大學化學實驗數字化建設的研究與實踐

＊劉志剛 唐冬雁* 周育紅 張彬 劉新榮 蔡皓宇

（1.哈爾濱工業大學化工與化學學院 黑龍江 1500012.西安交通大學 生命科學與技術學院 陜西 710049）

哈爾濱工業大學的大學化學實驗隸屬于大學化學課程，為面對全校本科生開設的公共基礎課程。共計開設有10-12個或者與課程理論部分緊密銜接，或者為理論部分的適當拓展，或者體現相對獨立性的特色實驗。

大學化學實驗提高了非化學、化工類工科學生綜合運用化學基礎知識和化學實驗基本技能能力，既調動了學生主觀能動性，又培養了學生科研素質、創新能力和動手能力。

1.大學化學實驗網絡教學資源現狀及問題

為配合教學，近年來已建設并更新了很多網絡大學化學實驗教學資源，以幫助學生網上自主學習。

筆者在教學過程中發現：對于零零后學生，他們更習慣于通過手機等電子產品進行課程學習。但對于視頻文件較大的網絡大學化學實驗教學資源，學生在學習時，需要消耗較多的下載流量，或需要過長的下載時間，從而造成很多同學在手機下載的等待過程中就失去了繼續學習的興趣。

如能借鑒MOOC課程流行的知識碎片化特點，切割大學化學實驗教學資源，將較大的視頻文件分割制成多個5～7min的小視頻，能夠更好的適合于零零后學生通過手機學習大學化學實驗課程。

筆者在教學過程中也發現：并不是所有大學化學實驗的教學內容均需要通過視頻方式進行展示。僅需通過小流量短視頻展示最重要的難點及關鍵點，其他部分輔以圖片，對實驗原理及過程等配合畫外音介紹即可。這樣既可以起到實驗教學視頻的作用，又能夠減小文件體積，從而減少下載流量及時間，方便學生隨時學習。

此外，還需選擇一個穩定、在線播放速度快、下載時間短、學生使用較多的手機平臺或手機App發布實驗教學視頻。這樣即可讓大學化學實驗課程的學習內容與手機載體接軌，又可讓學生能夠快速下載到自己的手機端，方便學生隨時學習，才能提高學生學習興趣。

基于此，我們在開發小體積大學化學實驗教學視頻文件及手機平臺建設方面做了一些探索實踐。

2.小流量視頻的開發

(1)實驗教學視頻的開發

為減小視頻文件體積，在實驗教學有聲視頻的開發過程中遵循在部分實驗最重要的實驗難點及關鍵點等引入少量小流量短視頻展示，其他部分輔以圖片，對實驗原理及過程等配合畫外音介紹的制作思路。

①素材選取

開發實驗有聲視頻，首先是實驗難點及關鍵點取材。在教學過程中，將部分實驗最重要的實驗操作過程關鍵點、難點及典型實驗現象進行動態影像的拍攝。如在《茶葉中提取咖啡因》中，拍攝了索氏提取器中的虹吸過程的視頻文件。

為減小視頻文件體積，通過實驗靜態照片強調大部分實驗難點及關鍵點。如在《茶葉中提取咖啡因》中，選取了蒸餾裝置照片（圖1）、最終的咖啡因產物照片（圖2）。通過實驗的靜態照片，引發同學們進行更加深入的思考，從而對實驗原理的認識更加深刻。

圖1 蒸餾裝置

圖2 咖啡因產物

②小流量短視頻制作

實驗課上，我們拍攝了包含實驗關鍵點的視頻。課后對視頻文件進行后期剪輯，格式調整。力求做到文件體積最小化，清晰度不降低，減少對流量的占用。

③PPT制作

將小流量短視頻、包含實驗關鍵點的圖片與實驗原理及過程文字內容有機融合在PPT中（圖3）。

圖3 含有圖片與實驗文字內容的PPT

④有聲短視頻制作

通過錄屏軟件，對PPT進行后期配音，生成體積較小的有聲短視頻文件。為減小視頻文件體積，可將幀數設置為10或15。當視頻參數如圖4所示時，所生成的視頻文件大小為16.3M。

圖4 視頻文件參數

(2)課堂演示實驗視頻的開發

大學化學課程的課堂演示實驗，作為教學過程的重要組成形式，它即滿足了學生對化學的好奇心，向學生揭示一個有趣的化學世界，又對培養學生活躍的創新意識、理論聯系實際等方面具有其它課程不可替代的作用。

