关于物理化学实验网络教学的若干问题思考

苏建宇

（武汉工程大学化学与环境工程学院 湖北·武汉 430205）

现代网络与多媒体技术的快速发展，促使我国大学教学也正向网络化和多元化的方向改革。[1]网络教学平台较传统教学方式最显著的优势在于教与学均不受时间与空间的限制，教学资源共享。但是单一的网络教学使得学生在虚拟环境中缺乏对事物的感知性认识，特别是理工科专业的实验网络教学，其弊端尤为明显。物理化学实验是高等学校化学、化工、环境、生物、材料等相关专业的必修实验课程，是学生学习和研究物理化学原理与过程的重要途径。[2,3]随着网络教学逐渐向传统教学模式的渗透，[4]我们也一直在探索和思考如何发挥网络教学平台的优势而避其短处，来促进物理化学实验教学的改革与实验教学水平的提高。

自新冠肺炎疫情发生以来，各高校开始停课，我校正位于疫情严重的武汉市，在“停课不停学”的号召下，我校全面开展了网络教学，物理化学实验课程也开展了首次的网络教学与虚拟实验的实践。我们为环境、材料等专业的学生开设了“可逆电池电动势的测定”“最大泡压法测定正丁醇溶液表面张力”“蔗糖水解速率常数的测定”和“乙酸乙酯皂化反应动力学参数的测定”这四个实验的网络教学与虚拟实验。在实验课程的教学过程中，我们结合了“优学院”网络教学平台和MLabs 虚拟实验室。具体教学过程包括：“优学院”平台建课，建教学班级，发布实验课程公告；在“优学院”平台根据教学计划进行每个实验的操作前直播讲解，讲解内容包括实验目的、原理、操作注意事项，数据处理要求；学生在MLabs 平台进行实验的虚拟仿真操作，数据记录；规定时间范围内完成实验报告的撰写，并在“优学院”平台提交。

1 网络实验教学的优势

从我们的网络实验教学实践过程来看，网络教学的最大优势在于不受时间和空间限制，在实验预习环节，其优势尤为明显。传统的实验教学模式下，学生的预习过程主要针对实验课本，学生对仪器的操作、使用和具体的实验步骤缺乏直观的认识，提交的预习报告往往是对书本内容的照搬抄写。这就造成预习过程起不到对实验的真正预习效果，使得学生在实验操作过程中仍然对实验仪器和操作流程认识模糊，导致实验效率低，实验效果不明显。而实验网络教学的预习环节，学生可以随时进入Mlabs虚拟仿真实验室进行对应实验的操作练习，这个过程不仅可以较直观的认识仪器设备，而且可以通过操作练习熟悉整个实验过程，这种有效的预习环节可以大大提高学生对实验的认识和理解。

另外，网络虚拟实验便于实验内容与方法的更新换代。在传统的实验教学改革中碰到的最大难题便是实验设备的更新，很多教学实验室的仪器设备老化落后，已经不能满足现代教学要求，但是高校实验设备的更新往往需要经历计划预算、上报审核批准、招标采购的漫长过程，不利于实验教学的改进。而虚拟仿真实验的更新却具有高的时效性，可以大大促进实验教学的改革进程。并且虚拟仿真实验缩短了实验时间，在同样教学时间内，学生可以进行更多内容的实验操作，有利于提高学生对实验的兴趣和相关物理化学理论的理解。例如，传统的电池电动势测定实验，由于教学时间有限，我们只要求学生测定三组电池的电动势，而在虚拟仿真实验中我们可以设计更丰富的内容，可以设计测定不同电解质浓度，以及不同温度下的电池电动势，并通过对能斯特方程的应用，更深入理解电解质浓度、温度对电池电动势的影响及相互关系。

2 网络实验教学的弊端

网络实验教学虽然具有如上所述的优势，但不可否认其也存在某些弊端。目前，虚拟实验最大的弊端就是对学生动手能力的培养还远远达不到要求，且目前虚拟操作多是通关型的设计，即正确完成前一步后才能进入下一步，这就规避了实际实验过程中可能出现的各种问题，这当然不利于培养学生分析问题和解决问题的能力。另外由于虚拟实验的数据是设计实验时已输入程序，因此学生的实验数据单一，实验数据不能体现学生的操作能力，同样也不利于提高学生对实验数据的分析能力。

