教育信息化背景下农业院校化学实践教学模式研究

吴璐璐，谢黎霞，孟 磊，岳 阳，徐翠莲

(河南农业大学 理学院，河南 郑州 450002)

教育部、国家发展改革委、财政部《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》中明确指出要将现代信息技术全面融入教学改革，推动信息化教学、虚拟现实技术等广泛应用[1]。本科教育必须以强化实践教学为着力点，必须以信息技术的应用作为提高教学质量的重要手段[2]。实践教学尤其是实验教学，对于化学课程的学习至关重要，在人才培养中具有核心地位[3]。通过实验操作，一方面有利于学生对理论知识的理解与掌握，另一方面可以培养学生运用书中的理论知识和技能来解决科研、生产实际问题的能力，增强学生的综合能力。在化学实验过程中需经常接触各种有毒有害的化学药品，使得化学实验本身具有一定的危险性，特别是对于一些大型精密仪器，更是受到实验场地、设备、经费等问题的制约，难以让每个学生都能熟练掌握操作技能。为了解决该问题，实施新的实验教学方法势在必行。虚拟仿真实验是教育信息化背景下实验教学得有效而重要得补充，将虚拟仿真实验和实验室教学相结合的教学模式是理论与实践相结合的新型教学模式，是化学实验教学改革得必然趋势。

1 农业院校化学实验教学存在的问题

化学是农业院校的重要基础课之一，全校80%以上的学生需要学习化学课程，而化学又是一门以实验为基础的学科。因此，对于农业院校而言，目前化学实验的教学主要存在以下几个难题：(1)化学的部分实验具有毒性大、污染大、试剂难买(国家管制的原料)或需要苛刻的操作条件(无水无氧、高温、高压等)等问题；(2)化学部分实验需要大型精密仪器，由于受台套数限制及存在错误操作致使仪器出现故障的可能，涉及昂贵精密仪器的本科实验教学一般以演示、验证为主，不太可能让本科生通过真实实验操作完全掌握操作，使得学生对大型仪器的原理和操作缺乏系统深入的认识；(3)化学实验的部分内容如反应机理等微观的内容是真实实验无法呈现的。

2 农业院校化学实验教学改革建设思路

传统的实验教学是教师为学生详细地讲述实验地每一步操作，学生按教师的讲述完成实验，对学生"手脑并用"能力的提升是不利的；现代教学中，学生可以从网络上获得各种需要的信息，利用虚拟仿真软件熟悉和练习实验操作，进一步强化对实验内容的理解，可以很好的促进学生"手脑并用"的能力。因此，虚拟仿真实验项目实施并不是代替传统实验教学方式，而是对传统实验教学方法的有效补充和，可以将一些难以在实验室进行的实验或操作步骤复杂、不容易一次成功的实验，利用信息化技术以虚拟的形式展现，可以丰富实验内容。基于虚拟现实技术，依据实验室实际布局构建3D、高仿真度的、高交互操作的基础化学实验平台。对化学实验过程中耗时长、污染大、成本高、危险性高等实验进"虚实结合"的3D模拟仿真实验和实验室现场操作相结合的教学模式。

3 虚实结合实践平台建设

——以综合实验2-甲基-2-己醇的合成及核磁共振波谱表征实验为例

基于DPSP平台开发的网络虚拟仿真培训系统是一款集基础知识学习、虚拟仿真操作、网络学习于一体的信息化网络仿真培训学习管理平台，使学生时时能学、处处可学，打破传统的以课堂为中心的教学模式。教师可通过平台组织仿真考试和理论考试；学生通过该平台可与老师实时交流、讨论问题、进行测试；教师和学生可方便的实现资源共享，并进行成绩管理，使教学工作网络化、信息化。

3.1 教学内容

本项目将一个经典且重要的格氏试剂的制备与应用作为主要内容，围绕其结构、合成方法、分离提纯及核磁共振结构表征进行实验方案的设计。格氏试剂是一种非常重要的试剂，在有机合成中应用广泛，但由于该试剂不稳定，需要在无水无氧条件下操作，操作性强，实验教学中学生通过一次实验较难完全掌握。另外，核磁共振波谱仪属于昂贵精密仪器，学院目前只有一台，很难让学生直接进行操作，多以演示为主，学生对该仪器的操作缺乏系统深入的认识。因此我们引入2-甲基-2-己醇的合成及核磁共振波谱表征3D虚拟仿真软件，真正做到“虚实结合”，有利于学生综合素质的提升。该虚拟实验平台主要包括以下三部分内容：

