物理化学虚拟实验微课程教学模式改革

茹婷婷，刘杉杉

（吉林建筑大学 基础科学部，吉林 长春 130118）

随着网络技术和信息技术的不断进步，在教育教学领域利用教育技术手段开展教学正在蓬勃发展。在此背景下虚拟实验微课程应运而生，虚拟实验与微课程的有机结合具有课程时间短，不受地点限制，知识点精炼，实验操作可视化等优点。物理化学实验是高校化学、化工等专业的一门基础课程，是化学的理论基础。其学科特点是应用物理的原理和方法研究化学中最基本的规律和理论，其研究过程中需要掌握多种相关仪器的操作和使用，要求学生不仅能够深入理解理论知识，还能将理论知识应用于具体实验过程中，遇到问题能够运用所学知识有针对性地分析和解决问题，从而提高综合实验能力。本着培养高质量、具有较强综合实验能力的新世纪人才的目标，将虚拟实验微课程引入到物理化学实验课教学中，在开展实验教学过程中，根据实验类型的不同和学习者对基础知识以及实验技能的掌握程度，可以有针对性地设计并实施实验，选择合适的教学模式，以达到良好的实验教学效果。

一、物理化学虚拟实验微课程的教学设计目的

（一）提高学习者的综合实验能力

虚拟实验微课程以提高学习者的实验操作、分析问题和解决问题的能力为目标。在微课程的教学过程中以实验内容设计为核心，针对不同类型的实验，开展不同的教学模式。结合微课程实验内容微型化的特点，在实验教学设计过程中充分保证实验操作的完整性，在合理分配教学资源、探索新的实验教学模式的基础上，以实验为重心。在微课程学习过程中，学习者在微课程资源的辅助下能够自主完成指定的学习任务、顺利完成实验操作并解决实验中遇到的问题，从而提升学习者的综合实验素养。

（二）优化实验教学过程

物理化学虚拟实验微课程的设计过程主要包含四方面：制定教学目标、分析学习者特点、分析教学内容需求、选择合适的教学模式。课程的开展以学习者为主体，充分发挥其主观能动性，合理安排教学过程，在短时间内实现实验目的、实验原理和实验内容的透彻讲解，使学习者能够对实验内容理解并掌握。通过开展微课程有效缩短课堂讲解实验相关基础知识的时间，为动手操作实验留有充足的时间，有利于学习者在动手操做实验过程中遇到问题有时间进行思考，及时与教师沟通探讨；对于实验操作有误的同学，也能够在纠正错误后，再次进行实验操作。实验课堂上不再是传统的“照书抓药”式的操作方式，学习者是在充分掌握实验原理、内容的基础上开展实验，实验过程中不断积极思考，遇到问题有时间与教师和同学开展小组讨论，及时解决问题，达到良好的学习效果。

（三）激发学习者学习兴趣

利用微课程短小、精炼的特点，预习过程不占用学习者固定的时间，学习者可以利用碎片的时间进行实验预习。微课程中的视频、音频等资源为学习者提供形象、生动的实验操作以及讲解方式，利于学生理解和掌握实验基本知识。对于预习环节中遇到的问题，学习者利用网络互动平台与教师互动，也可以与实验小组人员研究与探讨，充分发挥学习的主观能动性，有针对性地进行预习和学习。培养学习者发现并解决问题的能力、增强团队协作能力、提高创新意识与创新能力。利用化学虚拟实验平台可以解决传统实验教学中昂贵设备缺乏、实验仪器不足、实验课时有限及实验项目固定化等问题。基于化学虚拟实验平台，可以与学科发展前沿相结合开展综合性实验、设计性实验以及探索性实验，从而深化理论教学，提高实验教学水平，激发学生探索学科新知识、新领域的兴趣。

二、物理化学虚拟实验微课程的设计原则

（一）虚拟实验微课程的设计应具有针对性

虚拟实验微课程的设计以学习者能够自主开展有效学习和深入学习为目的。学习者根据自身特点和学习需求，利用微课程的导航系统，可以有针对性地选择学习资源，节约学习者时间，避免重复学习某些已经掌握的知识。在学习过程中学习者对不懂的知识点进行针对性学习，从而完善相关知识体系，提高学习效率。在虚拟实验微课程的辅助下，结合实验室中动手操作实验，从而完成整个实验的学习过程。

