手机端化学实验仿真教学软件的实践及探索*

何 燕，曾慧婷，曾星星

(1 湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005；2 长沙医学院，湖南 长沙 410219)

近年来，化学及其分支学科在生命科学，材料科学、环境科学等领域应用广泛，因此许多高校为拓宽学生的专业领域已将其列为相关专业的公共必修课。但由于化学是以实验为重点的学科，想要有效地利用化学分析法来获得所需信息，就必须经过严格的实验训练，特别是非化学类专业学生，而高超熟练的实验技能是获得精确实验数据的必要和先决条件。

针对于传统化学实验教学模式，近年来教育及科研工作者已提倡线上线下相结合的混合式实验教学模式[1-3]。目前国内外开发的网络虚拟化学仿真实验平台[4-6]已逐步走入本科及以化学类专业为主的职业院校，成为学生主要的学习工具，但对于经费投入及实验室规模有限的非化学类专业高校来说，PC端进行仿真化学实验教学却难以实现，如设备资源投入量大、学习地点受限、实验课时量少、操作界面难度大等因素。因此开发手机端仿真教学平台具有重要现实意义，特别是为部分偏远地区电脑和实验耗材缺乏的学生创造了时时可学、处处可学的机会。本文根据高校非化学类专业化学实验课程的特点，以手机端化学仿真软件为例进行了实验教学实践及探索，期望通过实践为手机端仿真教学平台在各高校的化学实验远程线上教育建设上发挥作用。

1 化学实验教学存在的问题

在实验室建设与管理方面，当前高校实验室特别是以非化学类专业为重点的实验室，其实验安全环境、建设条件、环保教学体系远远不如本科以化学类专业为主的职业院校健全，部分实验管理人员甚至并非来自化学类专业，加上学生的化学知识及安全责任意识欠缺、自我防护和环保意识匮乏等问题，导致火灾、爆炸等事故时有发生。

在课程教学实施方面，高校学生大多数缺乏学习的热情，理论课上难免觉得枯燥、乏味从而失去兴趣，因此现场理论课堂教学效果不理想，实验教学质量则更加难以保证。而在传统化学实验教学中，通常由教师或实验员事先准备好实验中所需要的药品及试剂，调试好仪器，课堂上教师向学生讲解实验内容、演示实验过程，随后学生进行实验。在此过程中我们不免发现，由于学生理论根基不稳，预习不彻底，对将要做的实验不熟悉，进入实验室后仅依靠实验讲义进行实验，有些学生甚至不能明确各个实验试剂的具体用途。此外，为响应国家政策，目前各高职院校面向全社会扩招，实验教学师生基本比例在1:20以上，因此教师在课堂上很难照顾到每一名学生，加上课堂时间和空间的局限性，学生并未及时记住并理解教师的讲解或操作演示，难以掌握基本的操作规范。部分学生在实验报告中照抄讲义，甚至抄袭他人实验数据，忽略了实验的严谨性和真实性。

2 手机端仿真软件的化学实验教学实践

为解决上述问题，以非化学类专业化学实验教学为例，引入北京欧贝尔公司今年研发的手机app版仿真软件对化学实验课程教学模式进行了实践和探索。

2.1 手机app版实验室安全知识仿真教学

根据最新教高厅文件精神[7]，无论是教学实验室还是科研实验室都应该加强实验人员的安全意识和承担安全责任、预防安全事故的基础性工作，因此学生在开展实验之前都必须进行实验室安全知识培训，提高他们的安全和防护意识。

手机app版实验室安全知识仿真教学包括个人防护安全、化学实验室安全及应急演练(图1)，主要培训内容为进入实验区域以后的个人防护措施及行为准则、对自身所处环境的确认、实验室安全隐患的排查、实验中突发火灾状况的应对，如佩戴好防护装备；学习实验室安全管理制度；确认洗眼器、水电开关、安全出口等位置；处理停水停电、火灾、水银泄露、化学品洒出等常见事故。

