虛擬仿真平臺在分析化學實驗教學中的實踐與評價

秦 倩, 李發勝, 劉 陽

(1 大連醫科大學檢驗醫學院，遼寧 大連 116044；2 慕樂網絡科技(大連)有限公司，遼寧 大連 116011)

2020年爆發的新冠肺炎橫掃全球至今，人們的正常生活受到了嚴重影響。面對如此重大的醫療衛生事件，教育部提出“停課不停教、停課不停學”的要求[1]，以應對新冠肺炎疫情對高校正常教學的影響，全國各大高校紛紛積極響應并貫徹落實，盡最大努力保證疫情期間高校的教學進度和質量。

實驗課程是連接理論與實踐的橋梁。“分析化學實驗”是高校化學及其他相關專業學生的一門基礎必修課。分析化學實驗是分析化學課程體系中必不可少的內容，借助實驗平臺，學生可以將分析化學理論知識運用到實踐[2-3]，不僅可以加固學生對理論知識的認識和掌握，同時能夠鍛煉學生自主動手的操作能力以及獨立思考和解決問題的科學思維[4-6]。因此，高校必須重視疫情期間實驗課程的安排，解決分析化學實驗課復課問題，特殊時期更要做好“以學生為中心”、“停課不停學”的人才培養工作。基于此，結合分析化學實驗課程的特點，本文報道了大連醫科大學在非化學專業的“分析化學實驗”課程教學中，開展的虛擬仿真平臺在分析化學實驗教學中的實踐與評價。文中具體以分析化學實驗中的“鈣鹽中鈣含量的測定”實驗為例。

1 移動虛擬仿真實驗教學設計與實施

1.1 課前準備

學生提前在個人電腦或者智能手機上安裝虛擬軟件(慕樂網絡科技(大連)有限公司開發的MLabs移動虛擬實驗室)。此外，學生用微信關注“Moolsnet”公眾號并注冊賬號后可隨時登錄，對教師共享的教學資源進行預習(圖1)。

圖1 學生預約、預習及測驗等界面

1.2 線上導學

教師提前在電腦端或智能手機端開啟騰訊會議，學生通過共享會議號進入線上課堂，教師利用共享屏幕在線講解實驗目的、實驗原理、實驗儀器與試劑、實驗步驟、數據記錄與分析以及實驗注意事項等關鍵知識點，學生和教師可以進行遠程交流和互動。以“鈣鹽中鈣含量的測定”實驗為例：首先，通過講解實驗目的和原理，讓學生了解氧化還原法間接測定金屬的原理和方法，學會用高錳酸鉀法來測定碳酸鈣中鈣的含量。其次，講解實驗中天平稱量、滴定管讀數、沉淀、過濾、洗滌等沉淀分離法的操作要點及注意事項，然后詳細介紹實驗所需要的試劑和實驗步驟，實驗主要分為兩大步驟，即先進行KMnO4標準溶液的標定，再進行鈣鹽中鈣含量的測定。接著講解數據記錄與處理的方法，重點強調有效數字的保留與運算法則。最后，給學生布置任務，讓學生課后結合虛擬實驗及查詢相關資料進行思考。例如：用Na2C2O4標定KMnO4溶液時可否用HCl或HNO3使溶液酸化？為什么？本實驗中如何才能得到純凈且易于過濾的草酸鈣沉淀？為什么滴定至溶液呈微紅色并保持30 s不褪色即可認為滴定已到達終點？

