“虛實”結(jié)合的新實驗教學(xué)模式在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用*

廖　云，單德才，鄧昌愛

(南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南　衡陽　421001)

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“虛實”結(jié)合的新實驗教學(xué)模式在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用*

廖云，單德才，鄧昌愛

(南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南衡陽421001)

通過分析高校有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式的現(xiàn)狀，按照實驗項目選取、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式實施及規(guī)范化、系統(tǒng)化的思路對原有的實驗教學(xué)進(jìn)行了改革。主要提出了虛擬仿真實驗—真實實驗相結(jié)合的有機(jī)化學(xué)新實驗教學(xué)模式，模式按以虛為主和以實為主兩種教學(xué)活動展開，形成了多樣化的課程資源建設(shè)途徑和科學(xué)的實驗考核體系，對培養(yǎng)具有自主創(chuàng)新能力和實踐動手能力的高校人才具有重要意義。

有機(jī)化學(xué)；虛擬仿真；實驗教學(xué)模式；自主創(chuàng)新

有機(jī)化學(xué)作為高校 “四大基礎(chǔ)化學(xué)”重要成員之一，已經(jīng)逐步滲透到生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域[1]。作為有機(jī)化學(xué)教學(xué)中不可或缺的一環(huán)，有機(jī)化學(xué)實驗要求提高學(xué)生觀察問題、分析問題、解決問題的能力，并從實驗中逐漸培養(yǎng)出自主創(chuàng)新和實踐動手能力[2]。然而，目前大部分高校實驗教學(xué)模式單一，實驗設(shè)備陳舊，在這種實驗教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)受到極大的阻礙。

2013年，教育部《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，拉開了虛擬實驗教學(xué)中心建設(shè)的序幕，虛擬實驗教學(xué)在高校引起了高度關(guān)注[3]。虛擬實驗教學(xué)平臺借助虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，模擬真實實驗環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到實驗教學(xué)要求[4]。這種實驗教學(xué)方法逐步在高校中被應(yīng)用，如麻省理工學(xué)院的微電子在線實驗室、美國休斯頓大學(xué)的虛擬物理實驗室等[5]，雖虛擬實驗具有成本低、效率高、操作安全、資源共享等[6]優(yōu)點，但它也具有一定的弊端：學(xué)生不能直接接觸實物，容易造成理論與實踐的脫節(jié)。因此，有效利用虛擬仿真技術(shù)，同時又不造成與真實實驗脫節(jié)，成為改革實驗教學(xué)模式中亟需解決的問題。

鑒于此，筆者根據(jù)學(xué)院有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)的基本情況，并結(jié)合管理仿真實驗室的經(jīng)驗，提出了虛擬仿真實驗—真實實驗相結(jié)合(下文稱“虛實”結(jié)合)的新實驗教學(xué)模式，為有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)提供了一種新的、有利于學(xué)生創(chuàng)新能力提高的實驗教學(xué)模式。

1　有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式現(xiàn)狀分析

當(dāng)前多數(shù)高校有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)仍采用“課前預(yù)習(xí)—課堂實驗—課后報告”的形式。預(yù)習(xí)時，需要學(xué)生了解實驗內(nèi)容，由于無人督促，很多學(xué)生根本不預(yù)習(xí)，以致影響實驗的進(jìn)行，更談不上在實驗中獨立、主動的思考；課堂實驗時，學(xué)生按書本步驟操作，雖能接觸實驗儀器，但由于儀器數(shù)量不足，學(xué)生扎推使用儀器的現(xiàn)象比比皆是，這種“大鍋飯”似的實驗操作使得教學(xué)效果大打折扣，此外由于設(shè)備陳舊，學(xué)生不得不分散精力排除故障；課后，學(xué)生沒有機(jī)會重新操作實驗，對實驗結(jié)果的分析只能停留在理論層次，實驗報告答案千篇一律。整個實驗過程，受無人監(jiān)督、場地、設(shè)備等主客觀條件約束，學(xué)生很少做到自主獨立的學(xué)習(xí)，這種實驗教學(xué)模式在一定程度上抹殺了學(xué)生探索實驗的興趣，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

2　“虛實”結(jié)合的實驗教學(xué)模式

2.1改革思路

筆者提出的“虛實”結(jié)合的實驗教學(xué)模式，改革思路主要圍繞以下幾點展開：(1)打破“時空”限制，使學(xué)生能自行安排實驗時間和場所；(2)將“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變成“我要學(xué)”；(3)保證理論知識與實踐的銜接，避免“紙上談兵”；(4)盡量規(guī)避實驗儀器不足或有毒氣體排放等不利因素。具體思路如圖1所示：