但是，并不是所有的演示實驗都能進行隨堂演示。如有些演示實驗儀器過于龐雜或容易損壞不方便帶進教室，某些實驗過程比較費時或操作繁雜不適合在課堂上演示等。同樣，對于現場操作存在局限性，具有一定危險性的演示實驗，也不宜進行隨堂演示。

對一些在課堂上進行演示效果突出，但易產生有毒、有害產物且不易控制安全性的實驗，可以采用錄制實驗視頻的方式進行，實驗視頻方便教師攜帶，并在課堂中演示，效果一樣突出。

依據實驗教學視頻的制作思路，錄制了火山爆發、鎂條燃燒、大象牙膏等演示實驗的有聲視頻。

火山爆發、鎂條燃燒演示實驗的有聲視頻可讓學生獲得直觀反應熱概念；大象牙膏演示實驗通過雙氧水、碘化鉀與洗滌劑等組成的反應體系，實驗效果突出。大象牙膏演示實驗有聲視頻既展示了精彩的實驗效果，又明確了該反應的催化原理。該實驗可配套化學反應熱、化學反應速率及電化學三部分的理論課程學習。

西安交通大學生命科學與技術學院生物醫學工程專業蔡皓宇同學利用生物學專業知識，對我們開發新的生物化學方面的演示實驗提供了一定的幫助，并參與了部分錄制工作。

3.大化實驗公眾號的建設

大學化學實驗受眾面廣。近5年，哈爾濱工業大學化學實驗每年服務約70個班級（約1700人），累計學時數達到40800人/次。讓大學化學實驗課程學習內容與手機載體接軌，讓學生能夠快速下載到自己的手機端，方便學生隨時學習，需要選取一個穩定、學生使用較多的手機平臺或手機App發布實驗教學有聲視頻等文件。

我們在微信公眾平臺上開發了大化實驗的公眾號，供上課同學訪問。學生只需掃描大化實驗公眾號的二維碼，即可進入公眾號。

目前，在大化實驗公眾號中包括8個有聲實驗視頻（圖5），5套安全考題，后續還要不斷更新和完善。學生能夠通過手機快速在線播放（圖6），或將文件下載到自己的手機端，隨時學習大學化學實驗的相關內容。

圖5 8個實驗視頻

圖6 手機在線播放界面

大化實驗公眾號穩定、手機在線播放速度快、下載時間短。經過測試發現，當視頻文件參數如圖7所示時，所下載的視頻文件大小為13.4M。大化實驗公眾號有效保障了實驗教學的正常運行。

圖7 視頻文件參數

微信公眾平臺的后臺數據較豐富。在教學過程中，通過微信公眾平臺的相關后臺數據，可以分析學生參與實驗的情況。依據后臺數據，我們對本校2021年春季學期學生通過大化實驗公眾號學習的情況進行了分析。由圖8可知，截止到2021年4月21日，本校共有166人關注。由圖9可知，在2021年4月7日學生對公眾號內容的閱讀次數達到80次。由圖10可知，學生前期對安全考題關注點擊較多，對實驗視頻1-5點擊學習多于實驗視頻6-8。通過后臺數據，我們即了解了學生參與實驗的情況，也給我們提供了內容更新、完善的方向。

圖8 累計關注人數

圖9 閱讀次數

圖10 菜單點擊人數

化學實驗過程中，危險因素較多。因此我們通過問卷星平臺，制作了5套實驗安全考題。5套實驗安全考題也綁定到大化實驗公眾號（圖11）。學生只有通過安全考題測試后，才能進入化學實驗室開始實驗。

圖11 5套安全考題

通過問卷星后臺數據，可分析學生答題情況。我們對2021年春季學期學生通過大化實驗公眾號答題的情況進行了分析。所有學生的實驗安全考題1成績分布見圖12，由圖可見成績主要集中在80分以上區域。后臺數據也可給出每題的正確率（圖13）。通過這些后臺數據，我們能夠了解學生對知識掌握的薄弱點，從而可進行針對性的教學。

圖12 考題1成績分布

圖13 實驗考題1的多選題第1題正確率

上述舉措順利完成了2021年春季學期修學課程的200余名同學的大學化學實驗的網上預習，通過學生上交的實驗報告及部分學生反饋來看，學習效果良好。

4.結論

綜上，針對零零后學生對電子產品使用習慣和自主學習需求等背景，圍繞大學化學實驗教學進行了部分的數字化和信息化改革嘗試，收到了初步的教改成效，也為后續的教研和教改積累了有效的素材和教學資源。