“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與創(chuàng)新

林 覓，孟慶博，李 輝，崔俊碩，許 旭

（遼寧大學(xué)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110036）

2020年春季學(xué)期伊始，突如其來(lái)的一場(chǎng)新冠病毒所引發(fā)的疫情打亂了各所高校的教學(xué)安排，阻斷了學(xué)子歸校的腳步，給教學(xué)活動(dòng)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，做好防疫期間“在學(xué)不在校”線上教學(xué)工作，遼寧大學(xué)化學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基于以往虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)更新在線課程建設(shè)，努力做到“三變?nèi)蛔儭薄５捎趯?shí)驗(yàn)類(lèi)課程的特殊性，僅僅通過(guò)線上講授理論部分，并不能替代線下的實(shí)踐操作，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏切身體會(huì)。而以前通常作為預(yù)習(xí)手段的虛擬實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)特殊時(shí)期大顯身手，發(fā)揮了巨大作用[1-2]。但是如何能更加有效的利用、整合線上教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新精神，這就迫切需要對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)世新探索與改革，以便于更加適應(yīng)現(xiàn)代化、智慧化教學(xué)需求。

1 概論

隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，能夠充分利用中國(guó)大學(xué)MOOC（慕課）平臺(tái)、微信公眾號(hào)moolsnet、移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室Mlabs 和國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)的優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源。通過(guò)不斷豐富和完善教學(xué)資源，遼寧大學(xué)化學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，采用雨課堂+騰訊會(huì)議“雙截棍”模式展開(kāi)線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，力爭(zhēng)“停課不停教，停課不停學(xué)”。

這些豐富的線上資源，包含實(shí)驗(yàn)基本原理和操作的講解，有課件、有視頻、有測(cè)試，更有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)助力。化學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一共開(kāi)設(shè)了28個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，包含無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)和綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，涵蓋化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)操作和大型儀器的使用，更有綜合型遼寧省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：1,3-癸二烯的制備與表征、催化加氫制備對(duì)苯二胺。將多種元素、不同形態(tài)與教學(xué)手段相結(jié)合，呈現(xiàn)了一個(gè)更為立體的、開(kāi)放的教學(xué)模式，不但提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與趣味性，還鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ貙捔怂麄兊囊曇埃囵B(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神。本文以有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課為例，詳細(xì)介紹了疫情期間實(shí)驗(yàn)課具體的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)開(kāi)展過(guò)程。

2 教學(xué)資源整合，教學(xué)方案優(yōu)化

一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括：實(shí)驗(yàn)操作，現(xiàn)象觀察，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后思考與討論[2]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程最核心的環(huán)節(jié)就是實(shí)踐操作這一步驟，這是線上教學(xué)無(wú)法替代的，但卻受時(shí)間和地域限制。同時(shí)，線上教學(xué)具有不受時(shí)間、空間限制；學(xué)生對(duì)于重點(diǎn)、難點(diǎn)可以反復(fù)聆聽(tīng)；形式新穎，教學(xué)更為直觀、立體等特點(diǎn)。要想將二者有機(jī)結(jié)合在一起，彌補(bǔ)各自不足，揚(yáng)長(zhǎng)避短，就要對(duì)線上線下教學(xué)資源進(jìn)行科學(xué)整合，精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 線下資源

重新篩選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡量選擇有與之對(duì)應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)、慕課資源的實(shí)驗(yàn)題目，便于線上線下結(jié)合。制作多媒體課件，教學(xué)內(nèi)容要注重對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣、科研思維與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，對(duì)學(xué)生的基本情況進(jìn)行分析，正確判斷學(xué)生對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度，有意識(shí)的啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，使被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，注重知識(shí)內(nèi)化與遷移。可以將平時(shí)無(wú)法通過(guò)板書(shū)所展現(xiàn)的素材，以圖形、動(dòng)畫(huà)、視頻等形式加入多媒體課件中。通過(guò)微信公眾號(hào)moolsnet 建立課程、項(xiàng)目、操作規(guī)則、測(cè)試題庫(kù)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試題庫(kù)及操作標(biāo)準(zhǔn)全是化學(xué)院結(jié)合自身教學(xué)特色獨(dú)自制定和建設(shè)的，真正體現(xiàn)了移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、便捷化和特色化，表1為微信平臺(tái)蒸餾乙醇測(cè)試題庫(kù)（節(jié)選）。

