基于虚拟仿真技术的有机化学实验教学改革与探索*
2022-07-13李丹丹鞠志宇侯旭锋牛亮峰黄夕瑶
李丹丹,鞠志宇,侯旭锋,牛亮峰,黄夕瑶
(许昌学院化工与材料学院,河南 许昌 461000)
实验教学不仅是现代大学发展水平的标志,也是人才培养质量的重要保障。近年来,随着多学科交叉融合的发展,有机化学教学在化工、应化、化学、材料、制药、食品、医学等专业人才培养中至关重要。有机化学实验与其相辅相成,经过实验训练,既可以加深了学生对理论知识的掌握,还可以提升他们的实验操作技能。同时,实验教学也是培养学生的应用操作能力、科研素养、实践创新能力和科学思维的重要途径[1]。因此,切实有效地提高有机化学实验的教学质量,对化工等相关专业的教学具有重要的意义。
1 有机化学实验传统教学的现状
目前,我校的有机化学实验教学模式为:下达实验任务-学生课前预习-教师课堂实验讲解+操作展示-学生实验-教师随堂指出问题-学生上交实验报告-教师点评。新冠肺炎疫情期间,我校有机实验课几乎处于停滞状态,这给我们实验教师敲响了警钟,不改变传统的教学模式,就不能适应教学形势的发展,也很难迎接新的挑战。经过与多专业学生的接触和多年的实验教学总结,发现存在以下问题:
1.1 实验预习效果欠佳
实验预习的程度直接决定了实验的成败和实验效果,而实际检查中发现,学生对预习不够重视,多数预习报告停留在抄写书本内容,对实验内容一知半解。
1.2 教学模式单一,学生缺乏实验兴趣
由于教学模式单一,学生对实验的理解不透彻,做实验时经常照方抓药,没有实验的兴趣和热情,遇到不能解决的问题时更是手足无措。
1.3 不能有效地规避安全问题
尽管老师在上课一再强调实验中的安全问题,但是由于实验场地有限,实验人数过多,实验过程中仍然存在安全隐患和学生受伤等情况。
1.4 实验仪器及药品损耗较多及环境污染等问题
由于学生的预习不够,讲解及操作演示时受实验场地、人数等问题的影响,实验操作过程繁琐,经常存在学生操作失误、损坏仪器及操作失败的问题,在一定程度上加剧了仪器及药品损耗和环境污染。
因此,如何改变当前的实验教学方式,适应的新的变化和发展,提升教学效果和学生的动手能力迫在眉睫。
2 虚拟仿真技术及其应用于有机实验教学的意义
虚拟仿真实验以计算机技术为基础,融合了网络通讯、多媒体、人机交互、数据库等多种技术[2],是一种在互联网环境中进行的以培养学生探索精神和实践操作技能为目的虚实结合的实验手段[3],它由美国Virginiada大学的William Wolf教授于1989年提出[4]。它通过虚拟仿真技术模拟实际实验的场景、药品和设备,让学生在构建的虚拟环境中开展实验,从而达到实验教学效果[5]。
2015年,教育部办公厅明确指出,“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[6]。”这不仅强调了虚拟仿真实验教学的重要性,也为实验教学改革指明了方向。基于当前有机化学实验教学的现状,我们在实验教学中引入虚拟仿真技术,打破实验教学中实验室场地、仪器数量、药品危险性,实验普适性等多重限制,以达到补充有机实验教学的盲点,丰富现有实验内容,提高学生的实验热情和教学效果的目的。
3 虚拟仿真技术应用于有机实验教学的探索与改革
根据目前有机化学实验的内容和开展情况,基于虚拟仿真技术,我们从以下几个方面开展了实验教学改革和探索:
(1)基于虚拟仿真技术的有机化学实验内容分类与整合
以培养学生的自主学习能力、应用实践能力和创新思维能力为目标,促进虚拟仿真技术与有机实验教学内容的有机融合,我们从学生认知发展的角度出发,将现有的有机化学实验内容分为基础类实验、综合类实验两大类。基础类实验由实验安全、实验药品、实验仪器、基础操作四部分组成;综合类实验由制备性实验、创新性实验、危险性实验三个部分组成,如图1所示。
图1 基于虚拟仿真技术的有机化学实验内容分类Fig.1 Content classification of organic chemistry experiment based on virtual simulation technology
其中,实验安全主要包括实验室安全知识、危险品的使用安全,突发及应急事故的处理等内容。实验药品模块主要是指药品的物质性质参数、贮存方法、主要用途等。实验仪器包括常用玻璃容器和有机单元组件,其中里面详细介绍了仪器的名称、用途、使用方法、注意事项等。基础操作主要有:常压蒸馏、回流、减压蒸馏、萃取分液、干燥、重结晶、薄层色谱以及柱色谱等。基础实验操作是开展综合实验的基础和保证,而实际教学过程中,部分学生并不能掌握规范的操作步骤。如果让学生通过虚拟实验平台进行虚拟操作,提前体验实验的过程,找出自己的不足,就可以实际操作中加强巩固基础操作。通过这种虚实结合的教学方式,既能弥补实际操作实验的不足,又能增添实验的趣味,加强实验教学的效果。
综合实验的目的是考察学生对有机基础知识和基本操作的综合运用能力。学生需要清楚实验原理,理解实验方案和实验流程(或者自行设计实验方案),熟练进行实验操作。对于操作性强的实验,学生可以先在虚拟平台进行训练,然后再实操;对于危险性强和实验条件要求高的实验,学生可以自行虚拟练习,再进行虚拟仿真操作考试。
对有机实验内容的分类与整合,是实验内容的模块化,也是我们虚拟实验平台的搭建过程,依据虚拟实验平台,开展有机化学实验教学。
