摘 要：環(huán)境化學(xué)實驗是高等學(xué)校環(huán)境類專業(yè)的基礎(chǔ)實踐課程之一。為有效提高環(huán)境化學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，筆者對當(dāng)前環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)模式中存在的問題進行了分析。通過引入虛擬仿真軟件，構(gòu)建線上、線下混合式教學(xué)模式，對教學(xué)方法、課下活動組織和課程考核體系等三個方面進行改革，并結(jié)合黃山學(xué)院環(huán)境科學(xué)專業(yè)的實際教學(xué)進行實踐。結(jié)果表明該教學(xué)模式有助于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高。

關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)實驗；虛擬仿真軟件；教學(xué)模式；教學(xué)方法；課程考核

Exploration and Practice of Environmental Chemistry Experiment Course Teaching Based on Virtual Simulation Software

Luo Yi1*， Chen Ran1， Yu Sibei1， Ma Minghai1， Qian Liping1， Feng Shuai2

（College of Life and Environmental Sciences， Huangshan University， Huangshan 245041， China）

Abstract： Environmental chemistry experiment is one of the important foundational and major courses for environmental majors. In order to effectively improve the teaching quality of environmental chemistry experiment， this paper analyzed the existing problems in the current teaching mode. Through the introduction of virtual simulation software to build an online and offline hybrid teaching mode， we reformed the teaching method， organization of after-school activities and curriculum assessment system， and put it into practice， when teaching environmental science major students in Huangshan University. The results show that this teaching model is helpful to improve students' learning enthusiasm.

Keywords： environmental chemistry experiment; virtual and simulation software; teaching mode; teaching method; course assessment

“環(huán)境化學(xué)”屬于化學(xué)與環(huán)境科學(xué)的交叉學(xué)科，是運用化學(xué)的基本原理，從微觀的原子、分子水平闡述污染物質(zhì)在環(huán)境中的存在形式、化學(xué)性質(zhì)、行為特性、環(huán)境效應(yīng)及其控制方法，是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程?！碍h(huán)境化學(xué)實驗”是與環(huán)境化學(xué)理論課程相配套的實驗課程。該課程既有化學(xué)實驗的復(fù)雜性，又有環(huán)境分析的實際意義，通過理論與實踐結(jié)合有助于加深學(xué)生對環(huán)境化學(xué)理論知識的理解，同時掌握環(huán)境化學(xué)的基本實驗方法和技能[1]。因此如何提高環(huán)境化學(xué)實驗課的教學(xué)質(zhì)量，加強學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生更好地掌握各項環(huán)境化學(xué)中的實驗技能，是“新工科”背景下環(huán)境科學(xué)與工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)之一[2， 3]。

一、環(huán)境化學(xué)實驗課的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)方式單一，學(xué)生積極性不高

目前環(huán)境化學(xué)的教學(xué)方式仍然是授課老師先把實驗?zāi)康摹⒃?、操作步驟、數(shù)據(jù)處理方法和實驗注意事項等詳細(xì)講解一遍，這種被動填鴨式講解完成后，學(xué)生開始按照實驗步驟機械的完成實驗，然后急忙離開實驗室。由于實驗原理、儀器使用和實驗操作規(guī)程的抽象性、復(fù)雜性和繁瑣性，學(xué)生往往難以短時間內(nèi)理解，長此以往，學(xué)生對實驗課程的熱情不高，不愿去思考原理和步驟，只愿意在課堂上按部就班的完成實驗即可，最終導(dǎo)致主動思考和獨立思考的積極性不足[4，5]。

（二）實驗設(shè)備配備不足，學(xué)生參與感少

由于實驗條件有限，本科生教學(xué)實驗室僅有一些簡單的儀器設(shè)備，例如pH、電子天平、紫外/可見分光光度計、水浴鍋、消煮爐等簡單的儀器。而環(huán)境化學(xué)課程實驗往往涉及一些大型儀器設(shè)備，例如鄰苯二甲酸酯的微生物降解實驗需使用液相色譜儀、土壤對銅的吸附實驗需使用大型離心機和原子吸收儀。基于儀器設(shè)備管理規(guī)定，使用這些設(shè)備需要聯(lián)系學(xué)院測試中心，預(yù)約到上機時間才能使用，且這類設(shè)備的開放程度不高，對大部分學(xué)生來說接觸這類設(shè)備的機會較少。此外，即便是常規(guī)儀器的數(shù)量也是有限的，只能通過5人左右小組的形式完成實驗過程，這就造成很多學(xué)生沒有機會親手使用儀器，更不會調(diào)試、校正所使用的儀器，學(xué)生的實驗操作技能得不到有效的提高。