(1)在线预习。该部分提供了本项目的实验目的、实验原理、实验方法以及注意事项等内容，让学生对该实验项目有初步的了解，达到让学生在最短的时间内掌握该实验项目的教学目的。

(2)演示模式。在演示模式下学生可以通过3D实验场景模拟该项目每一步的操作，学生只需要点击步骤进行每一步实验，可以帮助学生更直接更鲜明的熟悉实验目的、实验原理、实验操作过程中的注意事项以及所有相关仪器的使用方法和仪器结构。

(3)操作模式。在前两部分的基础上，学生已经对该实验项目有一定的认识，学生在操作模式下，需要自己独立完成该实验项目。

通过仿真平台认知格氏试剂的合成方法、核磁共振波谱仪的使用原理及操作方法等，对该实验有所了解。基于虚拟仿真平台，学生可通过学习独立完成操作过程；在3D虚拟仿真操作系统中，学生可以将自身置于各种突发状况中，有针对性地进行操作训练，提高解决突发事故的能力。3D虚拟仿真实验远比实际实验操作方便、安全、经济，学生可以大胆地尝试各种实验方案，还可以反复进行练习，提高操作能力，确保实验室操作的安全、顺利。

3.2 教学模式

课前准备是实验操作开始之前的重要环节，学生在机房通过电脑可以进入我们虚拟仿真实验项目，了解实验原理、主要的仪器、试剂及实验操作步骤等，了解操作要点和注意事项，熟悉大型仪器原理及操作要点，以提高实际操作的效果；学生预习后，完成预习报告，完成相关问题后可进入演示模式和操作模式。教学过程中采取提问、讨论、完成操作练习等方式，让学生进入3D仿真实验更真实更系统更直观的演练，加深对基本原理、理论、操作步骤的理解和掌握。完成虚拟仿真操作的同学可安排进入实验室进行现场实际操作，真正做到"以虚促实"的多样化教学方式，提高实验教学质量。

3.3 评价体系

建立客观公正的评价方式，通过课前准备、虚拟操作、实验室操作等形式培养学生的综合素质。为完成教学目标，检验教学成果以及学生的学习情况，平台给出了考核系统，系统中添加了题库。考核系统具有完善的统计功能，教师可通过后台管理看到学生容易出错的问题，可以针对性地指导学生。本仿真实验项目还配套虚拟操作评价系统，根据虚拟操作规范进行客观打分，学生在操作完成后，系统自动给出客观公正的分数。

3.4 实施效果

在农业院校化学课程教学中引入虚拟仿真项目，采用虚实结合的教学模式，大大提升了学生的学习兴趣，培养学生的综合能力，受到学生和老师的广泛好评。

(1)采用虚拟仿真教学后，学生可以充分练习，熟悉实验操作、掌握合成路线，可以有效避免现场实验操作的失败；帮助学生真正掌握合成制备、分析测试等相关知识点，最大程度地提高了学生的实验综合技能。大型结构分析仪器的虚拟化操作，不仅让学生掌握了具体的分析方法，更重要的是启发了系统、全面认识问题、解决问题的思维，为培养具有综合创新能力的高素质人才打下基础。

(2)对于教师来说，利用信息化手段教学，可以使先进的信息化技术、实验教学改革成果有效融入实验教学内容，使教学内容更加丰富、全面。通过虚拟实验的考核方式，了解学生操作的弱点，有的放矢地进行课堂教学改革，从而产生显著的教学改革成果。

4 结束语

将信息化教学技术与传统实验教学相结合，探索出新的教学模式，完成传统教学中难以实现的教学目标。在涉及场地不足、毒性大、成本高、大型仪器操作等情况下，提供不受时间和空间限制的经济、安全的实践项目。通过新的教学模式可以使理论学习和实际操作之间完美的结合起来，既可以加深理论知识的理解，又可以丰富实际操作经验，提升学生综合素质。