“虛擬實(shí)驗(yàn)微課程”在“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用研究

茹婷婷 金石

摘??? 要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)資源的不斷豐富，將微課程和虛擬實(shí)驗(yàn)引入到“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中成為可能。文章以“蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)為例，提出了一種“線上線下—虛擬實(shí)驗(yàn)與微課程相結(jié)合”的“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)新模式，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，解決了實(shí)驗(yàn)儀器短缺、實(shí)驗(yàn)存在安全隱患、實(shí)驗(yàn)時間和地點(diǎn)受限等問題，激發(fā)學(xué)生對“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”;教學(xué)模式;微課程;虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????? 文章編號：1002-4107（2022）02-0076-02

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個重要分支，其特點(diǎn)是理論與實(shí)際緊密結(jié)合，是一門化學(xué)與物理學(xué)高度交叉的學(xué)科，在物理化學(xué)學(xué)習(xí)過程中實(shí)際上是運(yùn)用物理學(xué)的方法解釋化學(xué)變化之間的相互關(guān)系[1]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)資源的不斷豐富，教育者不斷地探索將虛擬技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器短缺、實(shí)驗(yàn)存在安全隱患、實(shí)驗(yàn)時間地點(diǎn)受限等問題[2]。文章介紹了一種將微課程資源以及虛擬實(shí)驗(yàn)引入到“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的教學(xué)方法，構(gòu)建了一種“線上線下—虛擬實(shí)驗(yàn)與微課程相結(jié)合”（簡稱“虛擬實(shí)驗(yàn)微課程”）的

教學(xué)模式。

一、“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）學(xué)生預(yù)習(xí)效果不好

學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中沒有按照要求認(rèn)真思考，存在“抄

書”情況。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，如果學(xué)生預(yù)習(xí)不充分，僅通過教師課上短時間的講解，不能充分地理解實(shí)驗(yàn)原理及具體的實(shí)驗(yàn)操作意義，導(dǎo)致其在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)“照方抓藥”和“依葫蘆畫瓢”的現(xiàn)象。其原因主要是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的原理和內(nèi)容比較枯燥，缺乏趣味性和探索性，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（二）教學(xué)方法落后

傳統(tǒng)“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式為教師講解演示—實(shí)驗(yàn)時教師輔導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)后上交實(shí)驗(yàn)報告—教師點(diǎn)評實(shí)驗(yàn)。由于“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”具有原理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)操作煩瑣、數(shù)據(jù)處理難的特殊性，在實(shí)驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)與預(yù)期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同的情況，學(xué)生不能夠自主分析并解決問題。雖然教師能夠給予一定的輔導(dǎo)，但輔導(dǎo)具有滯后性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)期有很大差別，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，從而打消學(xué)生參與物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性，甚至懼怕上“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課。

（三）受學(xué)時限制

教師講解要占用一部分時間，若要在有限學(xué)時內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，教師就不能與學(xué)生有過多互動，否則會導(dǎo)致部分學(xué)生不能在規(guī)定學(xué)時內(nèi)高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)。以“蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)為例，總學(xué)時4學(xué)時，需要進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)操作，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時間較緊張。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生首先要熟練使用旋光儀，并保證讀數(shù)的正確性，否則很難得到合理有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其次課后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程比較復(fù)雜，學(xué)生在課上要弄明白，不然整個實(shí)驗(yàn)只得到數(shù)據(jù)而無法得到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）教師演示實(shí)驗(yàn)受距離和角度的限制

化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的動手操作性，而物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要利用中大型的儀器設(shè)備輔助完成實(shí)驗(yàn)。教師在授課過程中除了需要講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容外，還需要演示實(shí)驗(yàn)具體操作、實(shí)驗(yàn)裝置搭建流程以及中大型儀器設(shè)備的使用方法。目前，各個高校每個自然班的人數(shù)約為30～40

人，由于學(xué)生人數(shù)較多，在不具備分班教學(xué)的條件下，教師在演示實(shí)驗(yàn)過程中受到觀察距離和角度的限制，無法將整個實(shí)驗(yàn)操作以及具體的細(xì)節(jié)操作清晰地展示給每位學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生在動手操作實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)很多問題。

基于以上不足，文章以“蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)為例，構(gòu)建了一種“線上線下—虛擬實(shí)驗(yàn)與微課程相結(jié)

合”的“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)新模式，即教師錄制講解微視頻，包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等重要知識模塊，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。學(xué)生遇到問題可以提前查閱相關(guān)資料或者通過微課程平臺與教師互動學(xué)習(xí)，使學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)主觀能動性;接下來，學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作練習(xí)，增加實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)過程的趣味性、交互性和操作性;然后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)操作過程;最后，教師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)室操作過程以及實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行考評。

二、“虛擬實(shí)驗(yàn)微課程”教學(xué)模式的設(shè)計(jì)和實(shí)施

（一）線上微課程導(dǎo)學(xué)

