“虚实”结合的新实验教学模式在有机化学中的应用*

廖　云，单德才，邓昌爱

(南华大学化学化工学院，湖南　衡阳　421001)



“虚实”结合的新实验教学模式在有机化学中的应用*

廖云，单德才，邓昌爱

(南华大学化学化工学院，湖南衡阳421001)

通过分析高校有机化学实验教学模式的现状，按照实验项目选取、教学设计、教学模式实施及规范化、系统化的思路对原有的实验教学进行了改革。主要提出了虚拟仿真实验—真实实验相结合的有机化学新实验教学模式，模式按以虚为主和以实为主两种教学活动展开，形成了多样化的课程资源建设途径和科学的实验考核体系，对培养具有自主创新能力和实践动手能力的高校人才具有重要意义。

有机化学；虚拟仿真；实验教学模式；自主创新

有机化学作为高校 “四大基础化学”重要成员之一，已经逐步渗透到生命科学、材料科学、环境科学、能源科学等众多学科领域[1]。作为有机化学教学中不可或缺的一环，有机化学实验要求提高学生观察问题、分析问题、解决问题的能力，并从实验中逐渐培养出自主创新和实践动手能力[2]。然而，目前大部分高校实验教学模式单一，实验设备陈旧，在这种实验教学环境下，学生的实践能力、创新能力的培养受到极大的阻碍。

2013年，教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，拉开了虚拟实验教学中心建设的序幕，虚拟实验教学在高校引起了高度关注[3]。虚拟实验教学平台借助虚拟现实、多媒体、人机交互、网络通讯等技术，模拟真实实验环境，让学生在虚拟环境中开展实验，达到实验教学要求[4]。这种实验教学方法逐步在高校中被应用，如麻省理工学院的微电子在线实验室、美国休斯顿大学的虚拟物理实验室等[5]，虽虚拟实验具有成本低、效率高、操作安全、资源共享等[6]优点，但它也具有一定的弊端：学生不能直接接触实物，容易造成理论与实践的脱节。因此，有效利用虚拟仿真技术，同时又不造成与真实实验脱节，成为改革实验教学模式中亟需解决的问题。

鉴于此，笔者根据学院有机化学实验教学的基本情况，并结合管理仿真实验室的经验，提出了虚拟仿真实验—真实实验相结合(下文称“虚实”结合)的新实验教学模式，为有机化学实验教学提供了一种新的、有利于学生创新能力提高的实验教学模式。

1　有机化学实验教学模式现状分析

当前多数高校有机化学实验教学仍采用“课前预习—课堂实验—课后报告”的形式。预习时，需要学生了解实验内容，由于无人督促，很多学生根本不预习，以致影响实验的进行，更谈不上在实验中独立、主动的思考；课堂实验时，学生按书本步骤操作，虽能接触实验仪器，但由于仪器数量不足，学生扎推使用仪器的现象比比皆是，这种“大锅饭”似的实验操作使得教学效果大打折扣，此外由于设备陈旧，学生不得不分散精力排除故障；课后，学生没有机会重新操作实验，对实验结果的分析只能停留在理论层次，实验报告答案千篇一律。整个实验过程，受无人监督、场地、设备等主客观条件约束，学生很少做到自主独立的学习，这种实验教学模式在一定程度上抹杀了学生探索实验的兴趣，不利于激发学生的创新意识。

2　“虚实”结合的实验教学模式

2.1改革思路

笔者提出的“虚实”结合的实验教学模式，改革思路主要围绕以下几点展开：(1)打破“时空”限制，使学生能自行安排实验时间和场所；(2)将“要我学”转变成“我要学”；(3)保证理论知识与实践的衔接，避免“纸上谈兵”；(4)尽量规避实验仪器不足或有毒气体排放等不利因素。具体思路如图1所示：

图1　“虚实”结合实验教学模式的研究思路Fig.1　The research design of virtual-real combining experiment teaching method