（二）虚拟实验微课程的设计具有关联性

虚拟实验微课程的设计是以单个知识模块为主，但是这样的设计存在一个弊端，如果整个知识体系没有一个大致的脉络，那获得的知识体系缺乏整体性、关联性。因此在设计过程中要对物理化学实验过程中所涉及的相关知识点进行横向结构化，基于此构建虚拟实验微课程体系。学习者不仅能够对实验过程中涉及的相关内容进行纵向的深入学习，还能够对实验相关知识进行横向延伸，将所学知识点联系起来，形成一个完整的知识体系。

（三）虚拟实验微课程的设计具有互动性

虚拟实验微课程的教学过程不是独立教学视频的简单汇集，在教学过程中要重视师生之间的互动与沟通，这样虚拟实验微课程教学才能起到良好的教学辅助作用。在虚拟实验微课程的设计过程中，不仅包含了相关的教学资源，还要具有学生与教师之间沟通、互动的应用平台。除了教学视频外，还要包括相关的实验原理讲解、实验知识点的小测试、对实验结果进行分析并将结果通过平台系统反馈给教师，从而构成一个完整的虚拟实验微课程教学体系，发挥出虚拟实验微课程的教学实效。

三、物理化学虚拟实验微课程的教学模式研究

（一）一体化教学模式

通过开展综合性实验，引入一体化教学模式。以草酸根合铁（Ⅲ）酸钾组成的确定与性质表征综合性实验为例，该实验涉及无机化学、有机化学、分析化学和物理化学相关基础理论知识，需要综合运用化学分析、热分析、电荷测定、磁化率测定及红外光谱法等性质表征的方法和手段。相关的化学理论知识借助微课程平台呈现给学生，学生利用化学虚拟实验平台完成实验模拟过程。该教学模式不受时间和空间限制，提高学生综合运用理论知识和实验技能的能力，建构完整的知识体系，从多方面、多维度培养学生综合分析能力和动手实践能力。

（二）研究式教学模式

利用化学虚拟实验平台开展探索性实验，引入研究式教学模式。在化学实验教学中，结合我校教师近年来的科研项目以及大学生创新创业项目，2017-2020 年开展了低温烧结基板用SiO2-BPO4/LMZBS 玻璃陶瓷的制备与研究，多孔g-C3N4/铁锰氧化物复合材料的制备及其对重金属吸附氧化性能的研究等科研项目。学生基于以上科研项目，自选实验题目，进行实验设计、完成实验操作以及熟练实验仪器的操作，对实验结果进行分析。研究式教学模式能够将教师的科研与教学有效结合，使学生在学习理论的同时与实际应用相结合，实时了解学科发展趋势与动态，在提高教学质量的同时还能够减轻实验经费不足等压力。在研究性实验开展过程中，利用化学虚拟实验平台使学生能够“身临其境”地探索和操作实验，有利于培养学生动手操作能力、协作协调能力以及科研创新能力，激发学生自主学习，提高学生创新意识。

（三）开放式教学模式

通过开展第二课堂，引入开放性实验，有效弥补了化学课堂教学时间、上课地点以及课堂形式单一等不足。物理化学是一门理论性较强的学科，而物理化学实验原理难理解、涉及仪器多，数据处理复杂，仅通过一次实验课不能够较好地理解和掌握实验原理、操作及数据处理等，更不利于学生创新意识和发散思维的发展。我校在2018 年课内实验项目利用气相色谱法测定混合物中苯、甲苯和乙苯的含量，通过了解气相色谱分析基本原理，掌握气相色谱操作技术，利用面积归一化法进行定量分析。在第二课堂中采用开放式教学模式，学生利用所掌握的基础知识，自行设计实验方案。例如利用气相色谱法测定空气中的甲醛含量，在化学虚拟实验平台上进行模拟操作。开放式教学模式不受时间、空间限制，通过多次操作实验仪器，熟练掌握基本实验技能、大型精密仪器的使用及注意事项，密切关注学科前沿发展动态，拓宽学习者视野，提高科研创新能力。

