尹志華 ,張 媛
(1.甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與環(huán)境工程系,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,甘肅 蘭州 730070)
21 世紀(jì)是信息化的時(shí)代,計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已深入應(yīng)用于各行各業(yè)。近些年來(lái),計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已被廣泛應(yīng)用于高等教育中,例如多媒體課件、微課、慕課、虛擬技術(shù)等[1-2],但在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,該技術(shù)應(yīng)用程度較低,大部分應(yīng)用集中在多媒體課件講授環(huán)節(jié),學(xué)生參與程度低,無(wú)法真切感受到計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用以及信息技術(shù)帶給化學(xué)實(shí)驗(yàn)的變革。本研究列舉若干個(gè)計(jì)算機(jī)技術(shù)在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,供實(shí)驗(yàn)課老師開(kāi)拓思路,能夠切實(shí)將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中,讓學(xué)生真切感受到計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維,培養(yǎng)更符合現(xiàn)代化技術(shù)的復(fù)合型化學(xué)人才。
基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)冗長(zhǎng)的計(jì)算,甚至作圖才能得到最終的結(jié)果,學(xué)生不僅要熟練掌握計(jì)算、繪圖方法,還要學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并作出符合要求的圖表。學(xué)會(huì)常用的一些數(shù)據(jù)處理軟件及化學(xué)專(zhuān)業(yè)軟件,例如ChemDraw、MathType、Origin 等,是當(dāng)代每位同學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能必不可少的一項(xiàng)基本技能[3]。
Origin 是由OriginLab 公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件,在各類(lèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用來(lái)處理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、信號(hào)分析、曲線(xiàn)擬合等,并輸出符合學(xué)術(shù)規(guī)范的各類(lèi)圖表,是化學(xué)科技人員進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及繪圖必須掌握的一個(gè)軟件。
MathType 是一款專(zhuān)業(yè)的數(shù)學(xué)公式編輯工具,可以用它來(lái)編輯及在文檔中插入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和符號(hào),也可以用來(lái)編輯化學(xué)反應(yīng)方程式,該軟件是編輯化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子文檔必備的軟件之一。
ChemDraw 是一款專(zhuān)業(yè)的化學(xué)繪圖軟件,使用者可以用它來(lái)繪制各類(lèi)復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)方程式、化工流程圖及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置圖等,同時(shí)還可以用來(lái)預(yù)測(cè)化合物的屬性、光譜數(shù)據(jù)等,該軟件能極大幫助化學(xué)學(xué)科相關(guān)工作及科研人員進(jìn)行電子數(shù)據(jù)的整理工作。
除以上提到的三款軟件外,其他軟件如SPSS、Matlab、PhotoShop、CorelDraw 等也經(jīng)常被用于化學(xué)報(bào)告冊(cè)的數(shù)據(jù)及圖表處理,近些年來(lái),隨著化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科的不斷融合,涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件,例如GraphPad Prism,Sigmaplot,Adobe Illustrator,Hyperchem 等。
對(duì)于一些常規(guī)實(shí)驗(yàn),可通過(guò)編寫(xiě)特定的計(jì)算軟件,迅速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖1 是作者設(shè)計(jì)的一個(gè)鹽酸溶液標(biāo)定的計(jì)算軟件,代課教師只需將滴定體積輸入該程序,可立即生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能迅速判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確。圖2 是強(qiáng)酸與強(qiáng)堿反應(yīng)的摩爾焓變測(cè)定實(shí)驗(yàn)的計(jì)算軟件,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入該軟件后,可立即顯示外推作圖的結(jié)果以及最終的計(jì)算結(jié)果,代課教師可及時(shí)判斷學(xué)生數(shù)據(jù)是否合理,有效輔助課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
圖1 鹽酸溶液的標(biāo)定軟件
另外,這些數(shù)據(jù)處理軟件簡(jiǎn)單易編寫(xiě),可讓學(xué)有余力的同學(xué)自行設(shè)計(jì)編程,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)掌握編程技術(shù),對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理及數(shù)據(jù),處理方法能夠進(jìn)一步理解,一舉多得。
虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)室目前也已在部分高校建成使用,例如北京大學(xué)的考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、南昌大學(xué)的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、廣西大學(xué)的化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。虛擬實(shí)驗(yàn)指的是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來(lái)的模擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn),它集合了多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化功能[4],與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比,虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有顯著的特點(diǎn)。
傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定時(shí)間、特定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作學(xué)習(xí),而虛擬實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及云計(jì)算平臺(tái)的支撐下,可同時(shí)容納不限數(shù)量的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。另外,實(shí)驗(yàn)時(shí)間也不限制,基礎(chǔ)較弱的學(xué)生可以反復(fù)實(shí)驗(yàn),加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的感性認(rèn)識(shí)和熟練程度。
在傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等限制,一般只開(kāi)設(shè)關(guān)于酸度計(jì)、分光光度計(jì)等儀器的相關(guān)實(shí)驗(yàn),對(duì)于一些常用的大型儀器設(shè)備如液相色譜、氣相色譜、原子吸收儀、熱重分析儀等,由于這些設(shè)備價(jià)格昂貴、操作要求高、易損壞,一般不對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生開(kāi)放學(xué)習(xí),但這些儀器卻是在化學(xué)測(cè)試中最常用的,利用虛擬儀器技術(shù)完全可以解決上述問(wèn)題。只要開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的虛擬儀器設(shè)備,每位學(xué)生即可在計(jì)算機(jī)上大膽地進(jìn)行各種操作設(shè)置,不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,不用擔(dān)心因操作失誤而導(dǎo)致儀器故障,直到熟練掌握該儀器的測(cè)量原理及操作方法。需要注意的是,虛擬儀器畢竟不同于實(shí)體儀器,最好是在虛擬儀器上熟練掌握操作流程后,再與實(shí)體儀器進(jìn)行比對(duì),這樣就更能使學(xué)生加深印象,徹底掌握該儀器的使用方法。
實(shí)驗(yàn)室安全是目前所有高校都十分重視的一個(gè)內(nèi)容,在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)于一些容易發(fā)生危險(xiǎn)、需要使用大量?;坊蛘邥?huì)產(chǎn)生大量有害廢棄物的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可以用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)代替,例如,溴苯的制備實(shí)驗(yàn)中所使用的原料苯和液溴等對(duì)人體的造血系統(tǒng)都有很大程度的傷害,同時(shí)液溴也有很強(qiáng)的腐蝕性[5];在制備4-硝基鄰二甲苯的合成實(shí)驗(yàn)中,濃硝酸作為該反應(yīng)的氧化劑,在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出大量對(duì)人體有害的二氧化氮?dú)怏w[6];在銨鹽中氮含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中,會(huì)使用大量可使人體致癌的甲醛溶液[7]。像這類(lèi)實(shí)驗(yàn)均可以虛擬實(shí)驗(yàn)的形式供學(xué)生學(xué)習(xí),在保證學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理及操作方法的基礎(chǔ)上,能極大避免基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的安全事故,同時(shí)也能減少危化品使用量及危險(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)生量,對(duì)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)人員身體都有益處。
傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作主要是以實(shí)驗(yàn)老師的講授以及課本內(nèi)容為主,按部就班教學(xué)不利于學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)揮。虛擬實(shí)驗(yàn)主要采用自主學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行,充分發(fā)揮學(xué)生自身的主觀性、能動(dòng)性,在設(shè)置一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還可以將最前沿、最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法或?qū)嶒?yàn)技術(shù)也添加在選修虛擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,讓學(xué)生自己摸索實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、思考實(shí)驗(yàn),帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有利于創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。另外,虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以結(jié)合多媒體技術(shù),形象展示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過(guò)程中微觀的電子、原子、分子是如何相互作用從而產(chǎn)生一些宏觀現(xiàn)象,讓學(xué)生更能直觀地感受到化學(xué)微觀反應(yīng),加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)的理解,激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣。
但虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙泊嬖谠S多弊端,首先,虛擬實(shí)驗(yàn)基本都是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的操作,對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求;其次,由于虛擬實(shí)驗(yàn)是已編設(shè)好的程序,不會(huì)像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣出現(xiàn)許多不確定因素,因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單一,不利于提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力;最后,由于虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)人員的專(zhuān)業(yè)水平不同,市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)的虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)質(zhì)量也良莠不齊,需要仔細(xì)甄別。
虛擬儀器及虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充工具,但并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),相信隨著虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展和完善,在虛—實(shí)交互的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下,會(huì)培養(yǎng)出更多符合未來(lái)社會(huì)需求的化學(xué)人才。
基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是面向本科一年級(jí)新生開(kāi)設(shè)的技能訓(xùn)練類(lèi)基礎(chǔ)課程,采用大班輪流授課方式,學(xué)生人數(shù)眾多,實(shí)驗(yàn)水平參差不齊,涉及全校各不同專(zhuān)業(yè),管理難度大;另外,該門(mén)實(shí)驗(yàn)課程沒(méi)有系統(tǒng)完整的考核方式,存在學(xué)生不重視、被動(dòng)聽(tīng)課的現(xiàn)象。要改變基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目前的這種狀況,有效途徑之一是建立適合本校基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺(tái),如圖3 所示,該平臺(tái)的建立可以通過(guò)網(wǎng)站、微信公眾號(hào)、手機(jī)端App 等方式實(shí)現(xiàn)。在該平臺(tái)上,建立環(huán)環(huán)相扣的“課前導(dǎo)學(xué)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—隨堂測(cè)試—課中實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)—課后電子報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)流程,建立完善的考核制度,引起學(xué)生的重視,通過(guò)增加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、趣味實(shí)驗(yàn)等措施,激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣,由被動(dòng)聽(tīng)課變?yōu)橹鲃?dòng)探索,使基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)這門(mén)課程真正起到訓(xùn)練學(xué)生基本技能的教學(xué)目標(biāo)。