表1 微信平臺(tái)蒸餾乙醇測(cè)試題庫(kù)（節(jié)選）

2.2 線上資源

教師通過(guò)中國(guó)大學(xué)MOOC（慕課）平臺(tái)搜集相關(guān)課程，從中挑選適合本院校學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和所用儀器設(shè)備盡量與本校一致。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作視頻，詳細(xì)了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程裝置的搭建，反應(yīng)特有現(xiàn)象，產(chǎn)品的性狀。整個(gè)教學(xué)過(guò)程更為直觀立體，彌補(bǔ)了以前線下課堂講授的不足。通過(guò)視頻教學(xué)，學(xué)生能更好地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)和注意事項(xiàng)，這對(duì)于規(guī)范實(shí)踐操作、提高實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率、降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)有著重要意義。

為了彌補(bǔ)線上實(shí)驗(yàn)課不能實(shí)地操作的缺點(diǎn)，還可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)[3]。同時(shí)，由于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一些特點(diǎn)，比如試劑毒性大、不環(huán)保，反應(yīng)條件苛刻、要求無(wú)水無(wú)氧環(huán)境，反應(yīng)具有一定危險(xiǎn)性、易燃易爆等，很多有機(jī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法在教學(xué)中開(kāi)展，因此在這個(gè)特殊時(shí)期，開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)意義格外重大。虛擬實(shí)驗(yàn)既能彌補(bǔ)無(wú)法實(shí)地操作的不足，又能讓學(xué)生拓展視野、學(xué)識(shí)。除了開(kāi)展常規(guī)基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)，比如蒸餾、回流、乙酰苯胺合成、咖啡因提取等實(shí)驗(yàn)，還開(kāi)設(shè)了無(wú)水無(wú)氧1,3-癸二烯的制備及表征和易燃易爆類(lèi)對(duì)苯二胺合成催化加氫實(shí)驗(yàn)兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。通過(guò)Mlabs 移動(dòng)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)無(wú)水無(wú)氧、催化加氫反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬。使用多種表征手段，既涉及手套箱、薄層色譜、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、減壓蒸餾等操縱訓(xùn)練，還有大型儀器設(shè)備氣相色譜紅外、核磁操作訓(xùn)練。虛擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生掌握Grignard 反應(yīng)、Claisen 酯縮反應(yīng)、高壓催化加氫等反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理，補(bǔ)齊實(shí)驗(yàn)條件限制導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)短板，在達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果的同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)成本和危險(xiǎn)性。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的科研探索精神，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的同時(shí)注重個(gè)性發(fā)展，提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量，圖1 為Mlabs 蒸餾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面。

圖1 Mlabs 蒸餾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

3 教學(xué)開(kāi)展過(guò)程

3.1 教學(xué)前期準(zhǔn)備

有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室在學(xué)院和領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo)下，早在2018年就率先將移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室這一新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。通過(guò)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)、線上學(xué)習(xí)等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，虛擬仿真與實(shí)踐操作相結(jié)合的教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的信息化改革。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)員和公司技術(shù)員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，制作moolsnet 平臺(tái)和Mlabs 虛擬實(shí)驗(yàn)軟件操作指南。化學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心推廣有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果，為教師開(kāi)展培訓(xùn)，其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)小組學(xué)習(xí)在moolsnet 平臺(tái)上的課程創(chuàng)建與管理，構(gòu)建習(xí)題庫(kù)和操作標(biāo)準(zhǔn)。

