基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

付穎寰+楊大偉+郭宏+侯傳金+楊義+初婷婷

摘要：有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是輕工類院校理工科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課之一，其中涉及的許多基本操作是學(xué)生在畢業(yè)環(huán)節(jié)及從事相關(guān)工作時(shí)必備的能力。我校傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在著授課模式較單調(diào)、教學(xué)效率不高、考核方式不全面等問(wèn)題，亟待改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真；教學(xué)改革；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）15-0271-02

一、前言

有機(jī)化學(xué)研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及它們之間的互相轉(zhuǎn)化規(guī)律，是輕工類院校輕化、紡材、生物、食品專業(yè)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程之一。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是理論課教學(xué)的重要輔助環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生學(xué)會(huì)基本的合成及分離實(shí)驗(yàn)操作，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，為將來(lái)從事相應(yīng)專業(yè)的研發(fā)工作打下基礎(chǔ)。我校的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前存在以下問(wèn)題：學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度不夠，預(yù)習(xí)報(bào)告抄襲，預(yù)習(xí)的過(guò)程流于形式；課堂上教師的講解較詳細(xì)，但教學(xué)模式較單一，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，同時(shí)由于預(yù)習(xí)不夠，學(xué)生一知半解，實(shí)驗(yàn)時(shí)照方抓藥，不懂真正的原理；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤較多，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致藥品浪費(fèi)；實(shí)驗(yàn)藥品用量大，污染嚴(yán)重；某些實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)條件要求比較苛刻，無(wú)法順利開(kāi)展；一些先進(jìn)的儀器設(shè)備無(wú)法應(yīng)用到本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

基于以上有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，我們開(kāi)展了一系列教學(xué)改革，如設(shè)計(jì)多媒體助學(xué)型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)課件、改革有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核方式[1]、將有機(jī)化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)的用量改為半微量和微量并進(jìn)行系列化實(shí)驗(yàn)以減少環(huán)境污染和浪費(fèi)[2]等。這些改革對(duì)改善學(xué)生的預(yù)習(xí)過(guò)程有一定的幫助，使教學(xué)效果稍有提高，也緩解了一部分環(huán)境污染，但并沒(méi)有獲得較大的改觀。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以真實(shí)地模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性；在真正進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，通過(guò)預(yù)先完成模擬實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，減少真正實(shí)驗(yàn)時(shí)的出錯(cuò)率；另外，還可以模擬一些由于苛刻條件而無(wú)法開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)。因此，將虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以提高教學(xué)效率[3]，具有實(shí)際意義，也是目前高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室一種新的發(fā)展趨勢(shì)。目前已有將仿真實(shí)驗(yàn)引入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)例[4]，并取得了較好的教學(xué)效果，但其依賴于二維動(dòng)畫平臺(tái)，不能逼真地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景。本年度我校引進(jìn)了大連微瑞公司的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。

二、通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)可以提高教學(xué)效率

學(xué)生通過(guò)學(xué)號(hào)和密碼登錄，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，點(diǎn)擊其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)的名稱，可以完成預(yù)習(xí)過(guò)程。首先觀看課件對(duì)實(shí)驗(yàn)有大致的了解，完成預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)流程圖、物理常數(shù)查閱等。接著進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，這時(shí)學(xué)生就像真正進(jìn)入了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可以在書本預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)的模擬操作，比如稱量、加藥品、搭建裝置、拆除裝置、純化等步驟。需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確完成指定的操作，如果其中某一個(gè)步驟出現(xiàn)問(wèn)題，如稱量結(jié)束沒(méi)有關(guān)閉天平或未通入冷凝水就打開(kāi)常壓蒸餾裝置的加熱套開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)就會(huì)提示“錯(cuò)誤”、“扣分”等字樣，同時(shí)后臺(tái)記錄了整個(gè)操作過(guò)程和分?jǐn)?shù)結(jié)果。如果“錯(cuò)誤”的提示積累到一定數(shù)量或未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成操作，實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)成績(jī)視為不及格，需要重新進(jìn)行一次模擬實(shí)驗(yàn)。教師登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以看到學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)的完成時(shí)間和分?jǐn)?shù)。學(xué)生只有在平臺(tái)中按要求通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，才允許申請(qǐng)進(jìn)入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作。比起以往教師只能在上課時(shí)通過(guò)提問(wèn)檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，這樣的方式一方面可以檢驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果，保證預(yù)習(xí)過(guò)程的質(zhì)量，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率；另一方面可以加深學(xué)生對(duì)錯(cuò)誤操作和注意事項(xiàng)的理解，避免在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際操作時(shí)重復(fù)出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤[5]。在真正進(jìn)入有機(jī)實(shí)驗(yàn)室操作的時(shí)候，也大大節(jié)省了教師的授課時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和主動(dòng)性