1.3 仿真操作

利用虛擬仿真實驗平臺模擬實驗操作流程，學生可通過自由練習來熟悉和掌握本實驗的基本操作流程。MLabs虛擬客戶端有“練習”和“考試”兩種模式，兩種模式的區別在于后者沒有提示按鈕“T”。學生可先利用練習模式進行練習，具體操作如下：打開MLabs虛擬實驗軟件(a)——選擇練習模式(b)——選擇分析化學實驗(c)——選擇“鈣鹽中鈣含量測定”實驗(d)，點擊“載入”。進入虛擬實驗關卡后，點擊或移動實驗所需的儀器或試劑進行虛擬操作，屏幕右上角的“T”按鈕可以用來進行操作提示。虛擬平臺將實驗步驟設置成通過操作增強了實驗的趣味性，并提高了學生學習的積極性。“鈣鹽中鈣含量測定”實驗在練習模式下的虛擬操作界面如圖2所示。在練習模式下，學生選擇“鈣鹽中鈣含量測定”實驗后可進行如下的虛擬操作(圖3)：①稱量基準物草酸鈉并溶解；②高錳酸鉀標準溶液的標定；③稱取鈣鹽試樣并溶解；④加沉淀劑飽和草酸銨溶液；⑤加氨水調節溶液的pH；⑥檢查沉淀是否完全并過濾；⑦溶解沉淀；⑧滴定鈣樣測其含量。學生在該模式下可以多次進行練習來更好地了解和掌握實驗技能。學生在熟悉“練習模式”后可進入“考試模式”進行測試。通過考試模式，學生可以對實驗內容的掌握度和對實驗操作的熟練度進行自測。

圖2 MLabs客戶端操作界面

圖3 練習模式中的實驗典型操作

1.4 考核評估

教師可通過平臺的管理端組織仿真考試等等，教師可在線掌握學生的實驗操作情況，同時可設置考試成績構成和權重，進行評價考核。在學生完成“考試模式”下的測試后，教師可在微信公眾號Moolsnet后臺了解學生的完成情況，導出成績進行分析和評價(圖4)，及時發現問題，并進行改進及完善。

圖4 實驗項目成績分布權重及學生虛擬成績分析

2 反饋與評價

教師在開展虛擬仿真實驗教學后，通過問卷調查對學生反饋的意見進行了收集和整理，大多數學生對這種在線教學形式給予了充分肯定，90.2%的學生認為相比傳統實驗，虛擬平臺仿真實驗更能激發學習興趣；91.5%的學生認為虛擬仿真實驗有利于更好地開展實驗預習，復制實驗環境；89.8%的學生認為通過虛擬平臺對實驗步驟更加清晰，更直觀了解實驗進程；88.1%的學生認為有了更多的容錯率，可以進行多次實驗；85.1%的學生表示樂意在課外時間繼續使用移動虛擬仿真平臺軟件加強學習。同時，也有10.5%的學生反映虛擬仿真實驗有距離感，不能夠完全真實的體現實際實驗中出現的各種情況。從學生的反饋來看，學生普遍能夠接受新的教學方式，也樂于使用新的學習方式。但虛擬仿真實驗所存在的問題不容忽視，需要教師進一步探索與發展。

3 改革與探索

3.1 傳統分析化學實驗教學現狀分析

在以往傳統的實驗課教學實踐中，流程通常是學生在課前預習本節實驗課的內容，實驗課上教師再詳細講解實驗目的、原理、步驟、關鍵操作，留下課后作業，然后親自操作、演示正確規范的實驗操作要點，之后學生開始自己動手操作，實驗完成后回去書寫實驗報告并按時上交。經過長期的教學實踐我們發現，這種單一面對面的實驗課程存在以下諸多弊端：①多數學生課前預習流于形式，沒有從內容上認真了解實驗的目的和關鍵點，預習報告也只是象征性的抄寫教材中的實驗步驟，不認真不思考，達不到預習的目的，同時教師也無法獲知學生在預習過程中遇到的問題，導致授課針對性差；②在上課時，由于課堂時間有限，教師在完成實驗內容的講解后，大多只能進行一次實驗的操作演示，在此之后，學生只能根據記憶進行簡單模仿，一旦學生沒有正確地記住教師的操作演示，可能導致無法高效率的完成實驗，后續也無法復習；③傳統模式中教師處于主導地位的知識灌輸，學生被動的接收，缺乏好奇心，限制了學生的發散性思維；④分析化學實驗課內容主要包括天平的使用、溶液配制、滴定分析等單元操作。我校分析化學實驗課采用的是大班教學，教師不可能做到面面俱到，導致學生對操作技能難以掌握全面。因此，線上教學的引入不僅能提高學生的興趣和積極性，也能解決目前傳統教學中存在的問題，進而提高教學效果和教學質量。

