高校有機化學實驗教學改進之虛實結合

楊琴(西華師范大學化學化工學院，四川 南充 637002)

關鍵字： 實驗教學；虛擬仿真；虛實結合

0 引言

實驗教學是高校化學教學的重要組成部分。在實驗操作中學生不僅能鞏固化學理論知識，而且能加強學生實踐操作能力。理論與實踐相結合是科學學科的重要教學和學習方式。新世紀對人才的要求也提出了實踐能力、創新能力的培養。由此可見實驗教學是高校化學必不可少的一部分。然而，據調查，現如今高校學生對有機化學實驗課程普遍缺乏學習興趣。由此可見高校有機化學實驗教學改進迫在眉睫。

1 存在問題

傳統的高校有機化學實驗教學模式為教師講解實驗原理、實驗操作等知識后學生按照老師講解按部就班完成實驗。現如今高校學生人數增多，實驗場地、實驗儀器設備等補充趕不上學生人數增長。許多高校采取學生小組搭檔實驗，這樣導致并不是所有學生都能積極主動參與實驗課程中。此外，由于有機化學實驗本身也存在一定風險因素，導致學生對其有思想顧慮。高校有機化學實驗教學存在問題主要集中在以下兩方面。

1.1 外在問題

高校學生較以往有大幅度增長，許多高校存在實驗室不足，實驗室容納人數較多，師資力量不足，高校實驗教學生師比例普遍較高。有些高校一個教師甚至一堂課程需要承擔30多個學生的實驗指導。眾所周知，有機實驗課程主要時間是學生的動手操作，很多時候多個學生可能同時在完成同一個操作，如樣品的取用方法、添加等，這樣的操作可能全班同學在數分鐘內就全部完成，一個指導老師不可能在這么短的時間內關注到所有同學的操作。此外，學生在實驗過程中也會存在一些疑問，一個指導教師對應30多個學生的情況下，一節實驗課的課時有限，老師完全可能會出現顧此失彼現象。其中部分學生可能會長期得不到老師的關注，這會造成這部分學生慢慢地對有機化學實驗課程失去興趣。同時，這樣傳統的實驗課會造成指導老師一直不停的指導學生仍然沒法滿足學生需求，長此以往，實驗教師會身體過于疲憊，對實驗課程的教學也會失去信心和耐心。

1.2 內在問題

高校有機化學實驗教學內在問題主要是由有機化學實驗課程本身的特點決定。有機實驗課程存在以下幾個特點。第一，實驗課程時間長。一個普通的有機物的制備包括合成、分離提純、物質檢驗。如經典的有機制備實驗正溴丁烷的制備，課堂上老師講解約30分鐘，學生加料-搭建裝置-合成，這一步驟約1～1.5小時。分離純化包括蒸餾、多次洗滌分液，這一過程需1～1.5小時，如果檢驗方法采用測試產物沸點又需0.5小時以上。實驗結束后學生還要清洗儀器、整理桌面又需約0.5小時。整節實驗課順利完成需4～4.5小時。我校學生下午上課時間為14:30開始，如果下午開課，實驗課結束大概在18:30～19:00。晚上第一節上課時間為19:00，這樣一來，如果晚上有課的學生沒有一點休息時間，甚至連晚飯時間都很著急。這不僅影響學生其他課程的學習，也給學生造成身體健康的不良影響。試問這樣的實驗課程又怎會讓學生對其產生興趣、產生好感呢？第二，有機藥品氣味難聞。我校開設的有機化學實驗有己二酸的制備、輔酶法合成安息香、肉桂酸的制備及水蒸氣蒸餾、康尼查羅反應制備苯甲酸和苯甲醇、乙酰乙酸乙酯的制備、苯甲酸異戊酯的制備、甲基橙制備、三苯甲醇的制備等。這些實驗項目會環己醇、苯甲醛、異戊醇、N,N-二甲基苯胺、溴苯、乙醚等均為氣味難聞、毒性較大的藥品。一次實驗課程學生一般在實驗室呆4小時左右，長期在這環境下，影響學生及老師身體健康。第三，有機實驗危險性大。有機實驗中不僅會大量使用有毒有害藥品，揮發性、腐蝕性、易燃易爆也是藥品也會經常用到。學生往往會對有機實驗產生恐懼和排斥心理。