图1 实验室安全知识仿真教学界面

手机app版仿真软件依据实验室实际布局搭建3D模型，将实验场景移植到手机上，展示了实验室的真实情况。在具体的操作流程中系统可模拟实际操作中的每个步骤，并加以文字或语言说明，按实际实验过程完成交互，以极具亲和性的游戏闯关模式进行仿真教学。学生可利用碎片时间通过软件上的操作进行学习，进一步熟悉安全基础知识、了解实验室实际实验环境、增强安全防范意识、提高异常事故处理水平，在仿真实验舞台上自主发挥的同时不仅调动了自身思考和动手能力，也增强了学习的趣味性。

2.2 手机app版化学实验仿真教学

乙酸正丁酯的制备及沸点的测定是经典的综合性化学实验，重点除讲解有机酸酯的制备原理及方法，还要求学生掌握蒸馏、回流、洗涤、萃取、干燥等操作技能。按照常见教材上乙酸正丁酯制备方法开展实验，存在耗时长、产率低、资源浪费、安全系数低等不足，学生在实验过程中积极性不高、安全和环保意识薄弱，使得最终的教学效果不如预期效果理想。

手机app版化学实验教学涵盖了实验预习与操作演练两部分内容，其中实验预习包括了仪器试剂的认知及选择、反应装置的搭建、实验原理的展示和涉及的防护措施及消防知识(图2)。在制备乙酸正丁酯仿真教学中，将涉及到的理论和安全知识落实到具体操作中，如分水器、冷凝管和分液漏斗的使用；蒸馏与分馏装置的搭建；回流与分液的操作；硫酸的配制与冰醋酸等实验药品的介绍。通过题库练习与3D动画相结合的方式将单一化延伸为多元化，层层递进引导学生去思考如何做实验、为何做实验，发挥学生的主体作用，培养他们的化学思维和素养。

图2 实验仿真教学界面

2.3 手机app版有机化学课程在线考核

目前随着信息化教学技术的推进及优化，各校的线上课程考试已成为趋势。而常规的化学实验评分依据主要取决于学生实验后提交的实验报告，这往往很难客观地评价他们的实验操作能力，最终驱使学生“轻过程，重结果”。因此需要改良常规的实验考核方式。

手机app版化学课程考核包含了实验安全知识考核、化学理论知识考核以及虚拟仿真实验考核。安全及理论知识考核支持多题型、不同难易度、题目及候选项顺序随机，通过题库学习、模拟自测、错题练习等环节巩固了学生的理论基础知识；虚拟仿真实验考核全程无操作引导，实验结束后，系统会即时给出评分并反馈错误，真正提升了学生的实验水平。系统中提供的智能化试卷分析和统计结果输出等功能也为学生和教师提供了电子化存档(图3)，教师通过实时掌握仿真软件使用情况，可有针对性地开展科学高效的仿真教学及考核。此外，手机端实验室安全仿真教学给每个实验操作都配有实验简介和操作手册，因此还可用于实验室相关人员的实验安全仿真测试。

图3 课程考核统计界面

2.4 手机app版仿真实验教学评价

针对现行实验教学模式和考核方式挑选出419位非化学类专业学生，在实验教学结束后对其进行教学效果评价(表1)。从评价结果中可以看出，86%的学生认为通过手机app版仿真教学方式对其学习实验课有很大帮助，91%的学生对考核模式表示满意，95%的学生表示支持此类教学模式。我校有机化学实验教师们对此也提出了宝贵意见，比如可将现有模式替换为微信公众号或QQ游戏大厅等类似平台，平台内设置不同的实验入口，避免每一个实验都安装一个软件，节省操作时耗和手机内存。

表1 手机端仿真实验教学效果评价

续表1

3 结 语

通过手机app版仿真软件将虚拟仿真技术移植到手机端，解决了PC端设备资源投入量大、学习地点受限、操作界面难度大等难题，让课程资源惠及到更多的学生，不仅节约教学资源，打破时空限制，同时，在教学过程中积累的大数据分析也为教师了解教学效果、改进教学方法提供了真实可靠的依据。目前手机端实验教学平台尚未完善，如移动端仪器分析实验教学，由于工作站参数的修改在后台难以实现设置而导致研发受阻，加上手机端界面较小，显示内容有限，画面清晰度和运行速度对手机配置有要求，在部分功能上相对于PC端具有一定局限性，其利弊之处也为高校手机端实验教学提供了参考。