蘇建宇

（武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 湖北·武漢 430205）

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，促使我國大學(xué)教學(xué)也正向網(wǎng)絡(luò)化和多元化的方向改革。[1]網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺較傳統(tǒng)教學(xué)方式最顯著的優(yōu)勢在于教與學(xué)均不受時間與空間的限制，教學(xué)資源共享。但是單一的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)使得學(xué)生在虛擬環(huán)境中缺乏對事物的感知性認(rèn)識，特別是理工科專業(yè)的實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，其弊端尤為明顯。物理化學(xué)實驗是高等學(xué)校化學(xué)、化工、環(huán)境、生物、材料等相關(guān)專業(yè)的必修實驗課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理化學(xué)原理與過程的重要途徑。[2,3]隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)逐漸向傳統(tǒng)教學(xué)模式的滲透，[4]我們也一直在探索和思考如何發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的優(yōu)勢而避其短處，來促進(jìn)物理化學(xué)實驗教學(xué)的改革與實驗教學(xué)水平的提高。

自新冠肺炎疫情發(fā)生以來，各高校開始停課，我校正位于疫情嚴(yán)重的武漢市，在“停課不停學(xué)”的號召下，我校全面開展了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，物理化學(xué)實驗課程也開展了首次的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與虛擬實驗的實踐。我們?yōu)榄h(huán)境、材料等專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了“可逆電池電動勢的測定”“最大泡壓法測定正丁醇溶液表面張力”“蔗糖水解速率常數(shù)的測定”和“乙酸乙酯皂化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的測定”這四個實驗的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與虛擬實驗。在實驗課程的教學(xué)過程中，我們結(jié)合了“優(yōu)學(xué)院”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和MLabs 虛擬實驗室。具體教學(xué)過程包括：“優(yōu)學(xué)院”平臺建課，建教學(xué)班級，發(fā)布實驗課程公告；在“優(yōu)學(xué)院”平臺根據(jù)教學(xué)計劃進(jìn)行每個實驗的操作前直播講解，講解內(nèi)容包括實驗?zāi)康摹⒃?、操作注意事項，?shù)據(jù)處理要求；學(xué)生在MLabs 平臺進(jìn)行實驗的虛擬仿真操作，數(shù)據(jù)記錄；規(guī)定時間范圍內(nèi)完成實驗報告的撰寫，并在“優(yōu)學(xué)院”平臺提交。

1 網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的優(yōu)勢

從我們的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)實踐過程來看，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的最大優(yōu)勢在于不受時間和空間限制，在實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，其優(yōu)勢尤為明顯。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式下，學(xué)生的預(yù)習(xí)過程主要針對實驗課本，學(xué)生對儀器的操作、使用和具體的實驗步驟缺乏直觀的認(rèn)識，提交的預(yù)習(xí)報告往往是對書本內(nèi)容的照搬抄寫。這就造成預(yù)習(xí)過程起不到對實驗的真正預(yù)習(xí)效果，使得學(xué)生在實驗操作過程中仍然對實驗儀器和操作流程認(rèn)識模糊，導(dǎo)致實驗效率低，實驗效果不明顯。而實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以隨時進(jìn)入Mlabs虛擬仿真實驗室進(jìn)行對應(yīng)實驗的操作練習(xí)，這個過程不僅可以較直觀的認(rèn)識儀器設(shè)備，而且可以通過操作練習(xí)熟悉整個實驗過程，這種有效的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)可以大大提高學(xué)生對實驗的認(rèn)識和理解。

另外，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗便于實驗內(nèi)容與方法的更新?lián)Q代。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)改革中碰到的最大難題便是實驗設(shè)備的更新，很多教學(xué)實驗室的儀器設(shè)備老化落后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)要求，但是高校實驗設(shè)備的更新往往需要經(jīng)歷計劃預(yù)算、上報審核批準(zhǔn)、招標(biāo)采購的漫長過程，不利于實驗教學(xué)的改進(jìn)。而虛擬仿真實驗的更新卻具有高的時效性，可以大大促進(jìn)實驗教學(xué)的改革進(jìn)程。并且虛擬仿真實驗縮短了實驗時間，在同樣教學(xué)時間內(nèi)，學(xué)生可以進(jìn)行更多內(nèi)容的實驗操作，有利于提高學(xué)生對實驗的興趣和相關(guān)物理化學(xué)理論的理解。例如，傳統(tǒng)的電池電動勢測定實驗，由于教學(xué)時間有限，我們只要求學(xué)生測定三組電池的電動勢，而在虛擬仿真實驗中我們可以設(shè)計更豐富的內(nèi)容，可以設(shè)計測定不同電解質(zhì)濃度，以及不同溫度下的電池電動勢，并通過對能斯特方程的應(yīng)用，更深入理解電解質(zhì)濃度、溫度對電池電動勢的影響及相互關(guān)系。

2 網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的弊端

網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)雖然具有如上所述的優(yōu)勢，但不可否認(rèn)其也存在某些弊端。目前，虛擬實驗最大的弊端就是對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，且目前虛擬操作多是通關(guān)型的設(shè)計，即正確完成前一步后才能進(jìn)入下一步，這就規(guī)避了實際實驗過程中可能出現(xiàn)的各種問題，這當(dāng)然不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。另外由于虛擬實驗的數(shù)據(jù)是設(shè)計實驗時已輸入程序，因此學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)單一，實驗數(shù)據(jù)不能體現(xiàn)學(xué)生的操作能力，同樣也不利于提高學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析能力。