（三）考核方式單一，難以反映學(xué)生能力

實驗課的成績通常由兩部分組成，平時成績和實驗報告成績。在評定過程中多數(shù)教師對實驗報告部分比較看重，這是因為平時成績中的實驗操作能力難以在實際課堂中去一一判斷，而通過實驗報告的數(shù)據(jù)記錄、整理及分析較為直觀和方便。這種成績評價體系存在很大的弊端，體現(xiàn)在（1）忽視了學(xué)生實驗過程考察，導(dǎo)致那些遵守操作規(guī)范，認(rèn)真完成實驗的學(xué)生得不到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。（2）正因為對實驗過程的考察不夠，導(dǎo)致有些學(xué)生直接共享其他同學(xué)的實驗結(jié)果，甚至抄襲網(wǎng)上實驗報告，造成成績可信度不高。

（四）較多的誤操作帶來的實驗安全、試劑浪費和污染問題

在環(huán)境化學(xué)實驗中往往涉及到加強酸、強堿、高壓消解和高速離心等危險步驟，如果操作不當(dāng)會帶來嚴(yán)重的后果。由于實驗要在短時間內(nèi)完成，學(xué)生人數(shù)又較多，在這樣的環(huán)境下學(xué)生很容易誤操作，出現(xiàn)設(shè)備損壞和人身安全問題。此外，一些實驗使用到重金屬和有毒的有機試劑，在實驗發(fā)生錯誤的情況下會增加這些藥品和試劑的使用量，進而帶來試劑浪費、人體健康和環(huán)境污染問題[6]。

二、基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實驗課程混合式教學(xué)方式探索

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在線課程學(xué)習(xí)成為當(dāng)下教育改革的趨勢。目前，國內(nèi)的中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、愛課程、智慧樹等在線課程學(xué)習(xí)平臺作為大學(xué)課堂教育的有效補充和輔助教學(xué)方式已經(jīng)產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果和社會影響[7，8]。因此針對上述環(huán)境化學(xué)實驗中存在的問題和互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)的蓬勃發(fā)展現(xiàn)狀，我們嘗試引入虛擬仿真軟件開展線上模擬+線下實踐的混合式教學(xué)策略，實現(xiàn)加強實驗過程管理，減少實驗誤操作和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目標(biāo)，最終獲得一套有效提高環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)模式。

（一）虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用特點

虛擬仿真軟件是一種基于虛擬仿真技術(shù)利用計算機進行模擬操作的現(xiàn)實軟件。利用虛擬仿真軟件進行教學(xué)，可以彌補當(dāng)前實驗教學(xué)中的許多不足。首先虛擬仿真軟件的實驗演示功能，可將抽象的實驗步驟，情景化、具象化地向?qū)W生展示，有助于學(xué)生的理解和記憶。其次虛擬仿真實驗在練習(xí)過程中可避免由于實驗不慎造成的危險。比如在高壓消解過程中，溫度和壓力在沒有達到開蓋條件時，學(xué)生取樣品時會提示操作錯誤，并播放危險警示內(nèi)容，這種場景則會讓學(xué)生記憶深刻，有助于消除現(xiàn)實操作中的不規(guī)范行為帶來的安全隱患。再次，虛擬仿真軟件最大的優(yōu)勢就是不受時間和空間的束縛，學(xué)生可以在任何地點和空閑時間使用軟件做實驗聯(lián)系。同時由于軟件模擬實驗比現(xiàn)實實驗節(jié)省大量的時間，學(xué)生在較短的時間內(nèi)可以反復(fù)聯(lián)系直到取得滿意的結(jié)果。這種學(xué)習(xí)成本的降低，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。目前，以“Oberyun”、NOBOOK”和“GaussView”為代表的虛擬仿真軟件在物理、化學(xué)、食品、環(huán)境、醫(yī)藥領(lǐng)域的教學(xué)和實踐培訓(xùn)方面的應(yīng)用越來越廣泛[9-11]。

