性困難，為大學化學教師提供了一種嶄新的教學手段，為學生創造了新穎的學習環境。

4 結語

探索并實踐“線上+線下”、虛實現實(VR)等新型教學模式，有效地破解后疫情時代高校開展化學實驗面臨的難題。對拓展實驗教學內容、完善實驗教學方法、創新實驗教學手段等都有所助益。具體表現為：節省了教學時間和教學資源，減少了藥品浪費和儀器磨損，保證了化學實驗有序安全，鍛煉了教師借助高新科技開展教學的能力，提升了大學化學的整體教學效果，豐富了教學形式與內容，構建起了富有特色的大學化學實驗教學體系。展望未來，大學化學教學改革創新還可以繼續從以下幾個方面發力：

一是立足于“產出導向”。大學化學實驗教學改革要以培養學生獨立思考和創新能力為目標，在教學實踐中更多地運用探究式教學方法，提高學生綜合素質和能力。要以解決實際問題為出發點，將大學化學實驗與化工生產、日常生活密切聯系起來，達到學以致用、學問相用、學習有用的目標。

二是堅持“科技助力”。要深度挖掘學校科研成果、實驗器材、教學平臺的潛力和應用價值，借助AI、VR、5G、機器人等高新技術，進一步優化實驗方案，讓學生能更好地理解實驗、操作實驗，更好地融會貫通，提升學生的學習興趣和科技創新能力。

三是構建“新穎體系”。不斷更新教學理念和教學內容，改革教學方法，探索新的教學模式，設置與科研機構和生產企業接軌的、涉及專業發展前沿的實驗內容，聚焦培養復合型、創新型、應用型人才。