教師根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，錄制相關(guān)微課程，包括實(shí)驗(yàn)原理的講解、實(shí)驗(yàn)步驟以及操作注意事項(xiàng)等;學(xué)生對于難以理解和掌握的內(nèi)容可以通過提前預(yù)習(xí)講解加深理解。教師在微課中可以給學(xué)生布置小任務(wù)，一方面檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，另一方面激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生能夠提出一些問題，并通過查閱資料或者與教師探討，進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。以“蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)為例，針對實(shí)驗(yàn)原理中出現(xiàn)的物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)以及如何判斷某一旋光性物質(zhì)是左旋還是右旋的問題，學(xué)生可以通過自己查閱資料來學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)步驟中，為什么配制蔗糖溶液可以用粗天平進(jìn)行稱量;在混合蔗糖溶液和鹽酸溶液時，為什么把鹽酸溶液加入到蔗糖溶液中去，如果把蔗糖溶液加入到鹽酸溶液中去，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有影響，為什么？對于這樣的問題，傳統(tǒng)“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課中都是教師讓學(xué)生簡單思考后講解答案的，而采用線上微課程導(dǎo)學(xué)可以給學(xué)生充分的時間進(jìn)行思考，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

（二）學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行預(yù)習(xí)和操作練習(xí)

學(xué)生在觀看線上微課程之后，可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生在手機(jī)或電腦上下載移動虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，該軟件具有操作簡單、畫面立體生動、操作細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)詳細(xì)的特點(diǎn)，利用該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以模擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)景和具體實(shí)驗(yàn)操作流程。具體操作如下：通過點(diǎn)擊屏幕或利用鼠標(biāo)移動進(jìn)入移動虛擬實(shí)驗(yàn)室，該軟件有練習(xí)和測試兩種模式，對于初學(xué)者可先進(jìn)入練習(xí)模式，選擇“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，點(diǎn)擊要預(yù)習(xí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)會自動載入所選的實(shí)驗(yàn)并出現(xiàn)相關(guān)的虛擬操作界面。以“蔗糖水解反應(yīng)動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)為例，具體的實(shí)驗(yàn)操作包括：認(rèn)識儀器、溶液配制、恒溫裝置調(diào)節(jié)、旋光儀零點(diǎn)校正、30℃時不同時刻蔗糖水解時旋光度的測定。在虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)過程中，如果遇到操作上的問題可以通過系統(tǒng)中“T”鍵進(jìn)行提示。在操作過程中如果出現(xiàn)不正確的操作，系統(tǒng)會自動停止，直到操作正確，才會進(jìn)入下一步操作。該軟件類似于“闖關(guān)游戲”，只有完成“關(guān)卡”，才能“解鎖”下一個“關(guān)卡”，具有很強(qiáng)的趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬實(shí)驗(yàn)的操作練習(xí)，能夠使學(xué)生進(jìn)行“身臨其境”的實(shí)驗(yàn)操作，更好地掌握實(shí)驗(yàn)流程以及操作注意事項(xiàng)，為順利完成線下實(shí)驗(yàn)室操作做好準(zhǔn)備。

（三）線下實(shí)驗(yàn)室操作

化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)學(xué)習(xí)的一個重要組成部分，在任何情況下都具有重要且不可取代的地位。即使現(xiàn)在已經(jīng)有了先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，在手機(jī)或電腦上就可以完成實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理并得出相應(yīng)結(jié)果，但線下實(shí)驗(yàn)室操作環(huán)節(jié)仍是不可缺少的，因?yàn)樵趯?shí)際動手操作過程中會遇到很多問題，這是在線上固定操作系統(tǒng)中不會出現(xiàn)的隨機(jī)問題?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)具有不可預(yù)測性，正是這種不可預(yù)測性才會使人們在科學(xué)技術(shù)上取得進(jìn)步，所以學(xué)生需要在線下實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高實(shí)踐動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

（四）評價考核

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績的評定主要由預(yù)習(xí)報告、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況以及實(shí)驗(yàn)報告的撰寫三部分構(gòu)成。傳統(tǒng)預(yù)習(xí)報告是以紙質(zhì)的形式上交，所以大部分學(xué)生都是以“抄書”形式進(jìn)行預(yù)習(xí)，沒有進(jìn)行深入思考，不善于發(fā)現(xiàn)和解決問

題，對于在預(yù)習(xí)過程中遇到的問題不能充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主觀能動性去解決[3]。引入微課程教學(xué)以及虛擬實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)后，對于學(xué)生綜合成績的評定更加客觀，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績由課前預(yù)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)室操作完成情況以及實(shí)驗(yàn)報告綜合評定構(gòu)成，對于教師不可控的課前預(yù)習(xí)也變得可以定性評價。

文章通過分析傳統(tǒng)“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”在教學(xué)實(shí)踐過程中存在的不足，提出了“虛擬實(shí)驗(yàn)微課程”教學(xué)模式，該教學(xué)模式在實(shí)踐過程中取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生不再被動地、機(jī)械地操作實(shí)驗(yàn)，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主

性、積極性，提高了學(xué)生在“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的參與度，對于提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合素養(yǎng)和培養(yǎng)創(chuàng)新思維具有重要意義。

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■ 編輯∕陳晶

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