基于虚拟仿真实验平台的有机化学实验教学实践

基于虚拟仿真实验平台的有机化学实验教学实践

作者：付颖寰 杨大伟 郭宏 侯传金 杨义 初婷婷 来源：《教育教学论坛》2017年第15期

摘要：有机化学实验是轻工类院校理工科学生的必修基础课之一，其中涉及的许多基本操作是学生在毕业环节及从事相关工作时必备的能力。我校传统的有机化学实验教学模式存在着授课模式较单调、教学效率不高、考核方式不全面等问题，亟待改进。 关键词：有机化学实验；虚拟仿真；教学改革；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0271-02 一、前言

有机化学研究有机化合物结构、性质及它们之间的互相转化规律，是轻工类院校轻化、纺材、生物、食品专业学生必修的基础课程之一。有机化学实验是理论课教学的重要辅助环节，通过实验可以使学生学会基本的合成及分离实验操作，锻炼学生的动手能力，培养良好的实验习惯和严谨的科研作风，为将来从事相应专业的研发工作打下基础。我校的有机化学实验教学目前存在以下问题：学生对实验的重视程度不够，预习报告抄袭，预习的过程流于形式；课堂上教师的讲解较详细，但教学模式较单一，难以激发学生的兴趣，同时由于预习不够，学生一知半解，实验时照方抓药，不懂真正的原理；实验过程中出现错误较多，重新进行实验导致药品浪费；实验药品用量大，污染严重；某些实验对反应条件要求比较苛刻，无法顺利开展；一些先进的仪器设备无法应用到本科有机化学实验教学中。

基于以上有机化学实验中存在的问题，我们开展了一系列教学改革，如设计多媒体助学型有机化学实验预习课件、改革有机化学实验考核方式[1]、将有机化学合成实验的用量改为半微量和微量并进行系列化实验以减少环境污染和浪费[2]等。这些改革对改善学生的预习过程有一定的帮助，使教学效果稍有提高，也缓解了一部分环境污染，但并没有获得较大的改观。利用虚拟仿真实验平台，可以真实地模拟实验室中进行的有机化学实验全过程，激发学生的积极性和主动性；在真正进入实验室前，通过预先完成模拟实验可以检验预习效果，熟悉实验过程，减少真正实验时的出错率；另外，还可以模拟一些由于苛刻条件而无法开设的实验。因此，将虚拟仿真网络实验平台应用于有机化学实验可以提高教学效率[3]，具有实际意义，也是目前高校化学实验室一种新的发展趋势。目前已有将仿真实验引入有机化学实验教学中的实例[4]，并取得了较好的教学效果，但其依赖于二维动画平台，不能逼真地体现实验室的真实场景。本年度我校引进了大连微瑞公司的虚拟仿真实验平台，并在有机化学实验教学中进行了应用实践。

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二、通过虚拟仿真实验平台进行有机化学实验预习可以提高教学效率

学生通过学号和密码登录，进入虚拟仿真实验平台中的有机化学实验模块，点击其中一个实验的名称，可以完成预习过程。首先观看课件对实验有大致的了解，完成预习报告内容，包括设计流程图、物理常数查阅等。接着进行仿真模拟实验，这时学生就像真正进入了有机化学实验室，可以在书本预习的基础上进行一次实验的模拟操作，比如称量、加药品、搭建装置、拆除装置、纯化等步骤。需要在规定的时间内正确完成指定的操作，如果其中某一个步骤出现问题，如称量结束没有关闭天平或未通入冷凝水就打开常压蒸馏装置的加热套开关，系统就会提示“错误”、“扣分”等字样，同时后台记录了整个操作过程和分数结果。如果“错误”的提示积累到一定数量或未能在规定时间内完成操作，实验的预习成绩视为不及格，需要重新进行一次模拟实验。教师登录实验平台可以看到学生模拟实验的完成时间和分数。学生只有在平台中按要求通过模拟实验过程，才允许申请进入有机化学实验室实际操作。比起以往教师只能在上课时通过提问检查学生的预习情况，这样的方式一方面可以检验预习的效果，保证预习过程的质量，提高实验教学效率；另一方面可以加深学生对错误操作和注意事项的理解，避免在实验室中实际操作时重复出现这样的错误[5]。在真正进入有机实验室操作的时候，也大大节省了教师的授课时间，提高了实验效率。