3 对网络实验教学改进的思考

结合我们对传统的物理化学实验教学的经验和对网络实验教学的实践，我们认为目前物理化学实验教学改革的方向应是网络教学、虚拟实验与真实实验操作模式的结合。具体来说，可以利用时间和空间灵活的网络教学平台及虚拟实验室进行实验前的教学过程，包括实验讲解、预习操作、网上问题讨论等；经过网上预习过程后的学生按教学时间进入实验室进行实际动手操作，数据记录；完成真实实验操作的学生再进入网络教学平台或虚拟实验平台进行实验数据处理，报告撰写与提交；老师进入网络教学平台或虚拟实验平台进行报告批阅与总结。整个教学过程既利用了网络教学平台的时空灵活性及虚拟实验室的时效性，也结合了真实实验操作对学生动手能力与分析解决问题能力培养的优势。

当然如前所述的网络教学、虚拟实验与真实实验操作模式的结合，并不是现有模式的简单加合，是改进后的有效结合和相互促进。一方面，网络教学并不是传统教学的网络化。传统教学模式中的“教”主要集中于老师灌输式的讲解，包括实验目的、原理、实验步骤，有时为了避免学生实验失败和数据处理错误，甚至花相当一部分时间对实验注意事项和数据处理做非常详细的讲解与强调。其实这种灌输式的讲解尤其不适用于实验教学，甚至违背了实验教学初衷。物理化学的实验课程既是其理论课程的补充，即学生通过实验操作和数据处理可以更深入理解物理化学的理论知识和相关概念，也是对学生动手能力和实验能力的培养，即学生通过实验课程中的亲自动手操作来提高实际动手能力，通过分析实验数据来提高实验分析能力。物理化学是化学相关专业学生的专业基础课程，这些专业的学生毕业后大多会从事与化学相关领域的工作，这就要求我们要特别重视培养学生的实验能力和科研素养，所以必须要摒弃传统的灌输式教学模式。在与网络实验教学方式相结合的过程中，线下的教学应该更倾向于引导式、疑问式，启发学生带着疑问进入网络教学平台的自主学习。为了充分发挥网络资源丰富的优势，教师针对一个实验讲授的内容更不能单一和固定，一个实验可以有多种实施方法，可以引导学生灵活学习。

另一方面，在与传统教学方式相结合的过程中，虚拟实验也还有很多待解决的问题。目前很多虚拟实验项目过程简化现象比较严重，条件设置单一，并且虚拟实验无法达到真实操作的效果，所以目前虚拟实验只能作为预习操作或真实验的补充。虚拟实验在预习操作中的优势非常明显，较传统的照着书本抄实验步骤要更为直观和形象，并且能提高学生对实验的兴趣。另外，虚拟实验由于其时效性，因此可以作为真实实验的补充。例如“乙酸乙酯皂化反应动力学参数测定”实验，该实验要测两个不同温度下的速率常数，然后再求该反应的活化能。在实验室的教学过程中，我们发现该实验的耗时长，往往会影响正常教学安排。如果该实验设计为实验室操作测定其中一个温度的速率常数，然后通过虚拟实验操作测定另一温度的速率常数，这样不仅能达到真实实验操作的效果，也能大大提高时效，使学生在有限的时间内接触更多的内容，提高实验教学质量。同时，虚拟实验的操作平台应引入电子实验报告和数据处理软件，学生在完成真实实验操作或真实实验与虚拟实验的结合模式操作后，可以直接在虚拟实验平台输入实验数据，并利用平台的数据处理软件进行数据处理，完成实验报告后提交。

一直以来，在实验课程的教学中，对学生的考核是一大难题。由于资源有限，实验设备无法满足学生单人操作，因此难以实现真正的考核。如果实验教学中引入了虚拟实验，那么可以通过设计多项实验的考试操作模式，电脑随机给每位学生安排考核实验，考核实验包括独立的完整虚拟操作和实验数据处理、分析与结果讨论。由此可见，虚拟实验的引入也将打破物理化学实验考核的瓶颈，大大提高教学质量。

4 结语

综上所述，物理化学网络实验教学具有其特有的优势，教学过程不受空间和时间的限制，而且能有效提高实验教学质量，并激发学生的实验兴趣，弥补实验设备配置有限及更新滞后的问题。但是由于虚拟实验无法代替真实的实验环境和实验操作，因此实验教学改革的方向是网络教学与真实实验操作的结合。只有二者互相补充才能充分发挥各自的优势，从而促进实验教学的改进与提高，更好的培养学生实验操作能力与分析解决问题的能力。