圖1　“虛實”結(jié)合實驗教學(xué)模式的研究思路Fig.1　The research design of virtual-real combining experiment teaching method

第一階段按模塊選取實驗實驗項目，調(diào)試虛擬軟件，與所做實驗項目匹配，同時建設(shè)課程資源，使學(xué)生能通過多種途徑獲取教學(xué)資源；第二階段按以實為主和以虛為主兩種方案進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，形成虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式；第三階段對設(shè)計好的“虛實”結(jié)合的實驗教學(xué)模式進(jìn)行初步實施，并對學(xué)生進(jìn)行考核，并反饋教學(xué)效果，若反響不佳，進(jìn)一步調(diào)整教學(xué)設(shè)計，直至效果為佳；第四階段將教學(xué)設(shè)計、流程等進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié)，形成系統(tǒng)化、規(guī)范化的新實驗教學(xué)模式。

改革思路的重點在于采用以實為主和以虛為主兩種教學(xué)活動開展實驗，如圖2所示。對于基礎(chǔ)、綜合型實驗主要以虛擬實驗為主，而創(chuàng)新、綜合型實驗則以真實實驗為主，以下將分別加以闡述。

圖2　“虛實”結(jié)合的實驗教學(xué)模式Fig.2　Virtual-real combining experiment teaching method

2.2以虛為主的教學(xué)活動開展

以虛為主實驗主要包括課前預(yù)習(xí)、課中實驗考核與討論、課后鞏固三階段(圖2上部)。

(1)課前預(yù)習(xí)階段 學(xué)生在個人計算機(jī)上安裝教師指定虛擬軟件，在宿舍等場所即可完成課前預(yù)習(xí)。如在“無水乙醇的制備”實驗中，學(xué)生進(jìn)入實驗界面后，有兩種操作模式可供選擇：訓(xùn)練操作模式和考核操作模式。訓(xùn)練操作模式不計分?jǐn)?shù)，附有詳細(xì)的實驗操作步驟供學(xué)生查看，如圖3所示，學(xué)生可完成對實驗?zāi)康摹⒃淼鹊膶W(xué)習(xí)，還可參考視頻演示。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生即可對本實驗有初步了解。

圖3　無水乙醇虛擬實驗Fig.3　The virtual experiment of alcohol

(2) 課中實驗考核與討論并重階段 正式上課時，學(xué)生進(jìn)入仿真實驗室。課堂教學(xué)主要包括三個方面：①實驗考核，學(xué)生進(jìn)入虛擬考核操作模式，對操作進(jìn)行計分考核，沒有完整的操作步驟提示，教師可根據(jù)得分了解學(xué)生預(yù)習(xí)情況。②課堂討論，學(xué)生可將實驗中出現(xiàn)的問題提出，所有學(xué)生通過討論共同解決。討論形式可多樣化，分組或自由發(fā)言均可，教師記錄學(xué)生發(fā)言情況。③教師答疑，對于學(xué)生無法解決或容易忽視的問題，教師可答疑補(bǔ)充。課堂教學(xué)旨在發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性，提高對實驗的熱情。

(3) 課后鞏固階段 課后的鞏固可結(jié)合實驗報告、與真實實驗對比等手段進(jìn)行。實驗報告不應(yīng)照搬書本中實驗原理、目的等內(nèi)容，教師應(yīng)根據(jù)虛擬實驗課堂教學(xué)情況設(shè)計實驗報告，多設(shè)計總結(jié)性或有利創(chuàng)新思維的問題，如總結(jié)本實驗中出現(xiàn)的問題、如何解決，如何更好設(shè)計本實驗等等，必要時，可采取真實實驗演示、觀摩實驗儀器(對于某些特殊儀器)等手段來鞏固實驗。

2.3以實為主的教學(xué)活動開展

對于創(chuàng)新研究型和部分綜合型實驗，教學(xué)活動的開展別具一格，主要體現(xiàn)在學(xué)生的自主性比較大。教學(xué)流程包括選題和設(shè)計，實驗，成果驗收三部分(圖2下部)。

(1) 選題和設(shè)計 學(xué)生根據(jù)實驗條件和興趣選擇實驗項目，內(nèi)容應(yīng)和虛擬實驗有所區(qū)別，側(cè)重于實驗的綜合性和創(chuàng)新性。之后，學(xué)生通過查閱資料設(shè)計實驗流程，分析實驗的可行性，形成系統(tǒng)的實驗方案。設(shè)計實驗流程時，教師需進(jìn)行把關(guān)，規(guī)避實驗設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致的危險。