（二）利用虛擬仿真軟件提高學(xué)生預(yù)習(xí)質(zhì)量

在實驗開始前，要重視實驗內(nèi)容的“開放”和指導(dǎo)的“開放”，例如提前把實驗內(nèi)容告知學(xué)生（以水中總磷測定為例），讓其利用虛擬仿真軟件“Oberyun”（北京歐貝爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司，北京）進行預(yù)習(xí)。如圖1所示，軟件中包含實驗原理、目的、操作步驟、實驗試劑、細(xì)節(jié)準(zhǔn)則等知識點和環(huán)節(jié)。在完成實驗知識點的學(xué)習(xí)后，可進入視頻演示環(huán)節(jié)，學(xué)生可以通過觀看flash視頻了解實驗步驟（圖2）。在完成以上學(xué)習(xí)部分后，學(xué)生按照實驗操作指引進行以第一人稱視角的情景化虛擬操作（圖3），直至獲得實驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)提交。在完成以上全部預(yù)習(xí)后，學(xué)生可以查看自己每一步的得分，從而知道自己的不足之處，同時還可以繼續(xù)練習(xí)，直到獲得滿意的得分，達到對即將進行的真實實驗有較強認(rèn)知和提高操作能力的效果。教師可以從后臺導(dǎo)出學(xué)生的數(shù)據(jù)，掌握全班學(xué)生的預(yù)習(xí)情況例如學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)等（表1）和實驗失誤狀況。例如，表1中賬號為Hsxystu99的學(xué)生在進行水質(zhì)總磷模擬操作時得分為80，進入該學(xué)生的操作得分界面（圖4）可了解到其在用分光光度計測定樣品時出現(xiàn)錯誤，因此在線下教學(xué)過程中應(yīng)對其輔以分光光度計使用上的指導(dǎo)。

（三）加強線下管理提高實驗過程效率

在線下實驗課過程中要提高學(xué)生的動手能力和協(xié)作意識，同時考慮實驗室場地大小和儀器數(shù)量等實際情況，應(yīng)采取20人左右的小班上課。再對每個小班進行實驗室分組，2～3人一組為宜，結(jié)合虛擬仿真軟件的得分為參考，將成績優(yōu)秀、中等和較差的同學(xué)交叉均分到每組中。小組內(nèi)的成員自行分工，共同完成實驗。實驗結(jié)束后，一起整理好實驗用品，清洗玻璃器皿和實驗臺面并做好實驗記錄后，經(jīng)老師檢查合格后才能離開實驗室。

（四）改革考核方式

考核方式不能僅僅依據(jù)考勤情況和評閱實驗報告給出實驗成績，更不能局限于最后的實驗結(jié)果，而應(yīng)涵蓋利用虛擬仿真軟件進行實驗預(yù)習(xí)操作和實際操作、數(shù)據(jù)處理和實驗報告書寫、實驗現(xiàn)象和實驗成敗的原因分析以及實驗臺面的整理情況等。

三、基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實驗課程混合式教學(xué)方式對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的影響

為了評價基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實驗課程混合式教學(xué)方式的實際效果，筆者初步圍繞學(xué)習(xí)興趣這一指標(biāo)設(shè)計了調(diào)查問卷，對問卷中的問題進行量化打分，具體方法如下：非常同意得2分、同意得1分，不太同意得0分，不同意得-1分。

在2022年9月初，對本校環(huán)境科學(xué)專業(yè)兩個組的學(xué)生進行了課程開始前的問卷調(diào)查，并且在2022年11月初，在課程后期也進行了調(diào)查問卷。其中實驗組采用上述的基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實驗課程混合式教學(xué)方式進行教學(xué)，具體情況如表2所示。對照組采用常規(guī)線下教學(xué)方式進行教學(xué)。

利用Spss軟件獨立樣本T檢驗對問卷數(shù)據(jù)進一步分析（表4）可知，在課程開始前實驗組和對照組學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在假定等方差相等的前提下，不存在顯著差異（sig.=0.693gt;0.05）。課程后期階段，實驗組和對照組學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得分，出現(xiàn)了顯著差異（sig.=0.03＜0.05），即實驗組同學(xué)學(xué)習(xí)興趣得分顯著高于對照組同學(xué)。由此可以看出基于虛擬仿真軟件的環(huán)境化學(xué)實驗課程混合式教學(xué)方式對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有積極作用。

四、結(jié)語

日益興起的互聯(lián)網(wǎng)教育教學(xué)平臺為教學(xué)改革提供了新的技術(shù)手段。在環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)改革探索中，與時俱進，多方位地拓寬環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)平臺，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，充分調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的課程興趣，有利于高層次環(huán)境科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

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作者簡介：羅毅（1984-），男，安徽合肥人，博士，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)固廢資源利用和土壤環(huán)境修復(fù)。

基金項目：黃山學(xué)院質(zhì)量工程項目（2020JXYJ32）；安徽省教育廳質(zhì)量工程項目（2020xsxxkc417）；安徽省高水平教學(xué)團隊項目（2018jxtd149）。