高校基礎化學實驗數字化教學模式的探討

摘要：介紹了幾種高校基礎化學實驗教學中常用的數字化模式、數字化技術，應用于高校基礎化學實驗教學過程中的開發重點以及數字化教學模式下的考評方式。通過數字化技術，既能實現“線上+線下”結合的實驗教學新方法，又可以實現不受空間限制的遠程教學，同時倒逼建立一套適應數字化教學的公平合理且具有激勵功能的考評機制。

關鍵詞：高等教育；基礎化學實驗；數字化教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

ExplorationofDigitalEducation

forBasicChemistryExperimentsinUniversities

MaXiaona1，2JiLiangliang1，2XuBei1，2

1.HohaiUniversity，KeyLaboratoryofComprehensiveManagementand

ResourceDevelopmentofShallowLakes，MinistryofEducationJiangsuNanjing210098；

2.SchoolofEnvironment，HohaiUniversityJiangsuNanjing210098

Abstract：Thispaperintroducesseveraldigitalteachingmodescommonlyusedincollegebasicchemistryexperiment，thedigitaltechnologyappliedincollegebasicchemistryexperimentteachingandtheevaluationmethodunderthedigitalteachingmode.Throughdigitaltechnology，itcannotonlyrealizethenewexperimentalteachingmethodcombining"online+offline"，butalsorealizetheremoteteachingwhichisinaccessible.Atthesametime，itisnecessarytoestablishafair，reasonable，andmotivationalevaluationmechanismthatadaptstodigitization.

Keywords：Highereducation；Basicchemistryexperiment；Digitalteaching

教育數字化是我國開辟教育發展新賽道和塑造教育發展新優勢的重要突破口。進一步推進數字教育，為個性化學習、終身學習、擴大優質教育資源覆蓋面和教育現代化提供有效支撐［1］。在過去幾年內，隨著信息技術的快速發展，教育也進入了數字化時代，利用信息技術、互聯網技術、人工智能等多種數字化手段，支持和開拓教育教學新模式，實現教育信息化、個性化教育、在線教育等［2］。

高等教育著力于培養高素質、高質量的復合型人才，為適應數字化時代的發展，高等教育的數字化轉型已經成為高等教育發展的必然選擇。實踐教學是培養學生理性探索、批判質疑、技術應用及創新實踐等核心素質的重要載體，實踐教學形式與理論教學有較多區別，本文著重探討教育數字化背景下的實驗教學模式。

1基礎化學實驗的數字化教學

高校基礎化學實驗是理工類專業的必修基礎實驗課程，是接觸性、過程性的教學，傳統的化學實驗課程存在自身的局限性，化學實驗具有危險性和污染性，反應時間過長，實驗現象不明顯，操作過于復雜且儀器精密昂貴［3］，實驗內容更新慢；容易出現“照方抓藥”問題，缺乏對學生自主學習和獨立思考能力的培養。

高校基礎化學實驗的數字化教學，將數字化技術應用到實驗中構建數字化教學平臺，提供豐富多樣的學習資源，高效、綜合、全面地傳遞知識，提高學生的學習興趣，擺脫傳統實驗模式的弊端，通過數字化提高實驗教學的效果，完成理論和實驗的貫穿融合。

1.1推行虛擬仿真化學實驗平臺

虛擬仿真實驗，可以借助虛擬仿真技術、VR人工智能、智能交互系統等構建一個貼近真實的實驗場景，實現沉浸式的實驗教學，激發學習興趣，提高學生的參與度。虛擬仿真實驗對化學反應的現象能夠準確呈現，使實驗進度可調控，便于學生觀察實驗現象，體驗實驗過程，提高學習效果。通過虛擬仿真技術，使實驗器材、化學用品、實驗環境、實驗條件等虛擬化，減少了試劑的使用和危廢物的產生，消除了實驗中可能存在的危險因素，節約實驗成本，減少了環境污染，實現了綠色化學理念。虛擬仿真實驗滿足了各種情況下所需的遠距離線上教學需求，支持較多用戶同時在線操作。在虛擬仿真實驗的教師端，可根據實驗屬性進行劃分類別，根據實驗過程制定操作手冊，根據實驗結果評定成績，形成完整的實驗教學方案。

虛擬仿真實驗我們可以利用電腦和手機上的小型軟件進行操作，同時國家也有開放性的虛擬實驗平臺供教師和學生們操作使用，如國家虛擬仿真實驗課程共享平臺。現在虛擬仿真技術被越來越多地應用于實驗教學和各種實驗技能大賽中。

1.2線上直播技術優化演示實驗

隨著直播技術的成熟和流行，利用線上直播技術開展實驗教學，符合新時代學生的興趣和習慣，既能解決空間上的限制，又能滿足化學實驗中實物操作性的需求。通過線上直播，能夠將實驗教學過程實時地、清晰地、完整地傳達給學生，避免了教師在一個實驗臺演示指導實驗內容時，其他實驗臺學生不能清晰地看到問題，提高教學效果和學生積極性。為此，需要構建適應直播的新型化學實驗室，主要增加直播設備，例如多角度攝像頭、收音設備、燈管器材、手持設備等。需要注意的是，直播軟件和設備需要簡單易操作，方便授課教師能夠一人操作并迅速開展教學。

