基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合式教學(xué)模式在無機(jī)化學(xué)實驗中的應(yīng)用

王 蓉，韋慶敏，覃利琴，覃其品

（玉林師范學(xué)院 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院，廣西玉林 537000）

無機(jī)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科最古老的分支，是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，是其他化學(xué)科目的基礎(chǔ)課程，學(xué)好無機(jī)化學(xué)才能更好地掌握其他化學(xué)課程。而實驗課程是理論課程的一種延續(xù)和補(bǔ)充，是加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的一個應(yīng)用理解及動手能力的訓(xùn)練，同時，實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的重要過程[1]。因此，實驗課程與理論課程同等重要，兩者相輔相成。無機(jī)化學(xué)實驗與理論課程的知識緊密相連，是無機(jī)化學(xué)課程的重要組成部分，該課程基本上是學(xué)生入學(xué)后所接觸的第一門實驗課程，主要鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生最基本的實驗操作，為后續(xù)其他課程奠定基礎(chǔ)。然而隨著科技水平的進(jìn)步，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會的要求，也不符合當(dāng)下學(xué)生的學(xué)情。因此對新的教學(xué)理念及教學(xué)方法也在不斷進(jìn)行探索和革新，引進(jìn)新的實驗教學(xué)手段具有重要的意義[2]。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)實驗課程教學(xué)中，普遍存在以下幾個問題：

1）重理論輕實驗[3]。這種現(xiàn)象在大多數(shù)的實驗課程中都存在。不管是教師還是學(xué)生，都覺得理論課程比實驗課程重要。對于教師，大部分教師認(rèn)為學(xué)好理論知識才是硬道理，實驗課程只是理論知識的驗證過程，實驗是次要的，因此備課和教學(xué)時更多地把精力傾注到理論課程中，且在成績評價方面，實驗課程的考核評定方式也比較隨意，通過率較高。對于學(xué)生，一方面由于實驗儀器及試劑的限制，學(xué)生在實驗過程中多是以小組進(jìn)行，導(dǎo)致部分學(xué)生濫竽充數(shù)、渾水摸魚，像一個圍觀者一般，基本不參與到實驗中；另一方面由于教師在實驗課程的最終考核中要求較低，通過率高，自然導(dǎo)致學(xué)生的重視度降低。

2）教學(xué)模式守舊。目前，實驗教學(xué)中大部分的教師還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即老師一人在黑板把實驗原理、實驗過程、注意事項和數(shù)據(jù)原理講一遍，之后給所有學(xué)生進(jìn)行一次實驗操作演示，最后學(xué)生分小組自行完成實驗操作。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式教師為主導(dǎo)，學(xué)生為輔，教師基本是憑自己有限的經(jīng)驗進(jìn)行簡單重復(fù)的教學(xué)實踐，在對學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的過程中只重視對學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能的訓(xùn)練，而不注重對其思維能力和思維習(xí)慣的培養(yǎng)[4]。而長期以如此傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)活動，也會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低，主動性和積極性差，最終的教學(xué)效果并不好。

3）實驗課堂混亂[5]。實驗課堂基本是以小組為單位，導(dǎo)致有部分學(xué)生有渾水摸魚的心里，因此，雖然教師要求學(xué)生在實驗前要寫預(yù)習(xí)報告，但大部分的學(xué)生都是機(jī)械性的照抄教材上的內(nèi)容，抄完就完成任務(wù)了，根本不去思考，有的甚至不去看里面的內(nèi)容，導(dǎo)致對實驗原理及實驗步驟不熟悉。另一方面，雖然教師在課堂中都會進(jìn)行實驗演示，但是教師在實驗演示時，并不能保證每位學(xué)生都能清楚地看到整個演示過程，而有些學(xué)生即使看清楚整個演示過程，也記不住全部的細(xì)節(jié)。因此學(xué)生在自己操作的過程中手忙腳亂，錯亂百出，出現(xiàn)各種錯誤操作甚至實驗意外，還有的學(xué)生完全不知道如何操作，無法順利完成實驗。

2 虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點

虛擬仿真技術(shù)是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過構(gòu)建一個逼真可視化的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實驗平臺[1]。目前虛擬仿真教學(xué)在高校教學(xué)中已普遍存在，它具有很多的優(yōu)點，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的很多問題[2，6]。

1）安全實惠。借助虛擬仿真實驗平臺，幾乎可以將實驗危險系數(shù)以及實驗成本降到零，是一種安全性高且經(jīng)濟(jì)實惠的實驗教學(xué)手段。因此，對于傳統(tǒng)實驗活動中，由于擔(dān)心學(xué)生安全而不得不刪除的一些危險性實驗，或者由于實驗儀器設(shè)備昂貴而不能開展的實驗，完全可以借助虛擬仿真實驗平臺重新開展。因此，虛擬仿真實驗系統(tǒng)既提高了實驗的安全性，降低實驗成本，又能保證學(xué)生完整地掌握知識體系。

