教育信息化背景下農(nóng)業(yè)院校化學(xué)實(shí)踐教學(xué)模式研究

吳璐璐，謝黎霞，孟 磊，岳 陽，徐翠蓮

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002)

教育部、國家發(fā)展改革委、財(cái)政部《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》中明確指出要將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學(xué)改革，推動信息化教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等廣泛應(yīng)用[1]。本科教育必須以強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為著力點(diǎn)，必須以信息技術(shù)的應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[2]。實(shí)踐教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對于化學(xué)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，在人才培養(yǎng)中具有核心地位[3]。通過實(shí)驗(yàn)操作，一方面有利于學(xué)生對理論知識的理解與掌握，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用書中的理論知識和技能來解決科研、生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中需經(jīng)常接觸各種有毒有害的化學(xué)藥品，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)本身具有一定的危險(xiǎn)性，特別是對于一些大型精密儀器，更是受到實(shí)驗(yàn)場地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等問題的制約，難以讓每個(gè)學(xué)生都能熟練掌握操作技能。為了解決該問題，實(shí)施新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法勢在必行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教育信息化背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)得有效而重要得補(bǔ)充，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式是理論與實(shí)踐相結(jié)合的新型教學(xué)模式，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革得必然趨勢。

1 農(nóng)業(yè)院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

化學(xué)是農(nóng)業(yè)院校的重要基礎(chǔ)課之一，全校80%以上的學(xué)生需要學(xué)習(xí)化學(xué)課程，而化學(xué)又是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。因此，對于農(nóng)業(yè)院校而言，目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)主要存在以下幾個(gè)難題：(1)化學(xué)的部分實(shí)驗(yàn)具有毒性大、污染大、試劑難買(國家管制的原料)或需要苛刻的操作條件(無水無氧、高溫、高壓等)等問題；(2)化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)需要大型精密儀器，由于受臺套數(shù)限制及存在錯(cuò)誤操作致使儀器出現(xiàn)故障的可能，涉及昂貴精密儀器的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般以演示、驗(yàn)證為主，不太可能讓本科生通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作完全掌握操作，使得學(xué)生對大型儀器的原理和操作缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識；(3)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容如反應(yīng)機(jī)理等微觀的內(nèi)容是真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法呈現(xiàn)的。

2 農(nóng)業(yè)院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建設(shè)思路

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教師為學(xué)生詳細(xì)地講述實(shí)驗(yàn)地每一步操作，學(xué)生按教師的講述完成實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生"手腦并用"能力的提升是不利的；現(xiàn)代教學(xué)中，學(xué)生可以從網(wǎng)絡(luò)上獲得各種需要的信息，利用虛擬仿真軟件熟悉和練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步強(qiáng)化對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，可以很好的促進(jìn)學(xué)生"手腦并用"的能力。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施并不是代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，而是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的有效補(bǔ)充和，可以將一些難以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)或操作步驟復(fù)雜、不容易一次成功的實(shí)驗(yàn)，利用信息化技術(shù)以虛擬的形式展現(xiàn)，可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際布局構(gòu)建3D、高仿真度的、高交互操作的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。對化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中耗時(shí)長、污染大、成本高、危險(xiǎn)性高等實(shí)驗(yàn)進(jìn)"虛實(shí)結(jié)合"的3D模擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場操作相結(jié)合的教學(xué)模式。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐平臺建設(shè)

——以綜合實(shí)驗(yàn)2-甲基-2-己醇的合成及核磁共振波譜表征實(shí)驗(yàn)為例

基于DPSP平臺開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一款集基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、虛擬仿真操作、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)于一體的信息化網(wǎng)絡(luò)仿真培訓(xùn)學(xué)習(xí)管理平臺，使學(xué)生時(shí)時(shí)能學(xué)、處處可學(xué)，打破傳統(tǒng)的以課堂為中心的教學(xué)模式。教師可通過平臺組織仿真考試和理論考試；學(xué)生通過該平臺可與老師實(shí)時(shí)交流、討論問題、進(jìn)行測試；教師和學(xué)生可方便的實(shí)現(xiàn)資源共享，并進(jìn)行成績管理，使教學(xué)工作網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

3.1 教學(xué)內(nèi)容

本項(xiàng)目將一個(gè)經(jīng)典且重要的格氏試劑的制備與應(yīng)用作為主要內(nèi)容，圍繞其結(jié)構(gòu)、合成方法、分離提純及核磁共振結(jié)構(gòu)表征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。格氏試劑是一種非常重要的試劑，在有機(jī)合成中應(yīng)用廣泛，但由于該試劑不穩(wěn)定，需要在無水無氧條件下操作，操作性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生通過一次實(shí)驗(yàn)較難完全掌握。另外，核磁共振波譜儀屬于昂貴精密儀器，學(xué)院目前只有一臺，很難讓學(xué)生直接進(jìn)行操作，多以演示為主，學(xué)生對該儀器的操作缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識。因此我們引入2-甲基-2-己醇的合成及核磁共振波譜表征3D虛擬仿真軟件，真正做到“虛實(shí)結(jié)合”，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提升。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主要包括以下三部分內(nèi)容：