在高校基礎化學實驗中的驗證性實驗，不存在特殊的實驗技能，特別適合采用線上直播技術進行演示，比如無機及分析化學實驗中水溶液中的解離平衡、氧化還原反應和配合物生成和性質實驗，教師進行實驗演示與學生進行互動，學生通過直播思考和觀察實驗現象。該直播過程中學生主動參與進來，培養學生獨立思考的能力，并且減少了有毒試劑的使用及實驗危廢物的產生。

1.3基礎化學實驗教學的大數據化

基礎化學實驗教學在實現線上數字化教學的過程中，必須將個性化實驗教學設計、過程性實驗數據、多樣化的評教2ZYFEfzejFkMjLZFLmYVXKck6njXETw+mgz2Ns2kJ1s=評學體系等納入數字化系統之中，形成完整的化學實驗教學的數據庫。完整的化學實驗教學數據庫應包括三個方面：收集分析工具，能夠采集實驗案例、實驗數據、實驗結果并對學習過程和結果進行分析；交互研究工具，對師生之間的交流討論提供平臺，開放式的空間更能激發教學活力；教學評價工具，新的教學改革需要新的教學評價體系，大數據是信息時代教學中不可或缺的評價工具。

國家高等教育智慧教育平臺中，匯集了包括中國大學MOOC、學堂在線、智慧樹等各大平臺的優質資源，其中關于化學實驗的相關課程就有100多門，實現了化學實驗教學的大數據化。

關于基礎化學實驗的數字化教學，在實際教學實踐中已有較多實例和應用。有學者提出采用現有的教學平臺如愛課程網、中國大學MOOC等資源，供學生自主學習，通過平臺為學生進行直播，并充分運用虛擬仿真實訓室，進行分析化學實驗教學。還有學者提出以化學實驗中的酸堿滴定實驗為例介紹采用在線開放課程共享平臺、虛擬仿真訓練等線上教學，學生自主進行線下實驗的混合教學實踐研究。李青原等［4］不僅采用網絡、虛擬仿真項目和微課開展了“有機化學實驗”的線上教學，并對該數字化教學效果進行了調查，結果顯示該教學模式直觀清晰、互動方便，并且實現了人機互動，教學效果良好。

2基礎化學實驗數字化教學的開發重點

基礎化學實驗是在實驗者、實驗手段、實驗對象三者相互作用下進行的，實驗教學更注重在預定的設計方案下，控制實驗對象和實驗手段，將最佳的實驗現象呈現出來，并傳達給實驗者，在這個過程中，實驗教學的認知功能和方法論被學生吸收。數字化教學使化學實驗更突顯學生主體，多角度、多感官提高教學體驗，豐富教學手段。

2.1基礎化學實驗教學設計的在線參與性

基礎化學實驗的教學目的是提高學生的科學素養，因此實驗教學設計要根據學生的認知和能力，對實驗內容進行設計，把握好深度和廣度。線上數字化的手段，可以使學生非常方便地參與實驗教學設計，師生共同討論生成的實驗設計，是基于學生的知識儲備水平和教師的指導而形成的最佳教學途徑。教師可以用數字化的手段，根據實驗條件和學生特點決定實驗的組織形式。

2.2探索性基礎化學實驗的數字化實現

探索性基礎化學實驗著力于使學生自主發現問題、解決問題，培養學生的創新意識和創新能力。以往受限于傳統化學實驗的危險性以及時間、條件等因素，探索性化學實驗在教學中常常被舍棄，而數字化手段使實驗的探索性更加有發展空間。實驗中有一些探索性的內容，在普通課堂實驗中很難進行，而數字化虛擬實驗可以同步實施，更多的實驗條件可以改變，以激發學生的思辨能力。

2.3基礎化學實驗在數字化進程中的基本設計

按照基礎化學實驗教學的要求，數字化設計應遵循實驗教學的基本操作。（1）實驗技能。包括稱量、移液、定容、萃取、離心、清洗等基本實驗技能，必須在數字化實驗中準確體現。（2）實驗原理。要具備實驗原理的數據庫，方便學習、查詢和使用，例如化學反應平衡方程就包括質量平衡方程、電荷平衡方程、溫度校正方程等。（3）創設情景。也就是提出問題的過程中，貼近實際功能，使問題具有針對性、科學性、啟發性。（4）需要用到的儀器和試劑，詳細的實驗步驟提示和注意事項，實驗結果數據的處理與討論。

