虛擬仿真在有機化學實驗教學中的應用研究與實例*

2022-07-13 07:39:40于金濤滕巧巧

廣州化工 2022年12期

于金濤，滕巧巧

(常州大學石油化工學院，江蘇常州 213164)

有機化學是化學、化工、材料、制藥、能化等專業的基礎課程，在理工科學院教學中處于重要的地位。同時，有機化學是一門實踐科學，理論教學與實踐教學結合并相互促進是高等學校有機化學教學的核心法則。然而由于時間、空間、設備等條件的限制，現行普通高校能夠開展的有機化學實驗非常有限，且非常類似。目前的有機化學實驗主要目標是學習基本操作，很少涉及到前沿成果、精細實驗。虛擬仿真技術是在當今“互聯網+”時代背景下產生的一種新興教育輔助技術[1]。虛擬仿真技術越來越多的應用于在實踐性較強的課程實驗教學中的，涉及到多個學科和專業，國內外眾多高校、科研院所都在積極建設虛擬仿真實驗平臺[2]。筆者所在的常州大學石油化工學院，現擁有化工虛擬仿真實驗教學中心國家級平臺以及化學化工虛擬仿真實驗教學共享平臺省級平臺，積累深厚，經驗豐富。有機化學實驗課程也在積極地采用虛擬仿真技術對部分實驗教學內容改革并增加一些新的實驗項目。

1 當前有機化學實驗教學現狀

作為一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是有機化學課程的重要環節。目前大多數的高等院校有機化學實驗教學依然沿用“課前預習—課堂講解及演示—學生操作—撰寫實驗報告”這一傳統模式，教學模式單一，學習形式機械化，主要目的是通過具體的、孤立的實驗，讓學生掌握有機化學基本操作。這種模式下，學生通過一個個的實驗掌握了有機化學的一些基本操作，多年來培養了一批批化工行業從業者。然而，在信息飛速發展的今天，傳統的實驗教學模式存在著的弊端也越來越明顯。

傳統有機化學實驗存在的不足之處在于：

(1)在這種模式下，學生的預習效果難以保證。因為課前不能接觸到儀器設備，僅靠書本圖片印象不深；課堂上教師講解實驗細節時，學生基本上是在被動地接收信息，來不及深入思考和探索，只是按照預先設定好的程序進行實驗操作。

(2)每堂實驗課至少有十幾名學生，老師難以實現對每個學生的全程控制和指導。再加上場地有限、設備陳舊等現實條件的限制，大多數同學不能做到自主學習。因此，這種傳統實驗教學模式很大程度地扼殺了學生探索實驗奧妙的積極性，不利于激發和培養學生的創新意識和創新能力。

(3)實驗基本都是一次性的，或成功或失敗。實驗課結束后，學生或多或少有些遺憾，覺得還有可提高之處，但實驗室無條件再讓學生重復一次，不利于反思總結。

(4)鑒于本科生操作水平較差，基礎實驗的量都是比較大的，這樣可以得到可觀數量的產品，卻難做到微量半微量實驗，因此會產生大量的副產物、廢水等化學廢棄物，對環境保護造成極大壓力，集中收集，專門銷毀，代價較大。

(5)實驗類型比較單一。實驗過程中，有的大型實驗設備要使用到高壓、高溫等環境，需要在對操作要求高的真空線條件下進行，需要使用毒性大或易燃易爆的化學試劑等，這些操作都對實驗操作者本身技術要求高，還會對實驗室構成消防安全隱患和對實驗人員的人身安全構成極大的威脅。這些先進的知識和技術是需要學生掌握的，但大多數的高校都沒能力開展。因此，傳統有機化學實驗亟需一場改革。

2 虛擬仿真實驗的優點

教育部在《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》中明確提出信息技術應與教育全面深度融合的理念[3]，并自2013年起，全面啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，營造虛實結合的實驗環境和學習平臺，這是一項信息技術融入實驗教學的重要舉措[4]。虛擬實驗借助于網絡技術、多媒體技術、以及虛擬現實技術等在手機、計算機或其他多媒體設備終端上營造出虛擬的實驗環境。操作者通過與設備的交互，仿佛置身于真實的實驗環境中完成各項任務。虛擬仿真實驗已廣泛應用于航空、醫學、軍事、物理、化學等領域。虛擬仿真實驗的開放性、交互性、沉浸性和共享性等優點，吸引了越來越多的關注[5]。將虛擬實驗室引入有機化學實驗教學中，突破傳統的實驗教學方式，可以大幅度解決現實中某些化學實驗難以展開的問題，提高教學水平，促進本學科的發展[6]。

具體到虛擬有機化學實驗，其優勢還包括：

(1)安全性。化學實驗常涉及到使用毒性較大的試劑，如液溴、溴化氫、碘甲烷、鋅汞齊、氰化鈉等，以及強腐蝕性的試劑，如濃硫酸、濃硝酸等，還可能會涉及到苛刻反應條件的，如格氏試劑的反應、丁基鋰反應的嚴格的無水無氧條件等。這些反應的強烈反應條件對操作者的熟練程度要求極高，本科生大批量實驗，勢必會造成一些危險。而在虛擬實驗中，學生與藥品不會真正接觸，保證學生的安全。

(2)低成本。真實化學實驗中，會用到各種昂貴試劑甚至是管制試劑，成本高、購買程序繁瑣。取樣過程會有撒漏，實驗結束后的產品基本上都是丟棄，造成了很大的浪費。此外，一些實驗對儀器設備要求也高，配置一套儀器設備及后期維護都需要花費大量成本。在虛擬實驗室，所有試劑、儀器都是仿真的，儀器參數和狀態可調節至最佳水平，滿足各類實驗需求。而且可以實現無限次的重復實驗，大大節約了成本。

