手機端化學實驗仿真教學軟件的實踐及探索*

何 燕，曾慧婷，曾星星

(1 湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005；2 長沙醫學院，湖南 長沙 410219)

近年來，化學及其分支學科在生命科學，材料科學、環境科學等領域應用廣泛，因此許多高校為拓寬學生的專業領域已將其列為相關專業的公共必修課。但由于化學是以實驗為重點的學科，想要有效地利用化學分析法來獲得所需信息，就必須經過嚴格的實驗訓練，特別是非化學類專業學生，而高超熟練的實驗技能是獲得精確實驗數據的必要和先決條件。

針對于傳統化學實驗教學模式，近年來教育及科研工作者已提倡線上線下相結合的混合式實驗教學模式[1-3]。目前國內外開發的網絡虛擬化學仿真實驗平臺[4-6]已逐步走入本科及以化學類專業為主的職業院校，成為學生主要的學習工具，但對于經費投入及實驗室規模有限的非化學類專業高校來說，PC端進行仿真化學實驗教學卻難以實現，如設備資源投入量大、學習地點受限、實驗課時量少、操作界面難度大等因素。因此開發手機端仿真教學平臺具有重要現實意義，特別是為部分偏遠地區電腦和實驗耗材缺乏的學生創造了時時可學、處處可學的機會。本文根據高校非化學類專業化學實驗課程的特點，以手機端化學仿真軟件為例進行了實驗教學實踐及探索，期望通過實踐為手機端仿真教學平臺在各高校的化學實驗遠程線上教育建設上發揮作用。

1 化學實驗教學存在的問題

在實驗室建設與管理方面，當前高校實驗室特別是以非化學類專業為重點的實驗室，其實驗安全環境、建設條件、環保教學體系遠遠不如本科以化學類專業為主的職業院校健全，部分實驗管理人員甚至并非來自化學類專業，加上學生的化學知識及安全責任意識欠缺、自我防護和環保意識匱乏等問題，導致火災、爆炸等事故時有發生。

在課程教學實施方面，高校學生大多數缺乏學習的熱情，理論課上難免覺得枯燥、乏味從而失去興趣，因此現場理論課堂教學效果不理想，實驗教學質量則更加難以保證。而在傳統化學實驗教學中，通常由教師或實驗員事先準備好實驗中所需要的藥品及試劑，調試好儀器，課堂上教師向學生講解實驗內容、演示實驗過程，隨后學生進行實驗。在此過程中我們不免發現，由于學生理論根基不穩，預習不徹底，對將要做的實驗不熟悉，進入實驗室后僅依靠實驗講義進行實驗，有些學生甚至不能明確各個實驗試劑的具體用途。此外，為響應國家政策，目前各高職院校面向全社會擴招，實驗教學師生基本比例在1:20以上，因此教師在課堂上很難照顧到每一名學生，加上課堂時間和空間的局限性，學生并未及時記住并理解教師的講解或操作演示，難以掌握基本的操作規范。部分學生在實驗報告中照抄講義，甚至抄襲他人實驗數據，忽略了實驗的嚴謹性和真實性。

2 手機端仿真軟件的化學實驗教學實踐

為解決上述問題，以非化學類專業化學實驗教學為例，引入北京歐貝爾公司今年研發的手機app版仿真軟件對化學實驗課程教學模式進行了實踐和探索。

2.1 手機app版實驗室安全知識仿真教學

根據最新教高廳文件精神[7]，無論是教學實驗室還是科研實驗室都應該加強實驗人員的安全意識和承擔安全責任、預防安全事故的基礎性工作，因此學生在開展實驗之前都必須進行實驗室安全知識培訓，提高他們的安全和防護意識。

手機app版實驗室安全知識仿真教學包括個人防護安全、化學實驗室安全及應急演練(圖1)，主要培訓內容為進入實驗區域以后的個人防護措施及行為準則、對自身所處環境的確認、實驗室安全隱患的排查、實驗中突發火災狀況的應對，如佩戴好防護裝備；學習實驗室安全管理制度；確認洗眼器、水電開關、安全出口等位置；處理停水停電、火災、水銀泄露、化學品灑出等常見事故。

