高校基础化学实验数字化教学模式的探讨

摘要：介绍了几种高校基础化学实验教学中常用的数字化模式、数字化技术，应用于高校基础化学实验教学过程中的开发重点以及数字化教学模式下的考评方式。通过数字化技术，既能实现“线上+线下”结合的实验教学新方法，又可以实现不受空间限制的远程教学，同时倒逼建立一套适应数字化教学的公平合理且具有激励功能的考评机制。

关键词：高等教育；基础化学实验；数字化教学

中图分类号：G642文献标识码：A

ExplorationofDigitalEducation

forBasicChemistryExperimentsinUniversities

MaXiaona1，2JiLiangliang1，2XuBei1，2

1.HohaiUniversity，KeyLaboratoryofComprehensiveManagementand

ResourceDevelopmentofShallowLakes，MinistryofEducationJiangsuNanjing210098；

2.SchoolofEnvironment，HohaiUniversityJiangsuNanjing210098

Abstract：Thispaperintroducesseveraldigitalteachingmodescommonlyusedincollegebasicchemistryexperiment，thedigitaltechnologyappliedincollegebasicchemistryexperimentteachingandtheevaluationmethodunderthedigitalteachingmode.Throughdigitaltechnology，itcannotonlyrealizethenewexperimentalteachingmethodcombining"online+offline"，butalsorealizetheremoteteachingwhichisinaccessible.Atthesametime，itisnecessarytoestablishafair，reasonable，andmotivationalevaluationmechanismthatadaptstodigitization.

Keywords：Highereducation；Basicchemistryexperiment；Digitalteaching

教育数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口。进一步推进数字教育，为个性化学习、终身学习、扩大优质教育资源覆盖面和教育现代化提供有效支撑［1］。在过去几年内，随着信息技术的快速发展，教育也进入了数字化时代，利用信息技术、互联网技术、人工智能等多种数字化手段，支持和开拓教育教学新模式，实现教育信息化、个性化教育、在线教育等［2］。

高等教育着力于培养高素质、高质量的复合型人才，为适应数字化时代的发展，高等教育的数字化转型已经成为高等教育发展的必然选择。实践教学是培养学生理性探索、批判质疑、技术应用及创新实践等核心素质的重要载体，实践教学形式与理论教学有较多区别，本文着重探讨教育数字化背景下的实验教学模式。

1基础化学实验的数字化教学

高校基础化学实验是理工类专业的必修基础实验课程，是接触性、过程性的教学，传统的化学实验课程存在自身的局限性，化学实验具有危险性和污染性，反应时间过长，实验现象不明显，操作过于复杂且仪器精密昂贵［3］，实验内容更新慢；容易出现“照方抓药”问题，缺乏对学生自主学习和独立思考能力的培养。

高校基础化学实验的数字化教学，将数字化技术应用到实验中构建数字化教学平台，提供丰富多样的学习资源，高效、综合、全面地传递知识，提高学生的学习兴趣，摆脱传统实验模式的弊端，通过数字化提高实验教学的效果，完成理论和实验的贯穿融合。

1.1推行虚拟仿真化学实验平台

虚拟仿真实验，可以借助虚拟仿真技术、VR人工智能、智能交互系统等构建一个贴近真实的实验场景，实现沉浸式的实验教学，激发学习兴趣，提高学生的参与度。虚拟仿真实验对化学反应的现象能够准确呈现，使实验进度可调控，便于学生观察实验现象，体验实验过程，提高学习效果。通过虚拟仿真技术，使实验器材、化学用品、实验环境、实验条件等虚拟化，减少了试剂的使用和危废物的产生，消除了实验中可能存在的危险因素，节约实验成本，减少了环境污染，实现了绿色化学理念。虚拟仿真实验满足了各种情况下所需的远距离线上教学需求，支持较多用户同时在线操作。在虚拟仿真实验的教师端，可根据实验属性进行划分类别，根据实验过程制定操作手册，根据实验结果评定成绩，形成完整的实验教学方案。

虚拟仿真实验我们可以利用电脑和手机上的小型软件进行操作，同时国家也有开放性的虚拟实验平台供教师和学生们操作使用，如国家虚拟仿真实验课程共享平台。现在虚拟仿真技术被越来越多地应用于实验教学和各种实验技能大赛中。

1.2线上直播技术优化演示实验

随着直播技术的成熟和流行，利用线上直播技术开展实验教学，符合新时代学生的兴趣和习惯，既能解决空间上的限制，又能满足化学实验中实物操作性的需求。通过线上直播，能够将实验教学过程实时地、清晰地、完整地传达给学生，避免了教师在一个实验台演示指导实验内容时，其他实验台学生不能清晰地看到问题，提高教学效果和学生积极性。为此，需要构建适应直播的新型化学实验室，主要增加直播设备，例如多角度摄像头、收音设备、灯管器材、手持设备等。需要注意的是，直播软件和设备需要简单易操作，方便授课教师能够一人操作并迅速开展教学。

