尹志華 ,張 媛

（1.甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院食品與環(huán)境工程系，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學基礎(chǔ)實驗教學中心，甘肅 蘭州 730070）

21 世紀是信息化的時代，計算機及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已深入應(yīng)用于各行各業(yè)。近些年來，計算機及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已被廣泛應(yīng)用于高等教育中，例如多媒體課件、微課、慕課、虛擬技術(shù)等[1-2]，但在基礎(chǔ)化學實驗中，該技術(shù)應(yīng)用程度較低，大部分應(yīng)用集中在多媒體課件講授環(huán)節(jié)，學生參與程度低，無法真切感受到計算機技術(shù)在化學實驗中的應(yīng)用以及信息技術(shù)帶給化學實驗的變革。本研究列舉若干個計算機技術(shù)在基礎(chǔ)化學實驗中的應(yīng)用，供實驗課老師開拓思路，能夠切實將計算機技術(shù)引入基礎(chǔ)化學實驗課堂教學中，讓學生真切感受到計算機技術(shù)在化學實驗中的應(yīng)用，提高學生的學習興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)更符合現(xiàn)代化技術(shù)的復合型化學人才。

1 在實驗數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用

1.1 掌握Origin、MathType、ChemOffice 等化學繪圖及數(shù)據(jù)處理軟件

基礎(chǔ)化學實驗中許多實驗項目得到的實驗數(shù)據(jù)需要經(jīng)過冗長的計算，甚至作圖才能得到最終的結(jié)果，學生不僅要熟練掌握計算、繪圖方法，還要學會利用計算機技術(shù)快速得到實驗結(jié)果，并作出符合要求的圖表。學會常用的一些數(shù)據(jù)處理軟件及化學專業(yè)軟件，例如ChemDraw、MathType、Origin 等，是當代每位同學學習化學實驗技能必不可少的一項基本技能[3]。

Origin 是由OriginLab 公司開發(fā)的一個科學繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，在各類化學實驗中常用來處理統(tǒng)計數(shù)據(jù)、信號分析、曲線擬合等，并輸出符合學術(shù)規(guī)范的各類圖表，是化學科技人員進行化學實驗數(shù)據(jù)處理及繪圖必須掌握的一個軟件。

MathType 是一款專業(yè)的數(shù)學公式編輯工具，可以用它來編輯及在文檔中插入復雜的數(shù)學公式和符號，也可以用來編輯化學反應(yīng)方程式，該軟件是編輯化學實驗報告電子文檔必備的軟件之一。

ChemDraw 是一款專業(yè)的化學繪圖軟件，使用者可以用它來繪制各類復雜化合物的結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)方程式、化工流程圖及簡單的實驗裝置圖等，同時還可以用來預測化合物的屬性、光譜數(shù)據(jù)等，該軟件能極大幫助化學學科相關(guān)工作及科研人員進行電子數(shù)據(jù)的整理工作。

除以上提到的三款軟件外，其他軟件如SPSS、Matlab、PhotoShop、CorelDraw 等也經(jīng)常被用于化學報告冊的數(shù)據(jù)及圖表處理，近些年來，隨著化學學科與其他學科的不斷融合，涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件，例如GraphPad Prism，Sigmaplot，Adobe Illustrator，Hyperchem 等。

1.2 編寫特定實驗項目的計算軟件

對于一些常規(guī)實驗，可通過編寫特定的計算軟件，迅速得到實驗結(jié)果。

圖1 是作者設(shè)計的一個鹽酸溶液標定的計算軟件，代課教師只需將滴定體積輸入該程序，可立即生成實驗結(jié)果，能迅速判斷學生實驗結(jié)果是否正確。圖2 是強酸與強堿反應(yīng)的摩爾焓變測定實驗的計算軟件，將實驗數(shù)據(jù)輸入該軟件后，可立即顯示外推作圖的結(jié)果以及最終的計算結(jié)果，代課教師可及時判斷學生數(shù)據(jù)是否合理，有效輔助課堂實驗教學。

圖1 鹽酸溶液的標定軟件

另外，這些數(shù)據(jù)處理軟件簡單易編寫，可讓學有余力的同學自行設(shè)計編程，提高學生的學習興趣，同時掌握編程技術(shù)，對化學實驗的原理及數(shù)據(jù)，處理方法能夠進一步理解，一舉多得。

2 在虛擬儀器及虛擬實驗方面的應(yīng)用

虛擬儀器及虛擬實驗室目前也已在部分高校建成使用，例如北京大學的考古虛擬仿真實驗教學中心、南昌大學的醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心、廣西大學的化學化工虛擬仿真實驗教學中心等。虛擬實驗指的是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的模擬現(xiàn)實化學實驗場景的實驗，它集合了多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化功能[4]，與傳統(tǒng)化學實驗相比，虛擬化學實驗具有顯著的特點。

2.1 不受時間空間的限制

傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學實驗是在規(guī)定時間、特定實驗室內(nèi)完成實驗項目的操作學習，而虛擬實驗室在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及云計算平臺的支撐下，可同時容納不限數(shù)量的學生同時進行實驗學習。另外，實驗時間也不限制，基礎(chǔ)較弱的學生可以反復實驗，加深對實驗操作的感性認識和熟練程度。