2）普及面廣。傳統(tǒng)教學(xué)中，由于實驗教學(xué)經(jīng)費的限制，學(xué)校的實驗設(shè)備以及藥品試劑不足，學(xué)生進(jìn)行實驗時多是以小組為單位，不能對每個學(xué)生進(jìn)行全面的訓(xùn)練和培養(yǎng)。通過引入虛擬仿真實驗平臺，可以使每個學(xué)生體驗實驗的全部過程，學(xué)生只要登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，即可獨立開展實驗，因此實驗的訓(xùn)練過程可以普及到每一個學(xué)生。

3）節(jié)能省時。一方面，由于虛擬仿真實驗平臺所用的設(shè)備及材料均為虛擬的，因此不會發(fā)生儀器的損壞和材料浪費的問題。另一方面，借助虛擬仿真實驗平臺，可以提高實驗效率，縮短實驗時間。這就有利于學(xué)生進(jìn)行多次練習(xí)或者實驗失敗的學(xué)生重新進(jìn)行實驗，使學(xué)生能更好地、真正地掌握實驗的原理和實驗操作過程，為其線下的實驗提供強(qiáng)硬的技術(shù)支撐。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)在無機(jī)化學(xué)實驗中的應(yīng)用

3.1 特殊實驗

將危險系系數(shù)高或者需要高貴儀器設(shè)備或藥品試劑的實驗稱為特殊實驗。在特殊實驗中，為保證學(xué)生的安全和實驗的順利進(jìn)行，實驗的開展采用基于虛擬仿真實驗平臺的全線上方式進(jìn)行。學(xué)生登錄虛擬仿真系統(tǒng)，通過平臺中的教學(xué)視頻學(xué)習(xí)實驗的原理和實驗步驟，觀看實驗操作視頻后，才用虛擬仿真系統(tǒng)獨立開展實驗，對于實驗中的疑問，可以通過網(wǎng)上查詢或者咨詢?nèi)握n老師，教師在教室觀摩每個學(xué)生的學(xué)習(xí)和操作，學(xué)生實驗完成后，需要完成系統(tǒng)中相應(yīng)的考核，作為平時成績的一部分。

3.2 普通實驗

對于一般的普通實驗，根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生很難自覺預(yù)習(xí)，即使預(yù)習(xí)了，有時候也不了解實驗的具體操作如何，或者某個實驗儀器如何實驗，對實驗步驟不熟練，到實驗時還是懵懵懂懂，手足無措，導(dǎo)致實驗耗時長，實驗失敗率高，而由于實驗課堂時間的限制，失敗后學(xué)生很難重新開始實驗，最后學(xué)生草草了事，實驗?zāi)芰Σ荒艿玫胶芎玫奶嵘虼瞬荒苓_(dá)到本門課程的培養(yǎng)目標(biāo)。而虛擬仿真實驗也存在雙面性，其自身也存在一定的局限性，比如過度地強(qiáng)調(diào)虛擬仿真實驗教學(xué)，會導(dǎo)致學(xué)生的實際動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力受到限制，學(xué)生容易形成“高知低能”，也不利于學(xué)生的團(tuán)隊合作精神的培養(yǎng)；此外，虛擬仿真實驗無法使學(xué)生切身體會真實實驗的視覺、嗅覺等方面的直接感官體驗[7]。針對這種現(xiàn)象，可以采取基于虛擬仿真實驗和實際課堂的線上線下混合式教學(xué)模式，在實驗操作開始前，學(xué)生先在虛擬仿真實驗系統(tǒng)對實驗原理實驗過程進(jìn)行，之后在平臺對實驗操作進(jìn)行多次練習(xí)，直到把對實驗操作熟練并得到合理的結(jié)果為止，最后學(xué)生需通過教師在虛擬平臺設(shè)置的考核，方能進(jìn)行線下的實驗操作。線下在線下的實驗中，仍以傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式為主，幾個學(xué)生為一小組進(jìn)行實驗，通過線上的練習(xí)后，學(xué)生對實驗熟記于心，在線下實驗中，可以操作得更加熟練，提高實驗的成功率和實驗的效率。

3.3 設(shè)計實驗

設(shè)計性實驗主要是開發(fā)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力，給定一個實驗?zāi)康模寣W(xué)生設(shè)計實驗方案，學(xué)生可以自行選擇儀器和藥品試劑，實驗方案不唯一。設(shè)計性實驗同樣采用線上線下結(jié)合的方式進(jìn)行。一方面，學(xué)生設(shè)計好實驗方案后，先借助虛擬仿真實驗進(jìn)行驗證，直到驗證成功后再進(jìn)行線下實驗，這樣可以避免實驗設(shè)計不合理所產(chǎn)生的材料浪費問題和實驗安全問題。另一方面學(xué)生可以對多種方案進(jìn)行嘗試和驗證，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)目前無機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中主要存在的問題，提出借助虛擬仿真實驗平臺，對特殊實驗采取基于虛擬仿真平臺的全線上教學(xué)方式，對普通實驗和設(shè)計實驗采取虛擬仿真平臺和傳統(tǒng)教學(xué)的線上線下混合式教學(xué)模式，為無機(jī)化學(xué)實驗課程改革提供參考。