大學(xué)化學(xué)實驗數(shù)字化建設(shè)的研究與實踐

＊劉志剛 唐冬雁* 周育紅 張彬 劉新榮 蔡皓宇

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 1500012.西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陜西 710049）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的大學(xué)化學(xué)實驗隸屬于大學(xué)化學(xué)課程，為面對全校本科生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程。共計開設(shè)有10-12個或者與課程理論部分緊密銜接，或者為理論部分的適當拓展，或者體現(xiàn)相對獨立性的特色實驗。

大學(xué)化學(xué)實驗提高了非化學(xué)、化工類工科學(xué)生綜合運用化學(xué)基礎(chǔ)知識和化學(xué)實驗基本技能能力，既調(diào)動了學(xué)生主觀能動性，又培養(yǎng)了學(xué)生科研素質(zhì)、創(chuàng)新能力和動手能力。

1.大學(xué)化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源現(xiàn)狀及問題

為配合教學(xué)，近年來已建設(shè)并更新了很多網(wǎng)絡(luò)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)資源，以幫助學(xué)生網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)。

筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)：對于零零后學(xué)生，他們更習(xí)慣于通過手機等電子產(chǎn)品進行課程學(xué)習(xí)。但對于視頻文件較大的網(wǎng)絡(luò)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)資源，學(xué)生在學(xué)習(xí)時，需要消耗較多的下載流量，或需要過長的下載時間，從而造成很多同學(xué)在手機下載的等待過程中就失去了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

如能借鑒MOOC課程流行的知識碎片化特點，切割大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)資源，將較大的視頻文件分割制成多個5～7min的小視頻，能夠更好的適合于零零后學(xué)生通過手機學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)實驗課程。

筆者在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)：并不是所有大學(xué)化學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容均需要通過視頻方式進行展示。僅需通過小流量短視頻展示最重要的難點及關(guān)鍵點，其他部分輔以圖片，對實驗原理及過程等配合畫外音介紹即可。這樣既可以起到實驗教學(xué)視頻的作用，又能夠減小文件體積，從而減少下載流量及時間，方便學(xué)生隨時學(xué)習(xí)。

此外，還需選擇一個穩(wěn)定、在線播放速度快、下載時間短、學(xué)生使用較多的手機平臺或手機App發(fā)布實驗教學(xué)視頻。這樣即可讓大學(xué)化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容與手機載體接軌，又可讓學(xué)生能夠快速下載到自己的手機端，方便學(xué)生隨時學(xué)習(xí)，才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

基于此，我們在開發(fā)小體積大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)視頻文件及手機平臺建設(shè)方面做了一些探索實踐。

2.小流量視頻的開發(fā)

(1)實驗教學(xué)視頻的開發(fā)

為減小視頻文件體積，在實驗教學(xué)有聲視頻的開發(fā)過程中遵循在部分實驗最重要的實驗難點及關(guān)鍵點等引入少量小流量短視頻展示，其他部分輔以圖片，對實驗原理及過程等配合畫外音介紹的制作思路。

①素材選取

開發(fā)實驗有聲視頻，首先是實驗難點及關(guān)鍵點取材。在教學(xué)過程中，將部分實驗最重要的實驗操作過程關(guān)鍵點、難點及典型實驗現(xiàn)象進行動態(tài)影像的拍攝。如在《茶葉中提取咖啡因》中，拍攝了索氏提取器中的虹吸過程的視頻文件。

為減小視頻文件體積，通過實驗靜態(tài)照片強調(diào)大部分實驗難點及關(guān)鍵點。如在《茶葉中提取咖啡因》中，選取了蒸餾裝置照片（圖1）、最終的咖啡因產(chǎn)物照片（圖2）。通過實驗的靜態(tài)照片，引發(fā)同學(xué)們進行更加深入的思考，從而對實驗原理的認識更加深刻。

圖1 蒸餾裝置

圖2 咖啡因產(chǎn)物

②小流量短視頻制作

實驗課上，我們拍攝了包含實驗關(guān)鍵點的視頻。課后對視頻文件進行后期剪輯，格式調(diào)整。力求做到文件體積最小化，清晰度不降低，減少對流量的占用。

③PPT制作

將小流量短視頻、包含實驗關(guān)鍵點的圖片與實驗原理及過程文字內(nèi)容有機融合在PPT中（圖3）。

圖3 含有圖片與實驗文字內(nèi)容的PPT

④有聲短視頻制作

通過錄屏軟件，對PPT進行后期配音，生成體積較小的有聲短視頻文件。為減小視頻文件體積，可將幀數(shù)設(shè)置為10或15。當視頻參數(shù)如圖4所示時，所生成的視頻文件大小為16.3M。

圖4 視頻文件參數(shù)

(2)課堂演示實驗視頻的開發(fā)

大學(xué)化學(xué)課程的課堂演示實驗，作為教學(xué)過程的重要組成形式，它即滿足了學(xué)生對化學(xué)的好奇心，向?qū)W生揭示一個有趣的化學(xué)世界，又對培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際等方面具有其它課程不可替代的作用。

但是，并不是所有的演示實驗都能進行隨堂演示。如有些演示實驗儀器過于龐雜或容易損壞不方便帶進教室，某些實驗過程比較費時或操作繁雜不適合在課堂上演示等。同樣，對于現(xiàn)場操作存在局限性，具有一定危險性的演示實驗，也不宜進行隨堂演示。