3.2 線上-線下結合

在“互聯網+”的背景下，學生往往喜歡通過手機、電腦等網絡平臺獲得學習資源。因此，學生在實驗課前可以通過虛擬仿真實驗平臺中的相關視頻預習本節實驗課內容，在操作復雜、關鍵的地方可以反復觀看，相比以往僅僅看實驗教材學習的方式，更易于理解，記憶更加深刻，在實際操作時可以做到胸有成竹、有條不紊。例如在滴定實驗中，如何準確判斷過渡顏色和滴定終點一直是學生很頭疼的問題，由于缺少經驗，往往導致實驗誤差較大。通過線上虛擬平臺提前預習可以幫助學生更直觀的觀察過渡顏色，準確判斷滴定終點，而不再依靠個人直覺，大大提高了實驗的準確性。另外，線上模式-虛擬仿真實驗平臺更易被學生接納，極大地激發了學生的實驗熱情，提高了學生的熱情和參與度，進而提高學習效率和教學質量。

然而，分析化學實驗離不開實際動手操作，學生有必要進入實驗室進行實際操作。學生通過虛擬仿真實驗平臺預習和練習后已基本熟悉和掌握實驗內容和基本操作。教師不需要再具體詳細講解實驗內容，重點強調關鍵知識點、關鍵操作要點及注意事項即可。同時，學生可以提出自己的疑問，教師予以解答，這極大地提高了學生的學習熱情與積極性，進而提高了教學效果。

線下實驗開始后，學生領取實驗儀器并開始實驗，教師在實驗室巡視觀察學生操作情況，及時糾正不規范操作、對有安全隱患和導致多人實驗失敗的地方及時在課堂上進行提醒和強調，學生有問題隨時進行指導。實驗結束后，教師對本次實驗過程中出現的共性問題進行總結。此外，鼓勵學生勇于探索，對實驗過程中出現的一些奇怪現象或結果及時拍照保存，課后查閱資料解答或者找老師和同學進行探討分析。

3.3 綜合評分

學生在完成線下實驗后根據實驗中所得數據和記錄的實驗現象撰寫實驗報告。在以往傳統的分析化學實驗教學中，教師常憑借學生在課堂上的表現及印象和實驗報告來評價學生的實驗成績，往往會導致不準確、不公正地評價。然而，通過虛擬仿真實驗平臺，教師可以根據學生的預習報告、虛擬實驗成績、線下實驗操作以及實驗報告完成情況給予不同的權重，進而對學生進行綜合評價。本課程評分可采用如下公式：實驗成績=預習報告(占比20%)+虛擬實驗成績(占比20%)+線下實驗操作(占比30%)+實驗報告(占比30%)。通過虛擬平臺，教師可導出 Excel成績表，可以一目了然地了解全體學生的實驗成績及分布情況，及時發現實驗中可能存在的問題，并在后續教學中加以完善和改進。

4 結 語

本文針對新冠疫情形勢下虛擬仿真實驗平臺在分析化學實驗教學中的應用作了實踐和評價。虛擬仿真實驗教學模式的實施充分激發了學生的熱情，提高了學生的積極性和參與度。鑒于傳統實驗教學存在的局限與不足，虛擬仿真實驗教學模式是一種有益的探索與發展。因此，基于虛擬仿真實驗平臺的“線上線下-虛實結合”的分析化學實驗教學新模式是實驗課教學的一種創新，我們將在使用和建設中不斷嘗試，不斷積累和改進，提高教學效果和教學質量。