2.2 不受儀器種類、數(shù)量限制

在傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學實驗教學中，由于受經(jīng)費、場地等限制，一般只開設(shè)關(guān)于酸度計、分光光度計等儀器的相關(guān)實驗，對于一些常用的大型儀器設(shè)備如液相色譜、氣相色譜、原子吸收儀、熱重分析儀等，由于這些設(shè)備價格昂貴、操作要求高、易損壞，一般不對基礎(chǔ)化學實驗的學生開放學習，但這些儀器卻是在化學測試中最常用的，利用虛擬儀器技術(shù)完全可以解決上述問題。只要開發(fā)出對應(yīng)的虛擬儀器設(shè)備，每位學生即可在計算機上大膽地進行各種操作設(shè)置，不斷優(yōu)化實驗條件，不用擔心因操作失誤而導致儀器故障，直到熟練掌握該儀器的測量原理及操作方法。需要注意的是，虛擬儀器畢竟不同于實體儀器，最好是在虛擬儀器上熟練掌握操作流程后，再與實體儀器進行比對，這樣就更能使學生加深印象，徹底掌握該儀器的使用方法。

2.3 實驗安全性增大，零損耗、零污染、綠色環(huán)保

實驗室安全是目前所有高校都十分重視的一個內(nèi)容，在基礎(chǔ)化學實驗教學中，對于一些容易發(fā)生危險、需要使用大量?；坊蛘邥a(chǎn)生大量有害廢棄物的實驗項目，可以用虛擬實驗的方式來代替，例如，溴苯的制備實驗中所使用的原料苯和液溴等對人體的造血系統(tǒng)都有很大程度的傷害，同時液溴也有很強的腐蝕性[5]；在制備4-硝基鄰二甲苯的合成實驗中，濃硝酸作為該反應(yīng)的氧化劑，在反應(yīng)過程中會放出大量對人體有害的二氧化氮氣體[6]；在銨鹽中氮含量測定實驗中，會使用大量可使人體致癌的甲醛溶液[7]。像這類實驗均可以虛擬實驗的形式供學生學習，在保證學生掌握實驗原理及操作方法的基礎(chǔ)上，能極大避免基礎(chǔ)化學實驗教學中的安全事故，同時也能減少?；肥褂昧考拔ｋU廢棄物的產(chǎn)生量，對環(huán)境及實驗人員身體都有益處。

2.4 以學生為中心，激發(fā)學生的學習興趣

傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學實驗教學中，學生實驗操作主要是以實驗老師的講授以及課本內(nèi)容為主，按部就班教學不利于學生創(chuàng)造性地發(fā)揮。虛擬實驗主要采用自主學習的方式進行，充分發(fā)揮學生自身的主觀性、能動性，在設(shè)置一些經(jīng)典實驗的基礎(chǔ)上，還可以將最前沿、最先進的實驗方法或?qū)嶒灱夹g(shù)也添加在選修虛擬實驗當中，讓學生自己摸索實驗、設(shè)計實驗、思考實驗，帶著問題進行實驗，有利于創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。另外，虛擬實驗技術(shù)可以結(jié)合多媒體技術(shù)，形象展示實驗反應(yīng)過程中微觀的電子、原子、分子是如何相互作用從而產(chǎn)生一些宏觀現(xiàn)象，讓學生更能直觀地感受到化學微觀反應(yīng)，加深對化學反應(yīng)的理解，激發(fā)學生對化學實驗學習的興趣。

但虛擬儀器及虛擬實驗?zāi)壳耙泊嬖谠S多弊端，首先，虛擬實驗基本都是在計算機上進行的操作，對學生動手能力的培養(yǎng)還遠遠達不到要求；其次，由于虛擬實驗是已編設(shè)好的程序，不會像真實實驗一樣出現(xiàn)許多不確定因素，因此學生的實驗數(shù)據(jù)單一，不利于提高學生對實驗數(shù)據(jù)的分析能力；最后，由于虛擬儀器及虛擬實驗開發(fā)人員的專業(yè)水平不同，市場上已開發(fā)的虛擬儀器及虛擬實驗質(zhì)量也良莠不齊，需要仔細甄別。

虛擬儀器及虛擬實驗技術(shù)可以作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學實驗教學的補充工具，但并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗教學，相信隨著虛擬化學實驗技術(shù)發(fā)展和完善，在虛—實交互的基礎(chǔ)化學實驗教學模式下，會培養(yǎng)出更多符合未來社會需求的化學人才。