3數字化模式下基礎化學實驗的考評機制

在數字化教學時代，基礎化學實驗的考評機制應當與數字化的改革相協調，能夠有效評估學生的學習效果，提高學生的學習動力，同時體現教師的教學水平。新的教學手段倒逼新的考評機制，沒有一套公平合理且具有激勵功能的考評機制，將不利于化學實驗的數字化教學改革。

3.1數據量將成為學生評分的重要權重

數字化的基礎化學實驗對整個實驗過程進行數據統計，例如前期查閱文獻數量、學習實驗原理時長、實驗的次數、結果的差異、交流討論的內容等，這些都成為評價學生學習效果的可視化參數，能夠有效提供過程性考核。多維度的數據量，及時地反饋給學生，在學生中也能產生激勵作用，使學生更加注重自主學習、發現問題、團隊合作等能力的培養，并能及時調整化學實驗學習的策略。教師參考學生在實驗過程、實驗結果、實驗報告、實驗討論、實驗答辯等各方面的數據［5］，在合理的權重的綜合評分中，保證學生成績的公正性和客觀性。鄭會勤等［6］根據實驗課前、課中、課后會涉及的問題，整理了20項可以量化的標準，設計了量化的實驗課程學習成果評價表，很好地解決了因實驗課程影響因素多而無法全面檢驗學生學習成果這一問題。

3.2PBL教學法的數字化指標

以解決實際問題為導向的PBL（ProblembasedLearning）教學法，同樣非常適合數字化條件下的教學［7］。但是，如何評價PBL教學方法的教學效果，尤其是線上教學的實際效果，值得進一步研究。按照基礎化學實驗教學的基本流程，數字化的評價機制對PBL教學過程可以大致形成以下指標項目。（1）“課題價值”，學生發現或選擇的實驗問題，是否對要掌握的化學實驗具有價值；（2）“實驗講解”，教師對學生的引導和討論，是否對解決實驗問題具有價值；（3）“報告體驗”，學生提交的實驗報告，是否反映實驗的預見性、合理性和規范性。

3.3助教參與的評價模式探索

研究生助教參與實驗教師的工作，是經常用到的教學方法，但由于助教評價機制的不完善，導致助教的工作遇到阻礙。而在數字化的化學實驗中，助教的作用可以凸顯出來，因為數字化產生的海量的數據，以及數字技術的操作，都需要助教來完成。研究生助教具有年齡優勢，在信息社會背景下成長起來，更了解數字技術，更快地掌握相關軟件的使用，為線上化學實驗的開展解決技術問題。借助數字化的手段，使研究生助教的選聘選任、任務分配、培訓學習、評價機制等實現量化，成為研究生助教在將來的學習和工作中具有價值的評價參數，從而建立良好的助教文化。

結語

基礎化學實驗的數字化是以數字化信息和網絡為基礎，對基礎化學實驗的教學環境重新建構，通過對實驗數據的收集、處理和應用，使數字資源得到充分優化，在滿足化學實驗需求的基礎上構建一個數字空間，以促使化學實驗教學不再受限于傳統課堂物質環境的束縛，實現化學實驗的全面信息化。基礎化學實驗數字化教學的實施突破了對傳統實驗教學模式的依賴，形成全新線上線下融合的實驗教學新模式。但是同時我們也應該平衡好線上線下實驗課程的關系，化學實驗課程畢竟是一門實踐性課程，具有其自身不同于理論課程的鮮明特點，數字化技術只能起到輔助作用，要避免流于形式的被動看和聽，要充分發揮數字化技術對實驗教學的正面意義，推動化學實驗課程的數字化改革，真正達到線上線下實驗教學的有效結合，實現高校實驗教學的創新。

參考文獻：

［1］加快建設教育強國為中華民族偉大復興提供有力支撐［N］.人民日報，20230530（1）.

［2］李春明.數字化時代下的區域智慧教育建設探索和思考［J］.現代信息科技，2023，7（24）：193198.

［3］章建東，吳瑩，嚴吉林，等.線上線下混合式實驗教學模式的改革與探索［J］.大學化學，2022，37（2）：1926.

［4］李青原，邵建群，石晨，等.《有機化學實驗》線上教學探討與實踐［J］.中國教育信息化，2021，12：5255.

［5］曹錳，徐勝，張尚璽，等.高校普通化學實驗線上教學探索研究［J］.廣州化工，2020，48（24）：167168+202.

［6］鄭會勤，張永強.基于OBE理念與“互聯網+”的地方高校實驗智慧教學模式探究［J］.河南教育學院學報（自然科學版），2023，32（03）：5055.

［7］申彥，杜建國，童金根，等.虛實結合PBL雙創課程教學研究［J］.實驗技術與管理，2020，37（4）：231233.

基金項目：2021年度河海大學中央高校基本科研業務費項目“基于分子印跡聚合物的環境樣品中硝基化合物的前處理和檢測”（B210205017）

作者簡介：馬小娜（1989—），女，漢族，山東濰坊人，碩士，實驗師，研究方向：化學類相關實驗教學和實驗室管理工作。