圖3 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程信息化管理平臺(tái)示意圖
每位同學(xué)的基礎(chǔ)不同,對(duì)新事物的接受能力不同,而課程時(shí)間集中,因此,實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)始之前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)是十分必要的。在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程信息管理平臺(tái)上,將每節(jié)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理等整理成圖文、動(dòng)畫(huà)或短視頻形式,供學(xué)生觀看預(yù)習(xí)。此外,還可以拓展實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生活的聯(lián)系,能夠使學(xué)生學(xué)以致用,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
該環(huán)節(jié)主要針對(duì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),例如在混合堿測(cè)定實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)課前導(dǎo)學(xué),使學(xué)生了解雙指示劑法測(cè)定的原理,然后讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并填寫(xiě)在該部分,在正式上課時(shí),通過(guò)老師的進(jìn)一步講解得到答案或帶著存在的問(wèn)題到實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行探究,更深入理解雙指示劑法測(cè)量的實(shí)驗(yàn)操作方法。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié),可以使學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立深入思考的習(xí)慣,在以后科研實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮更加完善,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。對(duì)于一些基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),可以在這部分提出關(guān)于實(shí)驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題,讓學(xué)生帶著問(wèn)題去做實(shí)驗(yàn),變被動(dòng)聽(tīng)課為主動(dòng)探索。
在實(shí)驗(yàn)課程管理平臺(tái)上增加該環(huán)節(jié),主要是為了檢測(cè)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的掌握程度,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和印象,該部分成績(jī)可按百分比計(jì)入最終的考核成績(jī)中。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)代課教師可以以語(yǔ)音的形式,對(duì)每位同學(xué)的操作以及對(duì)實(shí)驗(yàn)理解掌握程度作評(píng)價(jià),并上傳至實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái),每位同學(xué)課后即可收到老師的點(diǎn)評(píng)。這個(gè)環(huán)節(jié)可以使學(xué)生清楚明白自己實(shí)驗(yàn)的不足之處,促進(jìn)師生交流,激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的興趣。
學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告以Word 文檔的形式提交到實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái),這樣可以規(guī)范學(xué)生的報(bào)告格式,便于代課教師批閱與保存,教師批閱后,實(shí)驗(yàn)報(bào)告可及時(shí)反饋到學(xué)生端,學(xué)生能及時(shí)了解到自己實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況。另外這種報(bào)告形式還可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)Word 文檔、計(jì)算軟件、繪圖軟件、數(shù)據(jù)處理軟件的熟悉程度,為今后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在實(shí)驗(yàn)信息化平臺(tái)中可以加入基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)考試題庫(kù),每學(xué)期末,參加該門(mén)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上隨機(jī)抽取部分題目進(jìn)行作答,該部分成績(jī)與電子報(bào)告成績(jī)、隨堂測(cè)試成績(jī)、教師評(píng)價(jià)成績(jī)按一定百分比組成學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。信息化管理平臺(tái)的建立,有利于學(xué)生每次成績(jī)的記錄與保存,使實(shí)驗(yàn)成績(jī)更加公平公正。
在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)信息管理平臺(tái)上還可以增設(shè)一些前沿性、趣味性的開(kāi)放實(shí)驗(yàn),在不影響正常教學(xué)的條件下,供有興趣的同學(xué)參與,激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力,提高學(xué)習(xí)興趣。
網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的建立可以規(guī)范實(shí)驗(yàn)管理,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,促進(jìn)師生交流,是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的有效方式之一。
計(jì)算機(jī)技術(shù)在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用并不止于此,還有許多,例如數(shù)據(jù)采集、計(jì)算模擬等應(yīng)用在文中并沒(méi)有提到。我們應(yīng)當(dāng)充分利用現(xiàn)有技術(shù)積極建立基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái),結(jié)合各種計(jì)算機(jī)技術(shù),深入改革基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),以減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染,降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)人體的傷害,減少有毒有害試劑的使用。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合可以有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,規(guī)范實(shí)驗(yàn)管理,不僅能使學(xué)生熟練掌握化學(xué)基本操作技能,同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)造性思維,有利于學(xué)生全面發(fā)展。