（四）渐进式教学模式

由于不同学院、不同专业物理化学学科教学目标存在差异化，通过开展分级实验，制定不同层次的实验内容，采用渐进式教学模式，有针对性地开展适合不同专业学生的教学活动。我们将实验项目分为三级，第一级主要以开展基础实验为主，包括物理化学基础实验和仪器分析基础实验两部分，例如恒温槽操作、溶解热的测定、蔗糖水解反应速率常数的测定、金属相图等，主要目标是要求学生掌握物理化学基本分析技术和实验方法，培养学生动手操作能力。在基础实验基础上，开展第二级综合实验，例如分子筛催化正己醇脱水制备正己烯、原子吸收分光光度法测定水果中的微量元素、荧光分析法测定食品防腐剂苯甲酸含量等，以培养学生分析问题、解决问题能力。第三级开展设计实验，在掌握物理化学实验相关实验操作、实验原理基础上，教师给定实验项目选题，学生自行设计实验方案，教师审阅方案后，学生开展实验。已经开展的设计性实验电动势法测定热力学函数、仲丁醇脱氢催化剂活性和选择性的测定等都已经取得较好的教学效果。通过渐进式教学模式，实现了在基础实验基础上，开展综合性实验、设计性实验等高阶实验，培养学生创新实践能力。

（五）个性化自主教学模式

个性化自主学习模式适合理论基础好和动手能力强的学习者。个性化自主学习模式以学习者为中心，教师提供学习者相关学习资料和信息，学习者根据教师提供的课题开展学习过程，主要包括学习相关研究资料、以小组形式开展实验设计、实施实验及对实验结果进行分析讨论。该教学模式不仅能够培养学习者自我学习能力，还能够使其掌握多元化的学习方式。在个性化自主学习过程中，不再以教师讲授为主，而是将实验相关的原理、内容、操作方法以提纲的形式提供给学习者，并借助各种微课程资源及网络学习资源展开自我学习的过程。学习者可以根据自己水平对任务清单中的内容进行重难点分析。对于自己不太熟悉的部分有针对性地进行深入学习，对于已经能够掌握的部分可以用较少的时间和精力进行学习。对于这种个性化自主教学模式，可以充分调动学习者的主观能动性，使学习者能够根据自身特点自主调适学习策略，在学习过程中真正做到“有的放矢”。该教学模式适用于学习习惯良好，实验基础扎实的学习者，能够激发学习兴趣，有利于提高综合实验能力。

（六）混合式教学模式

传统的实验教学模式是课前学习者根据实验指导书对实验目的、实验原理及实验内容等进行预习，课上根据教师的指导进行具体的实验操作、观察记录实验现象及分析实验结果。但是物理化学实验的特点是需要借助相关的分析仪器完成实验，而在学习者预习过程中，由于受实验条件、实验场地和师资不足等条件限制，几乎不可能为学习者提供实验预习环境，这样就不能达到实验预习效果。

以微课程为主的混合式教学模式主要针对实验仪器缺乏，以及实验药品有危险性，不适合开展学生实验的情况。融入微课程的混合式教学模式，不受实验仪器、药品以及空间限制，学习者借助微课程的动态视频功能不仅可以有效解决预习过程中实验操作不直观、分析仪器的构造及使用方法不具体等限制，还能够利用虚拟实验软件操作完成具有危险性的实验以及大型仪器设备的使用；学习者在预习和实验过程中遇到问题，可以通过微课系统软件及时将信息反馈给教师。教师根据反馈信息，适当调整教学活动，以达到更好的教学效果。该教学模式是对受到安全性、设备不足等限制无法开展的实验的一种补充，有利于学习者尝试不同类型的实验、接触大型仪器设备的使用、开拓化学视野、增强学习兴趣。

四、物理化学虚拟实验微课程的应用实效

（一）促进教学观念的改变

通过虚拟实验微课程平台的建设与应用，改变了传统物理化学实验课程以“讲授-接受”和“演示-模仿”为主的模式。通过实验课堂教学模式的多样化，有效解决了物理化学实验课堂理论内容枯燥乏味、难以理解，仪器设备操作繁琐、难以掌握等问题。教师不再是实验课堂主体，充分发挥学生的主体地位，激发学生对物理化学实验课的兴趣和学习积极性，解决理论内容更新滞后、与实际应用脱轨、跟不上科技发展进步等问题，促进化学实验教学内容、模式和方法改革，提高实验教学效果，实现培养创新型人才为根本目标。