(2) 實驗 選題和實驗設(shè)計完成后，學(xué)生即可開展實驗，對于在化學(xué)實驗室進(jìn)行的實驗，教師綜合所有學(xué)生的實驗項目，統(tǒng)籌安排實驗時間；對于在導(dǎo)師課題組進(jìn)行的實驗，可自行與課題組協(xié)商。實驗開展過程中，教師定期檢查學(xué)生實驗記錄。對于某些具有一定難度的實驗，可由幾個學(xué)生共同完成，另外，創(chuàng)新研究型實驗可結(jié)合高校的實驗競賽一起開展，如與“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”“化學(xué)實驗競賽”等等結(jié)合。

(3) 成果驗收 成果驗收應(yīng)以實驗記錄、實驗成果為主，如某些合成實驗，成果應(yīng)包括合成的產(chǎn)品及其性能檢測結(jié)果，還可要求學(xué)生以科研論文的形式呈現(xiàn)實驗成果，對于失敗的實驗，可提交經(jīng)驗總結(jié)等。

3　課程資源建設(shè)及實驗考核體系改革

“虛實”結(jié)合的新實驗教學(xué)模式的開展需要有更加科學(xué)合理的課程資源和評價考核體系作為支撐，才能最大限度發(fā)揮新實驗教學(xué)模式的優(yōu)勢。

(1) 課程資源建設(shè) 在信息化時代，實驗課程資源建設(shè)途徑是多樣化的，網(wǎng)絡(luò)資源的利用成為一種更加便捷的方式，如圖4所示。因此，有機(jī)化學(xué)教研室有必要將實驗教材、教學(xué)PPT、虛擬軟件、演示視頻等豐富的資源發(fā)放在學(xué)院網(wǎng)絡(luò)平臺上，使實驗室無處不在。教師對學(xué)生的實驗指導(dǎo)，不局限于實驗室、課題組等面對面的交流，還可通過QQ、微信等網(wǎng)絡(luò)途徑進(jìn)行。

圖4　課程資源建設(shè)途徑Fig.4　The development of course resource

(2) 實驗考核體系改革 以往學(xué)生實驗成績一般由兩部分組成：平時成績70%+實驗報告30%，這樣容易造成實驗報告互相抄襲、實驗過程消極怠慢等現(xiàn)象，不利于發(fā)揮學(xué)生獨立自主性。本模式按兩種教學(xué)活動展開，因此，考核方法也可多樣化。對于虛擬實驗，考核體系可包含以下幾方面：實驗預(yù)習(xí)20% (通過考核模式了解預(yù)習(xí)情況)，實驗操作20%，課堂討論20%，實驗報告20%，實驗態(tài)度10%，創(chuàng)新點10%(對敢于提出創(chuàng)新性想法的學(xué)生，應(yīng)予以鼓勵)。對于真實實驗，考核方法具體可如下：選題和流程設(shè)計的新穎及合理性30%，實驗操作及問題處理能力30%。實驗成果展示40%。考核方式分為自評、他評和師評。虛擬實驗和真實實驗成績加權(quán)組成學(xué)生最終成績。可以看出，無論是虛擬實驗，還是真實實驗，考核方法都偏重學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實踐操作能力，符合有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)。

4　結(jié)　語

真實實驗與虛擬實驗互為補(bǔ)充的實驗教學(xué)方法源于當(dāng)代高校化學(xué)實驗室建設(shè)中出現(xiàn)的各種問題，也符合國家對實驗教學(xué)建設(shè)的最新政策[7]。本文提出的“虛實”結(jié)合的新有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式，按照兩種教學(xué)活動展開，能同時發(fā)揮真實實驗和虛擬實驗的優(yōu)勢，有利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力和實踐操作能力的提高，對培養(yǎng)高素質(zhì)的高校人才具有重要的意義。本實驗教學(xué)模式將在學(xué)院有機(jī)化學(xué)實驗中逐步開展。

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[2]張大海, 張靜, 李先國,等. 基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)策略研究[J]. 教學(xué)研究, 2014, 37(5): 68-70.

[3]教育部. 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z]. 高教高司函〔2013〕94號文件, 2013.

[4]董林芳. 基于仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)模式[J]. 計算機(jī)教育, 2014(20)： 97-100.

[5]吳涓, 孫岳, 民雷, 等. 東南大學(xué)機(jī)電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進(jìn)展[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(10): 5-9.

[6]李亮亮, 趙玉珍, 李正操,等. 材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[J]. 實驗技 術(shù)與管理, 2014, 31(2): 5-8.

[7]王曉迪. 虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J]. 實驗技術(shù)與管理, 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

南華大學(xué)2015年高等教育研究與改革課題資助(2015XJG18)。

廖云(1985-)，女，實驗師，主要從事實驗室管理及高分子研發(fā)。

TQ914.1

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1001-9677(2016)09-0196-03