第一阶段按模块选取实验实验项目，调试虚拟软件，与所做实验项目匹配，同时建设课程资源，使学生能通过多种途径获取教学资源；第二阶段按以实为主和以虚为主两种方案进行教学设计，形成虚实结合的实验教学模式；第三阶段对设计好的“虚实”结合的实验教学模式进行初步实施，并对学生进行考核，并反馈教学效果，若反响不佳，进一步调整教学设计，直至效果为佳；第四阶段将教学设计、流程等进行经验总结，形成系统化、规范化的新实验教学模式。

改革思路的重点在于采用以实为主和以虚为主两种教学活动开展实验，如图2所示。对于基础、综合型实验主要以虚拟实验为主，而创新、综合型实验则以真实实验为主，以下将分别加以阐述。

图2　“虚实”结合的实验教学模式Fig.2　Virtual-real combining experiment teaching method

2.2以虚为主的教学活动开展

以虚为主实验主要包括课前预习、课中实验考核与讨论、课后巩固三阶段(图2上部)。

(1)课前预习阶段 学生在个人计算机上安装教师指定虚拟软件，在宿舍等场所即可完成课前预习。如在“无水乙醇的制备”实验中，学生进入实验界面后，有两种操作模式可供选择：训练操作模式和考核操作模式。训练操作模式不计分数，附有详细的实验操作步骤供学生查看，如图3所示，学生可完成对实验目的、原理等的学习，还可参考视频演示。通过预习，学生即可对本实验有初步了解。

图3　无水乙醇虚拟实验Fig.3　The virtual experiment of alcohol

(2) 课中实验考核与讨论并重阶段 正式上课时，学生进入仿真实验室。课堂教学主要包括三个方面：①实验考核，学生进入虚拟考核操作模式，对操作进行计分考核，没有完整的操作步骤提示，教师可根据得分了解学生预习情况。②课堂讨论，学生可将实验中出现的问题提出，所有学生通过讨论共同解决。讨论形式可多样化，分组或自由发言均可，教师记录学生发言情况。③教师答疑，对于学生无法解决或容易忽视的问题，教师可答疑补充。课堂教学旨在发挥学生的积极性和主动性，提高对实验的热情。

(3) 课后巩固阶段 课后的巩固可结合实验报告、与真实实验对比等手段进行。实验报告不应照搬书本中实验原理、目的等内容，教师应根据虚拟实验课堂教学情况设计实验报告，多设计总结性或有利创新思维的问题，如总结本实验中出现的问题、如何解决，如何更好设计本实验等等，必要时，可采取真实实验演示、观摩实验仪器(对于某些特殊仪器)等手段来巩固实验。

2.3以实为主的教学活动开展

对于创新研究型和部分综合型实验，教学活动的开展别具一格，主要体现在学生的自主性比较大。教学流程包括选题和设计，实验，成果验收三部分(图2下部)。

(1) 选题和设计 学生根据实验条件和兴趣选择实验项目，内容应和虚拟实验有所区别，侧重于实验的综合性和创新性。之后，学生通过查阅资料设计实验流程，分析实验的可行性，形成系统的实验方案。设计实验流程时，教师需进行把关，规避实验设计不当导致的危险。

(2) 实验 选题和实验设计完成后，学生即可开展实验，对于在化学实验室进行的实验，教师综合所有学生的实验项目，统筹安排实验时间；对于在导师课题组进行的实验，可自行与课题组协商。实验开展过程中，教师定期检查学生实验记录。对于某些具有一定难度的实验，可由几个学生共同完成，另外，创新研究型实验可结合高校的实验竞赛一起开展，如与“大学生挑战杯”“化学实验竞赛”等等结合。

(3) 成果验收 成果验收应以实验记录、实验成果为主，如某些合成实验，成果应包括合成的产品及其性能检测结果，还可要求学生以科研论文的形式呈现实验成果，对于失败的实验，可提交经验总结等。