在高校基础化学实验中的验证性实验，不存在特殊的实验技能，特别适合采用线上直播技术进行演示，比如无机及分析化学实验中水溶液中的解离平衡、氧化还原反应和配合物生成和性质实验，教师进行实验演示与学生进行互动，学生通过直播思考和观察实验现象。该直播过程中学生主动参与进来，培养学生独立思考的能力，并且减少了有毒试剂的使用及实验危废物的产生。

1.3基础化学实验教学的大数据化

基础化学实验教学在实现线上数字化教学的过程中，必须将个性化实验教学设计、过程性实验数据、多样化的评教2ZYFEfzejFkMjLZFLmYVXKck6njXETw+mgz2Ns2kJ1s=评学体系等纳入数字化系统之中，形成完整的化学实验教学的数据库。完整的化学实验教学数据库应包括三个方面：收集分析工具，能够采集实验案例、实验数据、实验结果并对学习过程和结果进行分析；交互研究工具，对师生之间的交流讨论提供平台，开放式的空间更能激发教学活力；教学评价工具，新的教学改革需要新的教学评价体系，大数据是信息时代教学中不可或缺的评价工具。

国家高等教育智慧教育平台中，汇集了包括中国大学MOOC、学堂在线、智慧树等各大平台的优质资源，其中关于化学实验的相关课程就有100多门，实现了化学实验教学的大数据化。

关于基础化学实验的数字化教学，在实际教学实践中已有较多实例和应用。有学者提出采用现有的教学平台如爱课程网、中国大学MOOC等资源，供学生自主学习，通过平台为学生进行直播，并充分运用虚拟仿真实训室，进行分析化学实验教学。还有学者提出以化学实验中的酸碱滴定实验为例介绍采用在线开放课程共享平台、虚拟仿真训练等线上教学，学生自主进行线下实验的混合教学实践研究。李青原等［4］不仅采用网络、虚拟仿真项目和微课开展了“有机化学实验”的线上教学，并对该数字化教学效果进行了调查，结果显示该教学模式直观清晰、互动方便，并且实现了人机互动，教学效果良好。

2基础化学实验数字化教学的开发重点

基础化学实验是在实验者、实验手段、实验对象三者相互作用下进行的，实验教学更注重在预定的设计方案下，控制实验对象和实验手段，将最佳的实验现象呈现出来，并传达给实验者，在这个过程中，实验教学的认知功能和方法论被学生吸收。数字化教学使化学实验更突显学生主体，多角度、多感官提高教学体验，丰富教学手段。

2.1基础化学实验教学设计的在线参与性

基础化学实验的教学目的是提高学生的科学素养，因此实验教学设计要根据学生的认知和能力，对实验内容进行设计，把握好深度和广度。线上数字化的手段，可以使学生非常方便地参与实验教学设计，师生共同讨论生成的实验设计，是基于学生的知识储备水平和教师的指导而形成的最佳教学途径。教师可以用数字化的手段，根据实验条件和学生特点决定实验的组织形式。

2.2探索性基础化学实验的数字化实现

探索性基础化学实验着力于使学生自主发现问题、解决问题，培养学生的创新意识和创新能力。以往受限于传统化学实验的危险性以及时间、条件等因素，探索性化学实验在教学中常常被舍弃，而数字化手段使实验的探索性更加有发展空间。实验中有一些探索性的内容，在普通课堂实验中很难进行，而数字化虚拟实验可以同步实施，更多的实验条件可以改变，以激发学生的思辨能力。

2.3基础化学实验在数字化进程中的基本设计

按照基础化学实验教学的要求，数字化设计应遵循实验教学的基本操作。（1）实验技能。包括称量、移液、定容、萃取、离心、清洗等基本实验技能，必须在数字化实验中准确体现。（2）实验原理。要具备实验原理的数据库，方便学习、查询和使用，例如化学反应平衡方程就包括质量平衡方程、电荷平衡方程、温度校正方程等。（3）创设情景。也就是提出问题的过程中，贴近实际功能，使问题具有针对性、科学性、启发性。（4）需要用到的仪器和试剂，详细的实验步骤提示和注意事项，实验结果数据的处理与讨论。

3数字化模式下基础化学实验的考评机制

在数字化教学时代，基础化学实验的考评机制应当与数字化的改革相协调，能够有效评估学生的学习效果，提高学生的学习动力，同时体现教师的教学水平。新的教学手段倒逼新的考评机制，没有一套公平合理且具有激励功能的考评机制，将不利于化学实验的数字化教学改革。