三、虚拟仿真实验可以激发学生对有机化学实验的兴趣和主动性

以往的预习是学生通过阅读实验教材、填写预习报告进行的，整个过程比较枯燥，有相当一部分学生为了省事而抄袭预习报告，这样就没能激发学生的好奇心和主动性，达不到预习的效果。使用虚拟仿真实验平台后，学生反映在平台上可以看到实验室的情况，按照书上的步骤进行操作，对使用的玻璃仪器、装置搭建的方法有了直观的了解，熟悉了实验流程，并且在虚拟实验室中，界面内容丰富，视角转换等操作方式与学生熟悉的电脑游戏键盘操作类似，这使他们感到非常亲切，容易操作，对于每一步实验操作和展示的实验现象充满了好奇心，极大地激发了学生的兴趣。在虚拟平台中，如果操作正确就会继续进行，错误时将会提示并扣分，若错误过多将需要再次进行实验模拟，这将促使学生在下一个实验的预习中更加细心，避免出现类似的错误，争取一次通过，增强了学生预习实验的主动性和独立思考的能力，进而促进有机化学理论课的教学[6]。

四、虚拟仿真实验利于减少环境污染，降低成本

如果学生在预习实验阶段所做的准备工作不够充分，没有深入了解实验原理，对实验仪器和装置的使用也不熟练，实验时只是盲目操作，实际操作时出现错误的可能性就比较高，造成产率极低或者根本得不到正确产品的结果，白白消耗了较多的化学药品，也浪费了自己和教师的时间，这在一方面提高了实验的成本，另外也造成了对环境的污染。相反，如果学生事先通过虚拟仿真实验平台对本次实验进行了充分的预习，也尽可能地避免了实验中可能出现的一些错误，就会大大地节约药品试剂的成本，提高了实验效率，同时也使得半微量、微量实验更容易成功，在一定程度上减少了对环境的污染。

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五、通过虚拟仿真实验平台的建设可以丰富有机化学实验的内容

有机化学中有一些试剂由于活性较高经常需要使用特殊的实验装置，如涉及金属有机试剂的反应就需要使用双排气体分配器来创造惰性气体和真空的环境；有的实验需要在低温或特殊条件下进行，这些在一般的高校基础化学实验室中都难以实现。通过虚拟仿真实验平台的建设可将此类实验引入本科教学中，还有一些危险的实验，比如将对硝基甲苯氧化为对硝基苯甲酸的实验，在滴加浓硫酸的时候由于放热，机械搅拌可能会产生电火花，有的学生感到害怕因此不敢继续滴加；另外，也有一些耗时较长的实验，不宜在有限的学时中开设。以上实验内容都可以添加在虚拟仿真平台中，学生在课余时间可以有选择性地进行实验的模拟，从而观察到相应的反应现象，学会如何实现特殊条件的控制，既丰富了有机化学实验的内容，又拓宽了学生的视野。

六、虚拟仿真实验中存在的问题

尽管在初步应用虚拟仿真有机化学实验平台的过程中，我们发现了它的很多优点，但同时也发现了一些问题，比如平台中对实验过程的模拟，可以用于对预习情况的检验，实现苛刻实验条件的补充手段，但是绝对不能代替实际操作。一方面，虚拟实验毕竟是“纸上谈兵”，学生动手能力的培养必须通过亲自操作、多次练习来完成；另一方面，在真实的实验过程中可能会出现一些突发现象和事件，这也是虚拟仿真实验平台所无法预料和模拟的[7]。因此，我们应发挥虚拟仿真实验平台的优点，对有机化学实验教学进行有益的补充。 七、结语

将引进的虚拟仿真实验平台用于我校本科生有机化学实验教学的实践，取得了良好的效果。虚拟仿真实验平台作为对有机化学实验传统教学模式的一种有益辅助方式，表现在多个方面，如可以强化预习过程、检验预习效果、提高实验教学效率、加深学生对操作步骤和注意事项的理解、减少实际操作的错误率、激发学生的好奇心和主动性、减少化学药品的浪费及对环境的污染、让学生可以接触到更多类型的有机化学实验操作等。随着我校虚拟仿真实验平台的逐步完善，其功能也将逐渐强大，如将来平台可以用于多种学科的虚拟仿真实验、预习通过后实验时间的申请、有机化学实验期末考核方式的一部分等。 参考文献：

[1]付颖寰，李明慧，杨大伟，郭宏，侯传金，杨义，陈丽凤.绿色化教学在有机化学实验中的应用[J].大连工业大学学报（增刊），2014：1-3.

[2]李明慧，杨大伟，付颖寰，郭宏，侯传金，杨义.改革有机化学教学模式和考核方式[J].教育进展，2014，（4）：121-124.

[3]刘桂斌.运用模拟实验提高教学效果[J].中国电化教育，2002，183（4）：30-31.

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[4]杨世军.有机化学实验仿真、绿色化、半微量等互补型教学模式的探索[J].广东化工，2014，（21）：230-231.

[5]如婷婷，石莹岩，初学峰.基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议[J].高教学刊，2016，（12）：54-55

[6]曾凡斌，刘汉兰，谢劲松.利用虚拟化学实验促进有机化学教学[J].中国现代教育装备，2008，（12）：89-90.

[7]郭亚宁.仿真模拟技术在有机化学实验教学中的作用[J].高校实验室工作研究，2011，108（2）：46-47.