綜上所述，傳統有機化學實驗課程無論從教學硬件設施還是課程本質都不利于學生學習積極性提高。因此對傳統有機化學實驗課程實施改進是課程發展需求也是必然趨勢[1]。當代信息計算發展迅速，信息化在教育中的應用受到廣泛關注。隨著虛擬實驗技術的成熟，人們逐漸關注到虛擬仿真實驗室在教育領域的應用價值。近年來，國內的許多高校都根據自身教學條件建立了符合自身需求的虛擬仿真實驗室。虛擬仿真實驗的應用成為傳統實驗教學改革的一個重要趨勢[2]。虛擬仿真實驗室之所以能在實驗教學改革中受到重視，主要是由其在實驗教學中不可替代的特點決定。

2 虛擬仿真實驗教學特點

2.1 無毒化實驗教學

在有機化學實驗教學中引入虛擬仿真實驗最大的優點之一是虛擬仿真實驗能在無毒化的情況下就能實現化學實驗教學。虛擬仿真化學實驗是利用計算機技術(軟件設備和硬件設備)模擬實驗教學過程，學生操作也是在計算機上虛擬實驗操作。因此整個過程不會用到真實的化學藥品，也不會有有毒藥品排放問題。此外，虛擬實驗利用虛擬技術完成實驗，解決了實驗室使用有毒化學品造成的安全問題。化學實驗室安全問題一直是傳統實驗教學需要解決的重要方面。虛擬仿真實驗對有毒藥品零使用零排放，不僅解決了化學藥品毒性強對學生身體造成不利影響問題，還使得有機實驗教學綠色化、環境友好化，符合綠色教育要求[3]。

2.2 低成本實驗教學

課堂實驗教學有時會涉及到價格比較昂貴的特殊藥品，學生人數增多，藥品使用量增加，教學成本也會隨之增加。一些實驗使用到大型儀器，如有機制備實驗教學產品檢驗用到質譜儀、核磁儀等價格都很昂貴。普通高校學校不可能配備多臺此類儀器供本科實驗教學使用。將虛擬仿真實驗應用到有機化學實驗中就能很好的解決大型儀器不足造成的問題[4]。

2.3 分散性實驗教學

傳統實驗教學學生集中在實驗室學校，需要寬敞的實驗場地，學生集中在一起實驗，一些學校師資力量不足，不能關注到每一個學生，學生積極性不高，教師工作疲憊。虛擬實驗教學場地不限，學習時間也不受限制，學生在線就可以參與實驗教學，在線學習實驗原理，完成實驗操作，并且可以實現多次重復學習。虛擬仿真實驗的分散性教學特點解決了場地、師資不足等問題。同時學習時間的可選擇性還解決了傳統有機化學實驗時間過長，學生學習疲憊的問題。

3 結語

目前，傳統有機化學實驗教學存在各種問題如：場地不足、師資有限、實驗時間過長、實驗大量使用有毒有害藥品，危險性大，環境污染嚴重等。基于此，將虛擬仿真實驗教學手段應用到有機化學實驗教學中，利用虛擬仿真實驗無毒化、低成本、分散性等優點能較好的解決傳統實驗教學中面臨的諸多問題。盡管虛擬仿真實驗優點是傳統有機化學實驗教學不可及的，但有機化學學科不能完全實行虛擬化。虛擬實驗不能切實鍛煉學生實際操作能力，只能在層面上進行學習，缺乏動手能力培養的真實性。因此，有機化學實驗教學改進應遵循虛實結合，虛實互補不足，采用線上線下混合式教學模式。唯有這樣才能更好地完成有機實驗教學的教育目標。