對一些在課堂上進行演示效果突出，但易產(chǎn)生有毒、有害產(chǎn)物且不易控制安全性的實驗，可以采用錄制實驗視頻的方式進行，實驗視頻方便教師攜帶，并在課堂中演示，效果一樣突出。

依據(jù)實驗教學(xué)視頻的制作思路，錄制了火山爆發(fā)、鎂條燃燒、大象牙膏等演示實驗的有聲視頻。

火山爆發(fā)、鎂條燃燒演示實驗的有聲視頻可讓學(xué)生獲得直觀反應(yīng)熱概念；大象牙膏演示實驗通過雙氧水、碘化鉀與洗滌劑等組成的反應(yīng)體系，實驗效果突出。大象牙膏演示實驗有聲視頻既展示了精彩的實驗效果，又明確了該反應(yīng)的催化原理。該實驗可配套化學(xué)反應(yīng)熱、化學(xué)反應(yīng)速率及電化學(xué)三部分的理論課程學(xué)習(xí)。

西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)蔡皓宇同學(xué)利用生物學(xué)專業(yè)知識，對我們開發(fā)新的生物化學(xué)方面的演示實驗提供了一定的幫助，并參與了部分錄制工作。

3.大化實驗公眾號的建設(shè)

大學(xué)化學(xué)實驗受眾面廣。近5年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)實驗每年服務(wù)約70個班級（約1700人），累計學(xué)時數(shù)達到40800人/次。讓大學(xué)化學(xué)實驗課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與手機載體接軌，讓學(xué)生能夠快速下載到自己的手機端，方便學(xué)生隨時學(xué)習(xí)，需要選取一個穩(wěn)定、學(xué)生使用較多的手機平臺或手機App發(fā)布實驗教學(xué)有聲視頻等文件。

我們在微信公眾平臺上開發(fā)了大化實驗的公眾號，供上課同學(xué)訪問。學(xué)生只需掃描大化實驗公眾號的二維碼，即可進入公眾號。

目前，在大化實驗公眾號中包括8個有聲實驗視頻（圖5），5套安全考題，后續(xù)還要不斷更新和完善。學(xué)生能夠通過手機快速在線播放（圖6），或?qū)⑽募螺d到自己的手機端，隨時學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)實驗的相關(guān)內(nèi)容。

圖5 8個實驗視頻

圖6 手機在線播放界面

大化實驗公眾號穩(wěn)定、手機在線播放速度快、下載時間短。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，當視頻文件參數(shù)如圖7所示時，所下載的視頻文件大小為13.4M。大化實驗公眾號有效保障了實驗教學(xué)的正常運行。

圖7 視頻文件參數(shù)

微信公眾平臺的后臺數(shù)據(jù)較豐富。在教學(xué)過程中，通過微信公眾平臺的相關(guān)后臺數(shù)據(jù)，可以分析學(xué)生參與實驗的情況。依據(jù)后臺數(shù)據(jù)，我們對本校2021年春季學(xué)期學(xué)生通過大化實驗公眾號學(xué)習(xí)的情況進行了分析。由圖8可知，截止到2021年4月21日，本校共有166人關(guān)注。由圖9可知，在2021年4月7日學(xué)生對公眾號內(nèi)容的閱讀次數(shù)達到80次。由圖10可知，學(xué)生前期對安全考題關(guān)注點擊較多，對實驗視頻1-5點擊學(xué)習(xí)多于實驗視頻6-8。通過后臺數(shù)據(jù)，我們即了解了學(xué)生參與實驗的情況，也給我們提供了內(nèi)容更新、完善的方向。

圖8 累計關(guān)注人數(shù)

圖9 閱讀次數(shù)

圖10 菜單點擊人數(shù)

化學(xué)實驗過程中，危險因素較多。因此我們通過問卷星平臺，制作了5套實驗安全考題。5套實驗安全考題也綁定到大化實驗公眾號（圖11）。學(xué)生只有通過安全考題測試后，才能進入化學(xué)實驗室開始實驗。

圖11 5套安全考題

通過問卷星后臺數(shù)據(jù)，可分析學(xué)生答題情況。我們對2021年春季學(xué)期學(xué)生通過大化實驗公眾號答題的情況進行了分析。所有學(xué)生的實驗安全考題1成績分布見圖12，由圖可見成績主要集中在80分以上區(qū)域。后臺數(shù)據(jù)也可給出每題的正確率（圖13）。通過這些后臺數(shù)據(jù)，我們能夠了解學(xué)生對知識掌握的薄弱點，從而可進行針對性的教學(xué)。

圖12 考題1成績分布

圖13 實驗考題1的多選題第1題正確率

上述舉措順利完成了2021年春季學(xué)期修學(xué)課程的200余名同學(xué)的大學(xué)化學(xué)實驗的網(wǎng)上預(yù)習(xí)，通過學(xué)生上交的實驗報告及部分學(xué)生反饋來看，學(xué)習(xí)效果良好。

4.結(jié)論

綜上，針對零零后學(xué)生對電子產(chǎn)品使用習(xí)慣和自主學(xué)習(xí)需求等背景，圍繞大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)進行了部分的數(shù)字化和信息化改革嘗試，收到了初步的教改成效，也為后續(xù)的教研和教改積累了有效的素材和教學(xué)資源。