(2)基于虚拟仿真技术的有机化学实验预习改革
传统的有机实验预习局限于实验报告的简单抄写,造成学生对实验仪器不清晰,实验内容理解不透彻,操作步骤不清楚等问题。为了使学生全面的掌握实验仪器使用方法,理解实验内容,掌握操作步骤,实验老师需要付出大量的时间和精力对整个实验过程进行梳理、总结,然后在有限的时间和场地内对学生进行填鸭式的讲解和恶补式的灌输,然而,虽然老师付出了很多,教学效果仍然不佳,学生的实验热情也不高。针对目前的状况,我们将细化预习环节,释放教师课堂讲解的压力,将有机实验与moolsnet微信小程序、MOOC教育平台,MLabs虚拟教学仿真实验平台等充分结合,变学生被动灌输为主动学习,通过变换学习手段和增加学习趣味来提高学生的实验兴趣和教学效果。因此,我们以化工专业的实验为切入点,在基础实验、综合实验(制备实验、危险实验和创新实验)的基础上,提出了新的预习改革方案如图2所示。
图2 基于虚拟仿真技术的有机化学实验预习改革Fig.2 Organic chemistry experiment preview reform based on Virtual Simulation Technology
以正溴丁烷的合成为例:学生接到实验项目后,对应教师给出的先导问题预习课本,了解实验操作步骤,完成思考题,期间可以通过中国大学MOOC等一系列资源自主学习。然后登陆微信小程序moolsnet,开始实验安全与新的仪器学习环节,如图3和图4所示。
图3 仪器模块Fig.3 Instrument module
图4 实验安全模块Fig.4 Experimental safety module
在完成以上任务的基础上,登陆手机APP程序MLabs移动虚拟实验平台进行实验操作,后台会相应的根据操作给出成绩,部分演示如图5所示。
图5 虚拟实验平台部分操作演示Fig.5 Operation demonstration of virtual experiment platform
经过以上几步的预习,学生可以清晰的认识每个新仪器、了解整个实验过程以及操作步骤,在实际上课实验时就能游刃有余,大大提高实验的教学效果。
(3)基于虚拟仿真技术的危险实验操作、创新实验改革
由于有机化学实验的特殊性,平时的基础实验和综合实验都是经过一系列考量而挑选的相对安全的实验(试剂毒性相对较低,操作危险性小)。对于那些试剂毒性高,操作危险的综合实验和创新实验,我们很难在实验室通过教学实现。但是,一些相对危险的实验或者是创新实验又是以后科研实践必备的技能。我们将虚拟仿真技术引入有机实验,使学生通过虚拟实验平台完成这些实验操作,不仅填充和丰富了有机化学实验的教学内容,还保证了学生的安全,大大减少了实验损耗和投资,同时避免了实验带来的环境污染。
(4)基于虚拟仿真技术的课程评价体系改革
目前,学生的实验成绩由平时成绩和期末考试组成。其中,平时成绩为前几次实验的平均成绩,占总成绩的百分之六十;期末考试为最后一次实验的实操成绩,占百分之四十。这种评价体系往往造成实验报告冗长,抄袭了事,实验独立操作能力不强等问题。为了充分发挥学生的独立自主性,提高实验效率和实验教学效果,我们提出了基于虚拟仿真技术的新的评价体系(如图6所示):对于基础实验和部分综合实验,评价体系由实验思考题20%,虚拟训练操作20%,实验操作30%,实验态度10%,实验报告(包括总结及讨论)20%。对于创新实验(设计实验),评价方法可以包括: 实验方案设计的新颖性及合理性30%,实验操作及问题处理能力40%,实验结果及报告30%。评价体系更注重学生自主学习能力的养成、专业素养的培养、实践操作能力的提升和创新意识的激发。
图6 基于虚拟仿真技术的课程评价体系Fig.6 Course evaluation system based on virtual simulation technology
4 教学效果
经过一个学期的教学实践,我院20级化工专业的学生对虚拟技术应用于有机化学实验教学的认可率在99%以上。在实验课上我们发现,学生在实验时更积极,更愿意思考问题,动手操作能力不仅得到了提升,做实验的效率也得到进一步提高。通过问卷调查和课后交流,多数同学认为这种教学改革非常有趣,既能直观的认识实验仪器,又可以提前进行虚拟操作,大大避免了实际操作过程中手忙脚乱的问题,更有助于对实验原理和过程的思考。总之,虚拟仿真技术应用于有机实验教学,在激发学生主动探索实验的同时,还能让学生在虚拟场景中体验具有危险性的实验过程,大大降低了实验的事故率、减少了仪器损耗和环境污染。
5 结 语
随着信息化技术的发展,将虚拟仿真技术融入到实践操作强的课程中已成为现代化教学的趋势。通过教学实践我们发现:虚拟仿真实验的引入使课堂教学的效率得到提高,学生对有机化学实验的学习兴趣和热情得以充分调动,实验仪器的损坏和实验失败的概率大大降低。在教学效果提升的同时,我们也应该清楚:虚拟仿真技术融入实验教学,是对传统实验教学的补充和优化,它并不能代替传统的实验教学,更不能离开课堂实际操作的训练,否则,学生的实验水平只能停留在理论上,手动能力和分析解决问题的能力将会大打折扣。因此,如何将虚拟仿真技术与实验教学有机融合,充分发挥虚拟实验与实际实验的各自优势,提升实验教学效果将是我们以及教学工作者一直探究的方向。