3 對網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)改進(jìn)的思考

結(jié)合我們對傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗教學(xué)的經(jīng)驗和對網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的實踐，我們認(rèn)為目前物理化學(xué)實驗教學(xué)改革的方向應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結(jié)合。具體來說，可以利用時間和空間靈活的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及虛擬實驗室進(jìn)行實驗前的教學(xué)過程，包括實驗講解、預(yù)習(xí)操作、網(wǎng)上問題討論等；經(jīng)過網(wǎng)上預(yù)習(xí)過程后的學(xué)生按教學(xué)時間進(jìn)入實驗室進(jìn)行實際動手操作，數(shù)據(jù)記錄；完成真實實驗操作的學(xué)生再進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺或虛擬實驗平臺進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理，報告撰寫與提交；老師進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺或虛擬實驗平臺進(jìn)行報告批閱與總結(jié)。整個教學(xué)過程既利用了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的時空靈活性及虛擬實驗室的時效性，也結(jié)合了真實實驗操作對學(xué)生動手能力與分析解決問題能力培養(yǎng)的優(yōu)勢。

當(dāng)然如前所述的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、虛擬實驗與真實實驗操作模式的結(jié)合，并不是現(xiàn)有模式的簡單加合，是改進(jìn)后的有效結(jié)合和相互促進(jìn)。一方面，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)并不是傳統(tǒng)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“教”主要集中于老師灌輸式的講解，包括實驗?zāi)康?、原理、實驗步驟，有時為了避免學(xué)生實驗失敗和數(shù)據(jù)處理錯誤，甚至花相當(dāng)一部分時間對實驗注意事項和數(shù)據(jù)處理做非常詳細(xì)的講解與強調(diào)。其實這種灌輸式的講解尤其不適用于實驗教學(xué)，甚至違背了實驗教學(xué)初衷。物理化學(xué)的實驗課程既是其理論課程的補充，即學(xué)生通過實驗操作和數(shù)據(jù)處理可以更深入理解物理化學(xué)的理論知識和相關(guān)概念，也是對學(xué)生動手能力和實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，即學(xué)生通過實驗課程中的親自動手操作來提高實際動手能力，通過分析實驗數(shù)據(jù)來提高實驗分析能力。物理化學(xué)是化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，這些專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大多會從事與化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的工作，這就要求我們要特別重視培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰涂蒲兴仞B(yǎng)，所以必須要摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式。在與網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方式相結(jié)合的過程中，線下的教學(xué)應(yīng)該更傾向于引導(dǎo)式、疑問式，啟發(fā)學(xué)生帶著疑問進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的自主學(xué)習(xí)。為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源豐富的優(yōu)勢，教師針對一個實驗講授的內(nèi)容更不能單一和固定，一個實驗可以有多種實施方法，可以引導(dǎo)學(xué)生靈活學(xué)習(xí)。

另一方面，在與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合的過程中，虛擬實驗也還有很多待解決的問題。目前很多虛擬實驗項目過程簡化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，條件設(shè)置單一，并且虛擬實驗無法達(dá)到真實操作的效果，所以目前虛擬實驗只能作為預(yù)習(xí)操作或真實驗的補充。虛擬實驗在預(yù)習(xí)操作中的優(yōu)勢非常明顯，較傳統(tǒng)的照著書本抄實驗步驟要更為直觀和形象，并且能提高學(xué)生對實驗的興趣。另外，虛擬實驗由于其時效性，因此可以作為真實實驗的補充。例如“乙酸乙酯皂化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)測定”實驗，該實驗要測兩個不同溫度下的速率常數(shù)，然后再求該反應(yīng)的活化能。在實驗室的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)該實驗的耗時長，往往會影響正常教學(xué)安排。如果該實驗設(shè)計為實驗室操作測定其中一個溫度的速率常數(shù)，然后通過虛擬實驗操作測定另一溫度的速率常數(shù)，這樣不僅能達(dá)到真實實驗操作的效果，也能大大提高時效，使學(xué)生在有限的時間內(nèi)接觸更多的內(nèi)容，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。同時，虛擬實驗的操作平臺應(yīng)引入電子實驗報告和數(shù)據(jù)處理軟件，學(xué)生在完成真實實驗操作或真實實驗與虛擬實驗的結(jié)合模式操作后，可以直接在虛擬實驗平臺輸入實驗數(shù)據(jù)，并利用平臺的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成實驗報告后提交。

一直以來，在實驗課程的教學(xué)中，對學(xué)生的考核是一大難題。由于資源有限，實驗設(shè)備無法滿足學(xué)生單人操作，因此難以實現(xiàn)真正的考核。如果實驗教學(xué)中引入了虛擬實驗，那么可以通過設(shè)計多項實驗的考試操作模式，電腦隨機給每位學(xué)生安排考核實驗，考核實驗包括獨立的完整虛擬操作和實驗數(shù)據(jù)處理、分析與結(jié)果討論。由此可見，虛擬實驗的引入也將打破物理化學(xué)實驗考核的瓶頸，大大提高教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，物理化學(xué)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)具有其特有的優(yōu)勢，教學(xué)過程不受空間和時間的限制，而且能有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量，并激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，彌補實驗設(shè)備配置有限及更新滯后的問題。但是由于虛擬實驗無法代替真實的實驗環(huán)境和實驗操作，因此實驗教學(xué)改革的方向是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與真實實驗操作的結(jié)合。只有二者互相補充才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而促進(jìn)實驗教學(xué)的改進(jìn)與提高，更好的培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力與分析解決問題的能力。