圖1 實驗室安全知識仿真教學界面

手機app版仿真軟件依據實驗室實際布局搭建3D模型，將實驗場景移植到手機上，展示了實驗室的真實情況。在具體的操作流程中系統可模擬實際操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明，按實際實驗過程完成交互，以極具親和性的游戲闖關模式進行仿真教學。學生可利用碎片時間通過軟件上的操作進行學習，進一步熟悉安全基礎知識、了解實驗室實際實驗環境、增強安全防范意識、提高異常事故處理水平，在仿真實驗舞臺上自主發揮的同時不僅調動了自身思考和動手能力，也增強了學習的趣味性。

2.2 手機app版化學實驗仿真教學

乙酸正丁酯的制備及沸點的測定是經典的綜合性化學實驗，重點除講解有機酸酯的制備原理及方法，還要求學生掌握蒸餾、回流、洗滌、萃取、干燥等操作技能。按照常見教材上乙酸正丁酯制備方法開展實驗，存在耗時長、產率低、資源浪費、安全系數低等不足，學生在實驗過程中積極性不高、安全和環保意識薄弱，使得最終的教學效果不如預期效果理想。

手機app版化學實驗教學涵蓋了實驗預習與操作演練兩部分內容，其中實驗預習包括了儀器試劑的認知及選擇、反應裝置的搭建、實驗原理的展示和涉及的防護措施及消防知識(圖2)。在制備乙酸正丁酯仿真教學中，將涉及到的理論和安全知識落實到具體操作中，如分水器、冷凝管和分液漏斗的使用；蒸餾與分餾裝置的搭建；回流與分液的操作；硫酸的配制與冰醋酸等實驗藥品的介紹。通過題庫練習與3D動畫相結合的方式將單一化延伸為多元化，層層遞進引導學生去思考如何做實驗、為何做實驗，發揮學生的主體作用，培養他們的化學思維和素養。

圖2 實驗仿真教學界面

2.3 手機app版有機化學課程在線考核

目前隨著信息化教學技術的推進及優化，各校的線上課程考試已成為趨勢。而常規的化學實驗評分依據主要取決于學生實驗后提交的實驗報告，這往往很難客觀地評價他們的實驗操作能力，最終驅使學生“輕過程，重結果”。因此需要改良常規的實驗考核方式。

手機app版化學課程考核包含了實驗安全知識考核、化學理論知識考核以及虛擬仿真實驗考核。安全及理論知識考核支持多題型、不同難易度、題目及候選項順序隨機，通過題庫學習、模擬自測、錯題練習等環節鞏固了學生的理論基礎知識；虛擬仿真實驗考核全程無操作引導，實驗結束后，系統會即時給出評分并反饋錯誤，真正提升了學生的實驗水平。系統中提供的智能化試卷分析和統計結果輸出等功能也為學生和教師提供了電子化存檔(圖3)，教師通過實時掌握仿真軟件使用情況，可有針對性地開展科學高效的仿真教學及考核。此外，手機端實驗室安全仿真教學給每個實驗操作都配有實驗簡介和操作手冊，因此還可用于實驗室相關人員的實驗安全仿真測試。

圖3 課程考核統計界面

2.4 手機app版仿真實驗教學評價

針對現行實驗教學模式和考核方式挑選出419位非化學類專業學生，在實驗教學結束后對其進行教學效果評價(表1)。從評價結果中可以看出，86%的學生認為通過手機app版仿真教學方式對其學習實驗課有很大幫助，91%的學生對考核模式表示滿意，95%的學生表示支持此類教學模式。我校有機化學實驗教師們對此也提出了寶貴意見，比如可將現有模式替換為微信公眾號或QQ游戲大廳等類似平臺，平臺內設置不同的實驗入口，避免每一個實驗都安裝一個軟件，節省操作時耗和手機內存。

表1 手機端仿真實驗教學效果評價

續表1

3 結 語

通過手機app版仿真軟件將虛擬仿真技術移植到手機端，解決了PC端設備資源投入量大、學習地點受限、操作界面難度大等難題，讓課程資源惠及到更多的學生，不僅節約教學資源，打破時空限制，同時，在教學過程中積累的大數據分析也為教師了解教學效果、改進教學方法提供了真實可靠的依據。目前手機端實驗教學平臺尚未完善，如移動端儀器分析實驗教學，由于工作站參數的修改在后臺難以實現設置而導致研發受阻，加上手機端界面較小，顯示內容有限，畫面清晰度和運行速度對手機配置有要求，在部分功能上相對于PC端具有一定局限性，其利弊之處也為高校手機端實驗教學提供了參考。