(1)在線預(yù)習(xí)。該部分提供了本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法以及注意事項(xiàng)等內(nèi)容，讓學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有初步的了解，達(dá)到讓學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)掌握該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)目的。

(2)演示模式。在演示模式下學(xué)生可以通過3D實(shí)驗(yàn)場景模擬該項(xiàng)目每一步的操作，學(xué)生只需要點(diǎn)擊步驟進(jìn)行每一步實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更直接更鮮明的熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作過程中的注意事項(xiàng)以及所有相關(guān)儀器的使用方法和儀器結(jié)構(gòu)。

(3)操作模式。在前兩部分的基礎(chǔ)上，學(xué)生已經(jīng)對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有一定的認(rèn)識，學(xué)生在操作模式下，需要自己獨(dú)立完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

通過仿真平臺認(rèn)知格氏試劑的合成方法、核磁共振波譜儀的使用原理及操作方法等，對該實(shí)驗(yàn)有所了解。基于虛擬仿真平臺，學(xué)生可通過學(xué)習(xí)獨(dú)立完成操作過程；在3D虛擬仿真操作系統(tǒng)中，學(xué)生可以將自身置于各種突發(fā)狀況中，有針對性地進(jìn)行操作訓(xùn)練，提高解決突發(fā)事故的能力。3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)比實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作方便、安全、經(jīng)濟(jì)，學(xué)生可以大膽地嘗試各種實(shí)驗(yàn)方案，還可以反復(fù)進(jìn)行練習(xí)，提高操作能力，確保實(shí)驗(yàn)室操作的安全、順利。

3.2 教學(xué)模式

課前準(zhǔn)備是實(shí)驗(yàn)操作開始之前的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在機(jī)房通過電腦可以進(jìn)入我們虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，了解實(shí)驗(yàn)原理、主要的儀器、試劑及實(shí)驗(yàn)操作步驟等，了解操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，熟悉大型儀器原理及操作要點(diǎn)，以提高實(shí)際操作的效果；學(xué)生預(yù)習(xí)后，完成預(yù)習(xí)報(bào)告，完成相關(guān)問題后可進(jìn)入演示模式和操作模式。教學(xué)過程中采取提問、討論、完成操作練習(xí)等方式，讓學(xué)生進(jìn)入3D仿真實(shí)驗(yàn)更真實(shí)更系統(tǒng)更直觀的演練，加深對基本原理、理論、操作步驟的理解和掌握。完成虛擬仿真操作的同學(xué)可安排進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際操作，真正做到"以虛促實(shí)"的多樣化教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.3 評價(jià)體系

建立客觀公正的評價(jià)方式，通過課前準(zhǔn)備、虛擬操作、實(shí)驗(yàn)室操作等形式培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。為完成教學(xué)目標(biāo)，檢驗(yàn)教學(xué)成果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，平臺給出了考核系統(tǒng)，系統(tǒng)中添加了題庫。考核系統(tǒng)具有完善的統(tǒng)計(jì)功能，教師可通過后臺管理看到學(xué)生容易出錯(cuò)的問題，可以針對性地指導(dǎo)學(xué)生。本仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還配套虛擬操作評價(jià)系統(tǒng)，根據(jù)虛擬操作規(guī)范進(jìn)行客觀打分，學(xué)生在操作完成后，系統(tǒng)自動給出客觀公正的分?jǐn)?shù)。

3.4 實(shí)施效果

在農(nóng)業(yè)院校化學(xué)課程教學(xué)中引入虛擬仿真項(xiàng)目，采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，受到學(xué)生和老師的廣泛好評。

(1)采用虛擬仿真教學(xué)后，學(xué)生可以充分練習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作、掌握合成路線，可以有效避免現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)操作的失敗；幫助學(xué)生真正掌握合成制備、分析測試等相關(guān)知識點(diǎn)，最大程度地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合技能。大型結(jié)構(gòu)分析儀器的虛擬化操作，不僅讓學(xué)生掌握了具體的分析方法，更重要的是啟發(fā)了系統(tǒng)、全面認(rèn)識問題、解決問題的思維，為培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才打下基礎(chǔ)。

(2)對于教師來說，利用信息化手段教學(xué)，可以使先進(jìn)的信息化技術(shù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果有效融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富、全面。通過虛擬實(shí)驗(yàn)的考核方式，了解學(xué)生操作的弱點(diǎn)，有的放矢地進(jìn)行課堂教學(xué)改革，從而產(chǎn)生顯著的教學(xué)改革成果。

4 結(jié)束語

將信息化教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，探索出新的教學(xué)模式，完成傳統(tǒng)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)。在涉及場地不足、毒性大、成本高、大型儀器操作等情況下，提供不受時(shí)間和空間限制的經(jīng)濟(jì)、安全的實(shí)踐項(xiàng)目。通過新的教學(xué)模式可以使理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作之間完美的結(jié)合起來，既可以加深理論知識的理解，又可以豐富實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。