3　课程资源建设及实验考核体系改革

“虚实”结合的新实验教学模式的开展需要有更加科学合理的课程资源和评价考核体系作为支撑，才能最大限度发挥新实验教学模式的优势。

(1) 课程资源建设 在信息化时代，实验课程资源建设途径是多样化的，网络资源的利用成为一种更加便捷的方式，如图4所示。因此，有机化学教研室有必要将实验教材、教学PPT、虚拟软件、演示视频等丰富的资源发放在学院网络平台上，使实验室无处不在。教师对学生的实验指导，不局限于实验室、课题组等面对面的交流，还可通过QQ、微信等网络途径进行。

图4　课程资源建设途径Fig.4　The development of course resource

(2) 实验考核体系改革 以往学生实验成绩一般由两部分组成：平时成绩70%+实验报告30%，这样容易造成实验报告互相抄袭、实验过程消极怠慢等现象，不利于发挥学生独立自主性。本模式按两种教学活动展开，因此，考核方法也可多样化。对于虚拟实验，考核体系可包含以下几方面：实验预习20% (通过考核模式了解预习情况)，实验操作20%，课堂讨论20%，实验报告20%，实验态度10%，创新点10%(对敢于提出创新性想法的学生，应予以鼓励)。对于真实实验，考核方法具体可如下：选题和流程设计的新颖及合理性30%，实验操作及问题处理能力30%。实验成果展示40%。考核方式分为自评、他评和师评。虚拟实验和真实实验成绩加权组成学生最终成绩。可以看出，无论是虚拟实验，还是真实实验，考核方法都偏重学生的自主创新能力和实践操作能力，符合有机化学实验教学的培养目标。

4　结　语

真实实验与虚拟实验互为补充的实验教学方法源于当代高校化学实验室建设中出现的各种问题，也符合国家对实验教学建设的最新政策[7]。本文提出的“虚实”结合的新有机化学实验教学模式，按照两种教学活动展开，能同时发挥真实实验和虚拟实验的优势，有利于学生自主创新能力和实践操作能力的提高，对培养高素质的高校人才具有重要的意义。本实验教学模式将在学院有机化学实验中逐步开展。

[1]施玲, 郭晓稚, 葛健锋,等. 有机化学实验教学与管理的新实践[J]. 化学教育, 2014(4)：37-39.

[2]张大海, 张静, 李先国,等. 基于创新型人才培养的有机化学实验教学策略研究[J]. 教学研究, 2014, 37(5): 68-70.

[3]教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z]. 高教高司函〔2013〕94号文件, 2013.

[4]董林芳. 基于仿真实验平台的网络工程专业实践教学模式[J]. 计算机教育, 2014(20)： 97-100.

[5]吴涓, 孙岳, 民雷, 等. 东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(10): 5-9.

[6]李亮亮, 赵玉珍, 李正操,等. 材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J]. 实验技 术与管理, 2014, 31(2): 5-8.

[7]王晓迪. 虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(8): 9-11.

Application of A New “Virtual-actual Combination” Experimental Teaching Mode in Organic Chemistry*

LIAO Yun, SHAN De-cai, DENG Chang-ai

(School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hunan Hengyang 421001, China)

Aiming at the problem appearing in the experimental teaching process of organic chemistry in some colleges, a new experimental teaching mode of Organic Chemistry was put forward and it was developed in two ways: virtual simulating and actual operating. A diverse construction of curriculum resource and reasonable experimental assessment system were also formed. The new teaching mode was significant in cultivating the students of independent innovation and strongly practical ability.

Organic Chemistry; virtual simulating; experimental teaching mode; independent innovation

南华大学2015年高等教育研究与改革课题资助(2015XJG18)。

廖云(1985-)，女，实验师，主要从事实验室管理及高分子研发。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)09-0196-03