以往的預(yù)習(xí)是學(xué)生通過(guò)閱讀實(shí)驗(yàn)教材、填寫預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程比較枯燥，有相當(dāng)一部分學(xué)生為了省事而抄襲預(yù)習(xí)報(bào)告，這樣就沒(méi)能激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動(dòng)性，達(dá)不到預(yù)習(xí)的效果。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，學(xué)生反映在平臺(tái)上可以看到實(shí)驗(yàn)室的情況，按照書上的步驟進(jìn)行操作，對(duì)使用的玻璃儀器、裝置搭建的方法有了直觀的了解，熟悉了實(shí)驗(yàn)流程，并且在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，界面內(nèi)容豐富，視角轉(zhuǎn)換等操作方式與學(xué)生熟悉的電腦游戲鍵盤操作類似，這使他們感到非常親切，容易操作，對(duì)于每一步實(shí)驗(yàn)操作和展示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充滿了好奇心，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣。在虛擬平臺(tái)中，如果操作正確就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，錯(cuò)誤時(shí)將會(huì)提示并扣分，若錯(cuò)誤過(guò)多將需要再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這將促使學(xué)生在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)中更加細(xì)心，避免出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤，爭(zhēng)取一次通過(guò)，增強(qiáng)了學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和獨(dú)立思考的能力，進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)化學(xué)理論課的教學(xué)[6]。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利于減少環(huán)境污染，降低成本

如果學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)階段所做的準(zhǔn)備工作不夠充分，沒(méi)有深入了解實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和裝置的使用也不熟練，實(shí)驗(yàn)時(shí)只是盲目操作，實(shí)際操作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性就比較高，造成產(chǎn)率極低或者根本得不到正確產(chǎn)品的結(jié)果，白白消耗了較多的化學(xué)藥品，也浪費(fèi)了自己和教師的時(shí)間，這在一方面提高了實(shí)驗(yàn)的成本，另外也造成了對(duì)環(huán)境的污染。相反，如果學(xué)生事先通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了充分的預(yù)習(xí)，也盡可能地避免了實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤，就會(huì)大大地節(jié)約藥品試劑的成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)也使得半微量、微量實(shí)驗(yàn)更容易成功，在一定程度上減少了對(duì)環(huán)境的污染。

五、通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)可以豐富有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

有機(jī)化學(xué)中有一些試劑由于活性較高經(jīng)常需要使用特殊的實(shí)驗(yàn)裝置，如涉及金屬有機(jī)試劑的反應(yīng)就需要使用雙排氣體分配器來(lái)創(chuàng)造惰性氣體和真空的環(huán)境；有的實(shí)驗(yàn)需要在低溫或特殊條件下進(jìn)行，這些在一般的高?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中都難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)可將此類實(shí)驗(yàn)引入本科教學(xué)中，還有一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，比如將對(duì)硝基甲苯氧化為對(duì)硝基苯甲酸的實(shí)驗(yàn)，在滴加濃硫酸的時(shí)候由于放熱，機(jī)械攪拌可能會(huì)產(chǎn)生電火花，有的學(xué)生感到害怕因此不敢繼續(xù)滴加；另外，也有一些耗時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，不宜在有限的學(xué)時(shí)中開(kāi)設(shè)。以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都可以添加在虛擬仿真平臺(tái)中，學(xué)生在課余時(shí)間可以有選擇性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬，從而觀察到相應(yīng)的反應(yīng)現(xiàn)象，學(xué)會(huì)如何實(shí)現(xiàn)特殊條件的控制，既豐富了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，又拓寬了學(xué)生的視野。

六、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

盡管在初步應(yīng)用虛擬仿真有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了它的很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如平臺(tái)中對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的模擬，可以用于對(duì)預(yù)習(xí)情況的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)苛刻實(shí)驗(yàn)條件的補(bǔ)充手段，但是絕對(duì)不能代替實(shí)際操作。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟是“紙上談兵”，學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)必須通過(guò)親自操作、多次練習(xí)來(lái)完成；另一方面，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)現(xiàn)象和事件，這也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所無(wú)法預(yù)料和模擬的[7]。因此，我們應(yīng)發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有益的補(bǔ)充。

七、結(jié)語(yǔ)

將引進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于我校本科生有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，取得了良好的效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種有益輔助方式，表現(xiàn)在多個(gè)方面，如可以強(qiáng)化預(yù)習(xí)過(guò)程、檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、加深學(xué)生對(duì)操作步驟和注意事項(xiàng)的理解、減少實(shí)際操作的錯(cuò)誤率、激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動(dòng)性、減少化學(xué)藥品的浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的污染、讓學(xué)生可以接觸到更多類型的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作等。隨著我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的逐步完善，其功能也將逐漸強(qiáng)大，如將來(lái)平臺(tái)可以用于多種學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、預(yù)習(xí)通過(guò)后實(shí)驗(yàn)時(shí)間的申請(qǐng)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)期末考核方式的一部分等。

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