3.1数据量将成为学生评分的重要权重

数字化的基础化学实验对整个实验过程进行数据统计，例如前期查阅文献数量、学习实验原理时长、实验的次数、结果的差异、交流讨论的内容等，这些都成为评价学生学习效果的可视化参数，能够有效提供过程性考核。多维度的数据量，及时地反馈给学生，在学生中也能产生激励作用，使学生更加注重自主学习、发现问题、团队合作等能力的培养，并能及时调整化学实验学习的策略。教师参考学生在实验过程、实验结果、实验报告、实验讨论、实验答辩等各方面的数据［5］，在合理的权重的综合评分中，保证学生成绩的公正性和客观性。郑会勤等［6］根据实验课前、课中、课后会涉及的问题，整理了20项可以量化的标准，设计了量化的实验课程学习成果评价表，很好地解决了因实验课程影响因素多而无法全面检验学生学习成果这一问题。

3.2PBL教学法的数字化指标

以解决实际问题为导向的PBL（ProblembasedLearning）教学法，同样非常适合数字化条件下的教学［7］。但是，如何评价PBL教学方法的教学效果，尤其是线上教学的实际效果，值得进一步研究。按照基础化学实验教学的基本流程，数字化的评价机制对PBL教学过程可以大致形成以下指标项目。（1）“课题价值”，学生发现或选择的实验问题，是否对要掌握的化学实验具有价值；（2）“实验讲解”，教师对学生的引导和讨论，是否对解决实验问题具有价值；（3）“报告体验”，学生提交的实验报告，是否反映实验的预见性、合理性和规范性。

3.3助教参与的评价模式探索

研究生助教参与实验教师的工作，是经常用到的教学方法，但由于助教评价机制的不完善，导致助教的工作遇到阻碍。而在数字化的化学实验中，助教的作用可以凸显出来，因为数字化产生的海量的数据，以及数字技术的操作，都需要助教来完成。研究生助教具有年龄优势，在信息社会背景下成长起来，更了解数字技术，更快地掌握相关软件的使用，为线上化学实验的开展解决技术问题。借助数字化的手段，使研究生助教的选聘选任、任务分配、培训学习、评价机制等实现量化，成为研究生助教在将来的学习和工作中具有价值的评价参数，从而建立良好的助教文化。

结语

基础化学实验的数字化是以数字化信息和网络为基础，对基础化学实验的教学环境重新建构，通过对实验数据的收集、处理和应用，使数字资源得到充分优化，在满足化学实验需求的基础上构建一个数字空间，以促使化学实验教学不再受限于传统课堂物质环境的束缚，实现化学实验的全面信息化。基础化学实验数字化教学的实施突破了对传统实验教学模式的依赖，形成全新线上线下融合的实验教学新模式。但是同时我们也应该平衡好线上线下实验课程的关系，化学实验课程毕竟是一门实践性课程，具有其自身不同于理论课程的鲜明特点，数字化技术只能起到辅助作用，要避免流于形式的被动看和听，要充分发挥数字化技术对实验教学的正面意义，推动化学实验课程的数字化改革，真正达到线上线下实验教学的有效结合，实现高校实验教学的创新。

参考文献：

［1］加快建设教育强国为中华民族伟大复兴提供有力支撑［N］.人民日报，20230530（1）.

［2］李春明.数字化时代下的区域智慧教育建设探索和思考［J］.现代信息科技，2023，7（24）：193198.

［3］章建东，吴莹，严吉林，等.线上线下混合式实验教学模式的改革与探索［J］.大学化学，2022，37（2）：1926.

［4］李青原，邵建群，石晨，等.《有机化学实验》线上教学探讨与实践［J］.中国教育信息化，2021，12：5255.

［5］曹锰，徐胜，张尚玺，等.高校普通化学实验线上教学探索研究［J］.广州化工，2020，48（24）：167168+202.

［6］郑会勤，张永强.基于OBE理念与“互联网+”的地方高校实验智慧教学模式探究［J］.河南教育学院学报（自然科学版），2023，32（03）：5055.

［7］申彦，杜建国，童金根，等.虚实结合PBL双创课程教学研究［J］.实验技术与管理，2020，37（4）：231233.

基金项目：2021年度河海大学中央高校基本科研业务费项目“基于分子印迹聚合物的环境样品中硝基化合物的前处理和检测”（B210205017）

作者简介：马小娜（1989—），女，汉族，山东潍坊人，硕士，实验师，研究方向：化学类相关实验教学和实验室管理工作。