3 在網(wǎng)絡(luò)化管理方面的應(yīng)用

基礎(chǔ)化學實驗課程是面向本科一年級新生開設(shè)的技能訓練類基礎(chǔ)課程，采用大班輪流授課方式，學生人數(shù)眾多，實驗水平參差不齊，涉及全校各不同專業(yè)，管理難度大；另外，該門實驗課程沒有系統(tǒng)完整的考核方式，存在學生不重視、被動聽課的現(xiàn)象。要改變基礎(chǔ)化學實驗課程目前的這種狀況，有效途徑之一是建立適合本?；A(chǔ)化學實驗課程的網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺，如圖3 所示，該平臺的建立可以通過網(wǎng)站、微信公眾號、手機端App 等方式實現(xiàn)。在該平臺上，建立環(huán)環(huán)相扣的“課前導學—設(shè)計實驗內(nèi)容—隨堂測試—課中實時評價—課后電子報告”的實驗流程，建立完善的考核制度，引起學生的重視，通過增加開放實驗、趣味實驗等措施，激發(fā)學生對化學實驗的興趣，由被動聽課變?yōu)橹鲃犹剿?，使基礎(chǔ)化學實驗這門課程真正起到訓練學生基本技能的教學目標。

圖3 基礎(chǔ)化學實驗課程信息化管理平臺示意圖

3.1 課前預習

每位同學的基礎(chǔ)不同，對新事物的接受能力不同，而課程時間集中，因此，實驗課程開始之前的預習環(huán)節(jié)是十分必要的。在基礎(chǔ)化學實驗課程信息管理平臺上，將每節(jié)實驗項目的原理、實驗方法、數(shù)據(jù)處理等整理成圖文、動畫或短視頻形式，供學生觀看預習。此外，還可以拓展實驗的應(yīng)用范圍，增強實驗與實際生活的聯(lián)系，能夠使學生學以致用，增強學生的學習興趣。

3.2 設(shè)計實驗內(nèi)容

該環(huán)節(jié)主要針對綜合性、設(shè)計性實驗，例如在混合堿測定實驗中，通過課前導學，使學生了解雙指示劑法測定的原理，然后讓學生自行設(shè)計實驗方案并填寫在該部分，在正式上課時，通過老師的進一步講解得到答案或帶著存在的問題到實驗中進行探究，更深入理解雙指示劑法測量的實驗操作方法。通過這個環(huán)節(jié)，可以使學生養(yǎng)成獨立深入思考的習慣，在以后科研實驗設(shè)計時會考慮更加完善，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。對于一些基礎(chǔ)型實驗，可以在這部分提出關(guān)于實驗中的一些細節(jié)問題，讓學生帶著問題去做實驗，變被動聽課為主動探索。

3.3 知識點測試

在實驗課程管理平臺上增加該環(huán)節(jié)，主要是為了檢測學生對該實驗項目的掌握程度，增強學生對實驗的理解和印象，該部分成績可按百分比計入最終的考核成績中。

3.4 課中實時評價

在實驗過程中，實驗代課教師可以以語音的形式，對每位同學的操作以及對實驗理解掌握程度作評價，并上傳至實驗信息管理平臺，每位同學課后即可收到老師的點評。這個環(huán)節(jié)可以使學生清楚明白自己實驗的不足之處，促進師生交流，激發(fā)學生對學習基礎(chǔ)化學實驗課程的興趣。

3.5 課后電子報告

學生最終的實驗報告以Word 文檔的形式提交到實驗信息管理平臺，這樣可以規(guī)范學生的報告格式，便于代課教師批閱與保存，教師批閱后，實驗報告可及時反饋到學生端，學生能及時了解到自己實驗報告情況。另外這種報告形式還可以訓練學生對Word 文檔、計算軟件、繪圖軟件、數(shù)據(jù)處理軟件的熟悉程度，為今后的學習打下堅實的基礎(chǔ)。

3.6 實驗考核

在實驗信息化平臺中可以加入基礎(chǔ)化學實驗考試題庫，每學期末，參加該門課程學習的學生可在計算機上隨機抽取部分題目進行作答，該部分成績與電子報告成績、隨堂測試成績、教師評價成績按一定百分比組成學生最終實驗成績。信息化管理平臺的建立，有利于學生每次成績的記錄與保存，使實驗成績更加公平公正。

3.7 增設(shè)開放實驗

在基礎(chǔ)化學實驗信息管理平臺上還可以增設(shè)一些前沿性、趣味性的開放實驗，在不影響正常教學的條件下，供有興趣的同學參與，激發(fā)學生內(nèi)在學習動力，提高學習興趣。

網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)化學實驗教學管理平臺的建立可以規(guī)范實驗管理，提升實驗教學效果，促進師生交流，是基礎(chǔ)化學實驗改革的有效方式之一。

計算機技術(shù)在基礎(chǔ)化學實驗教學中的應(yīng)用并不止于此，還有許多，例如數(shù)據(jù)采集、計算模擬等應(yīng)用在文中并沒有提到。我們應(yīng)當充分利用現(xiàn)有技術(shù)積極建立基礎(chǔ)化學實驗的網(wǎng)絡(luò)教學平臺，結(jié)合各種計算機技術(shù)，深入改革基礎(chǔ)化學實驗教學，以減少實驗對環(huán)境的污染，降低化學實驗對人體的傷害，減少有毒有害試劑的使用。將計算機技術(shù)與實驗教學相結(jié)合可以有效提升實驗教學效果，規(guī)范實驗管理，不僅能使學生熟練掌握化學基本操作技能，同時還能激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，有利于學生全面發(fā)展。