（二）解决化学实验受时间空间等的限制

物理化学虚拟实验平台是基于校园网平台上建立的，学生可以在校内有网络的地方进入实验平台进行操作，不同于传统的化学实验室，只有在实验室开放期间学生才能进入实验室做实验，提高了实验学习的方便性。对于操作危险性较高、所用试剂毒性较大的实验也以讲述为主，利用虚拟实验平台可以模拟进行危险度高、试剂毒性大的实验，激发学生学习兴趣，提高动手实践能力。对于大型精密仪器的操作、使用以及注意事项等学习内容，可以通过虚拟实验平台实现，解决了教师在展示过程中学生受距离和角度等因素限制看不清楚的问题，最大程度实现了教育资源的公平化。

（三）理论与实践有效结合

物理化学课程的发展与实验技术的发展是密不可分的，利用虚拟实验技术实现人机交流、虚拟与现实相结合，实现教学模式多样化，提高教学效果。通过虚拟实验环境，熟练实验操作，掌握实验技术，应用实验仪器，有效加深学生对理论知识的认知，增加对实验操作的熟练程度，从而提升理论知识的学习效果；反过来，通过对理论知识的深入学习和熟练运用，有助于提升学生实验操作技能，加强综合素质教育。

（四）教学以学生为主体

实验教学不再以教师讲授、演示为主，教学模式发生了改变，以学生为主体，充分发挥学习者的主观能动性。物理化学虚拟实验微课程结合大学生的认知特点和认知心理，充分发挥学生的主体地位，激发学习者的学习热情和对新知识的渴望。学生对实验方案的设计、动手操作能力以及创新实践能力在虚拟实验中得到发展和提高，学习者能够感受到实验学习所带来的成就感、满足感，尤其是主动参与开放式教学的学生，当自己设计的实验方案能够实现并有效解决实际问题时，学生的学习热情高涨，很大程度提升学习者的参与度、动手操作能力、实践创新能力。

（五）共享网络资源，提升教学合作

虚拟实验微课程具有共享性和开放性。利用物理化学虚拟实验平台，开展了物理化学网络课程建设，基于互联网开放性和共享性的特点，实现了虚拟实验课程的开放和共享。通过授权的学生或学校可以进入虚拟实验系统进行实验操作，参与者可以进入同一个实验项目协作完成任务，也可以分别选择不同的实验项目进行独立操作，撰写并提交实验报告，对教学以及实验操作过程中发现的问题进行及时反馈。利用网络系统的开放性，不同专业、不同学院、不同院校共享虚拟实验网络教学资源，提升教学交流与合作。

（六）提升教师的教学能力

化学虚拟实验平台的应用和建设对教师教学能力、科研水平提出了更高的要求，教师不仅要钻研物理化学实验课程的相关知识、操作技能、仪器使用等，还要熟练掌握虚拟实验系统的技术原理，能够解决学生在虚拟实验模拟过程中遇到的问题，这对化学实验教师在计算机技术水平、网络协调能力等方面提出了新要求。在虚拟实验平台建设的推动下，教师积极参与相关技术培训活动、查阅相关资料、总结实验教学成果，促进教师教学水平、实验业务能力以及科研能力的不断提升。

五、结束语

物理化学虚拟实验微课程平台的建设是一个不断发展并逐步完善的过程，在日后的教学工作中，需要总结教学经验，发现不足及时改善，不断提高科研水平，从科研项目中提取具有针对性、代表性的课题引入到实验教学中，不断更新、扩展相关实验内容。虚拟实验微课程的开展有助于学习者综合实验素质的提高、知识迁移能力的增强和实验创新能力的提升。在实验教学过程中，教师要关注对微课程自身的评价和教学效果的评价，通过学生的反馈及时对教学方案进行修改。教师应根据实验者的学习能力和实验项目的特点来制定相应的微课程教学策略。物理化学虚拟实验微课程的教学模式需要在不断的实践和探索中进一步优化。