(3)直觀性。化學反應是在分子、原子層面上研究物質組成、性質、結構與變化規律的學科。對于現實中難以觀察的抽象概念，如極化、化學鍵、電子云、氫鍵、立體選擇性等概念，可以通過虛擬實驗搭建的模型給學生以直觀的感受，將抽象事物具體化，方便學習。

3 課程實例:正丁基鋰的合成及反應

以正丁基鋰的制備與合成反應為例：正丁基鋰是有機合成中常用試劑，其制備過程需要嚴格的無水無氧真空線操作，對操作技能要求高，而且會涉及活潑金屬鋰單質的使用，所有反應溶劑也要嚴格除水。這些特點對于本科生來講操作難度較大。而正丁基鋰參與的無論是拔氫還是拔鹵素抑或親核加成反應都是基礎有機化學中非常重要的理論知識。使用虛擬仿真實驗課堂，學生不需要直接接觸化學藥品，可以避免有毒藥品的侵害；不需要直接操作難度高的無水無氧的真空線，實驗成功率高；學校也不需要準備大批真空線配套設備，大大節約了教學成本。

各部分的具體功能如下：

學生首先通過掃描二維碼或者賬號密碼，驗證身份后進入虛擬仿真實驗室。然后按照指引向導進行模擬實驗。

(1)實驗目的(在平臺中點擊相關按鈕查看)

①掌握正丁基鋰的合成和反應的實驗操作。

②學習使用真空線完成反應。

(2)實驗原理(在軟件中點擊相關按鈕查看)

1-溴丁烷與單質鋰在低溫下反應得到正丁基鋰，正丁基鋰與丙烯酸甲酯發生親核加成反應，最后經酸化得到2-甲基-3-丁基-1-庚烯-3-醇。

(3)儀器與試劑

在虛擬仿真實驗室，同學們可以查看實驗所需的所有儀器與試劑，還可以直觀地了解各種儀器，特別是真空線的構造和使用方法；所用到的試劑均放在虛擬試劑架上，學生可通過點擊試劑上的超鏈接了解該試劑的MSDS信息。

儀器：真空線全套裝備，帶攪拌的低溫反應器，三口瓶，回流冷凝管，直形冷凝管，蒸餾頭；尾接管，梨形瓶，溫度計，滴液漏斗，移液管，容量瓶，量筒，磁力攪拌器，分液漏斗，油泵，旋轉蒸發儀，電熱套等。

試劑：乙醚(無水無氧)，金屬鋰，丙烯酸甲酯，1-溴丁烷，乙醇，濃鹽酸，無水硫酸鈉等。

(4)實驗步驟

點擊開始按鈕，本實驗所能用到的儀器和試劑便會呈現于虛擬實驗臺上面，學生可通過點擊鼠標拖拽來選取。學生在實驗操作過程中需要按照預習或教材中制定的實驗步驟進行，如果有錯誤操作，軟件會提示并自動給予相應的扣分。實驗結束后，系統軟件會根據學生在整個實驗過程中的表現給以總分及綜合點評。

①在三口瓶上安裝冷凝管、溫度計和滴液漏斗，真空線換氣(氮氣或氬氣)至少三次；

②在大流量的氮氣(或氬氣)流保護下，向三口瓶中加入 12 mL無水無氧乙醚，0.4 g金屬鋰。

③將低溫反應器溫度設定為-20 ℃，當溫度計示數同樣降為-20 ℃時，通過滴液漏斗滴加1.0 g丙烯酸甲酯與4 g 1-溴丁烷的混合物(設定滴加時間為2 h)。反應劇烈，反應液顏色逐漸加深至黑色。滴加完畢后，在該溫度下繼續攪拌2 h。

④過量的金屬鋰用乙醇處理；配置10%稀鹽酸溶液。

⑤冷卻下，用10%鹽酸水解，調pH=2，分出油層，水層用乙醚提取。

⑥有機相合并后水洗至中性，經無水氯化鈉干燥、過濾，蒸出乙醚。

⑦用油泵減壓蒸餾，收集80℃/0.133 kPa的餾分，即為 2-甲基-3-丁基-1-庚烯-3-醇。

注意：實驗所用的藥品，無水乙醚、丙烯酸甲酯、1-溴丁烷都是經干燥、重蒸處理過可以直接用。本虛擬實驗不考察試劑的干燥純化等問題。

(5)實驗報告

選擇相關的實驗報告空白模板，根據上述實驗過程填寫實驗報告，將寫好的實驗報告提交。教師在實驗截止時間后對學生的學習情況進行考核評價。

考核方式：虛擬實驗的考核更注重綜合實驗能力，應體現有機化學實驗教學注重培養學生創新能力和動手能力的宗旨。在考核項目上，參考虛擬平臺的打分記錄，重點考核實驗記錄的真實性、實驗操作的規范性、實驗理論運用的合理性以及實驗報告的完整性。采用預習成績(10%)、實驗設計(30%)、實驗操作(40%)、實驗報告(20%)的模式。

4 課程思政

利用虛擬仿真實驗室來模擬、代替真實的實驗場景，一方面減少了排放，與國家的“碳達峰碳中和”規劃不謀而合，同時也符合可持續發展的要求；另外一方面可以實現資源共享，普通高校學生也能接觸了解高精尖的實驗技術，激發學生對學科的熱愛及創新潛力。

5 結語