為了確保實(shí)驗(yàn)課線上教學(xué)的順利展開(kāi)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在開(kāi)課半個(gè)月前就開(kāi)始積極備戰(zhàn)，不斷完善教學(xué)預(yù)案。各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)不同學(xué)情，精心挑選比對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)；建立了不同專(zhuān)業(yè)（包括環(huán)境、生命、制藥、食品專(zhuān)業(yè)和留學(xué)生）的學(xué)生QQ 群和微信群，核對(duì)名單確保每名學(xué)生全部進(jìn)群，教師上傳電子版教材和慕課資源。建立班級(jí)后，教師利用雨課堂和微信群發(fā)布公告，上傳學(xué)習(xí)資料，告知學(xué)生每節(jié)課要求，需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)操作。

學(xué)生則根據(jù)教師發(fā)布的內(nèi)容提前做好功課，熟悉雨課堂、微信平臺(tái)和移動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)室的使用流程，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行預(yù)習(xí)。教師和學(xué)生通過(guò)騰訊會(huì)議和微信群關(guān)于各大平臺(tái)使用和虛擬實(shí)驗(yàn)展開(kāi)熱烈討論；教師利用小視頻講解、指導(dǎo)學(xué)生如何操作。極大地培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生興趣，提高了預(yù)習(xí)效果。

3.2 開(kāi)展線上線下混合教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)課程方面，教師按照教學(xué)計(jì)劃，通過(guò)雨課堂和騰訊會(huì)議開(kāi)展線上教學(xué)[4-5]。教師提前在微信群里發(fā)布二維碼，學(xué)生掃碼簽到，按時(shí)進(jìn)入網(wǎng)上課堂。學(xué)生在微信公眾號(hào)moolsnet平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，只有測(cè)試達(dá)到一定分?jǐn)?shù)才合格，允許通過(guò)。每名學(xué)生測(cè)試時(shí)，試題都是從題庫(kù)隨機(jī)抽選自動(dòng)生成，同時(shí)測(cè)試小程序還有防止截屏、防止退出系統(tǒng)查找答案功能，均起到防作弊功能。

教師通過(guò)網(wǎng)課講解實(shí)驗(yàn)原理、要點(diǎn)、應(yīng)注意的問(wèn)題，拓展每個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)的知識(shí)，更加注重啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)。學(xué)生通過(guò)測(cè)試和虛擬預(yù)習(xí)后，知道自身不足，帶著問(wèn)題上課，師生之間充分互動(dòng)，教學(xué)效果更勝?gòu)那啊?shí)驗(yàn)操作視頻教學(xué)，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課僅靠板書(shū)和教師講解的局限性，學(xué)生不僅能提前看到裝置的搭建，更能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果，學(xué)生在動(dòng)手操作時(shí)能做到心中有數(shù)，大大提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率。

3.3 教學(xué)反思

教學(xué)團(tuán)隊(duì)并通過(guò)后臺(tái)查看數(shù)據(jù)，及時(shí)了解學(xué)生動(dòng)態(tài)，掌握學(xué)生測(cè)試和虛擬完成情況，通過(guò)這種新型互動(dòng)和智慧型教學(xué)模式，老師可以更好地掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，授課更有針對(duì)性，確保教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。

4 結(jié)束語(yǔ)

我院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心借助騰訊會(huì)議、雨課堂、中國(guó)大學(xué)慕課平臺(tái)、微信公眾號(hào)moolsnet、移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室Mlabs，構(gòu)建了多元化、立體化、高效化的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。教師借助線上平臺(tái)師生互動(dòng)，通過(guò)電子信息化功能把控教學(xué)進(jìn)度，利用演示視頻和虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效補(bǔ)充，根據(jù)大數(shù)據(jù)報(bào)告進(jìn)行整理、分析。但是由于實(shí)驗(yàn)課程的特殊性，線上教學(xué)不能完全照搬線下教學(xué)內(nèi)容，線上教學(xué)不能取代實(shí)踐操作，學(xué)生返校后仍要進(jìn)行操作訓(xùn)練。想要取得更好的教學(xué)效果，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍然需要進(jìn)行更多的探索與創(chuàng)新。