大学化学实验数字化建设的研究与实践

＊刘志刚 唐冬雁* 周育红 张彬 刘新荣 蔡皓宇

（1.哈尔滨工业大学化工与化学学院 黑龙江 1500012.西安交通大学 生命科学与技术学院 陕西 710049）

哈尔滨工业大学的大学化学实验隶属于大学化学课程，为面对全校本科生开设的公共基础课程。共计开设有10-12个或者与课程理论部分紧密衔接，或者为理论部分的适当拓展，或者体现相对独立性的特色实验。

大学化学实验提高了非化学、化工类工科学生综合运用化学基础知识和化学实验基本技能能力，既调动了学生主观能动性，又培养了学生科研素质、创新能力和动手能力。

1.大学化学实验网络教学资源现状及问题

为配合教学，近年来已建设并更新了很多网络大学化学实验教学资源，以帮助学生网上自主学习。

笔者在教学过程中发现：对于零零后学生，他们更习惯于通过手机等电子产品进行课程学习。但对于视频文件较大的网络大学化学实验教学资源，学生在学习时，需要消耗较多的下载流量，或需要过长的下载时间，从而造成很多同学在手机下载的等待过程中就失去了继续学习的兴趣。

如能借鉴MOOC课程流行的知识碎片化特点，切割大学化学实验教学资源，将较大的视频文件分割制成多个5～7min的小视频，能够更好的适合于零零后学生通过手机学习大学化学实验课程。

笔者在教学过程中也发现：并不是所有大学化学实验的教学内容均需要通过视频方式进行展示。仅需通过小流量短视频展示最重要的难点及关键点，其他部分辅以图片，对实验原理及过程等配合画外音介绍即可。这样既可以起到实验教学视频的作用，又能够减小文件体积，从而减少下载流量及时间，方便学生随时学习。

此外，还需选择一个稳定、在线播放速度快、下载时间短、学生使用较多的手机平台或手机App发布实验教学视频。这样即可让大学化学实验课程的学习内容与手机载体接轨，又可让学生能够快速下载到自己的手机端，方便学生随时学习，才能提高学生学习兴趣。

基于此，我们在开发小体积大学化学实验教学视频文件及手机平台建设方面做了一些探索实践。

2.小流量视频的开发

(1)实验教学视频的开发

为减小视频文件体积，在实验教学有声视频的开发过程中遵循在部分实验最重要的实验难点及关键点等引入少量小流量短视频展示，其他部分辅以图片，对实验原理及过程等配合画外音介绍的制作思路。

①素材选取

开发实验有声视频，首先是实验难点及关键点取材。在教学过程中，将部分实验最重要的实验操作过程关键点、难点及典型实验现象进行动态影像的拍摄。如在《茶叶中提取咖啡因》中，拍摄了索氏提取器中的虹吸过程的视频文件。

为减小视频文件体积，通过实验静态照片强调大部分实验难点及关键点。如在《茶叶中提取咖啡因》中，选取了蒸馏装置照片（图1）、最终的咖啡因产物照片（图2）。通过实验的静态照片，引发同学们进行更加深入的思考，从而对实验原理的认识更加深刻。

图1 蒸馏装置

图2 咖啡因产物

②小流量短视频制作

实验课上，我们拍摄了包含实验关键点的视频。课后对视频文件进行后期剪辑，格式调整。力求做到文件体积最小化，清晰度不降低，减少对流量的占用。

③PPT制作

将小流量短视频、包含实验关键点的图片与实验原理及过程文字内容有机融合在PPT中（图3）。

图3 含有图片与实验文字内容的PPT

④有声短视频制作

通过录屏软件，对PPT进行后期配音，生成体积较小的有声短视频文件。为减小视频文件体积，可将帧数设置为10或15。当视频参数如图4所示时，所生成的视频文件大小为16.3M。

图4 视频文件参数

(2)课堂演示实验视频的开发

大学化学课程的课堂演示实验，作为教学过程的重要组成形式，它即满足了学生对化学的好奇心，向学生揭示一个有趣的化学世界，又对培养学生活跃的创新意识、理论联系实际等方面具有其它课程不可替代的作用。

但是，并不是所有的演示实验都能进行随堂演示。如有些演示实验仪器过于庞杂或容易损坏不方便带进教室，某些实验过程比较费时或操作繁杂不适合在课堂上演示等。同样，对于现场操作存在局限性，具有一定危险性的演示实验，也不宜进行随堂演示。

对一些在课堂上进行演示效果突出，但易产生有毒、有害产物且不易控制安全性的实验，可以采用录制实验视频的方式进行，实验视频方便教师携带，并在课堂中演示，效果一样突出。

依据实验教学视频的制作思路，录制了火山爆发、镁条燃烧、大象牙膏等演示实验的有声视频。

火山爆发、镁条燃烧演示实验的有声视频可让学生获得直观反应热概念；大象牙膏演示实验通过双氧水、碘化钾与洗涤剂等组成的反应体系，实验效果突出。大象牙膏演示实验有声视频既展示了精彩的实验效果，又明确了该反应的催化原理。该实验可配套化学反应热、化学反应速率及电化学三部分的理论课程学习。

西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程专业蔡皓宇同学利用生物学专业知识，对我们开发新的生物化学方面的演示实验提供了一定的帮助，并参与了部分录制工作。

3.大化实验公众号的建设

大学化学实验受众面广。近5年，哈尔滨工业大学化学实验每年服务约70个班级（约1700人），累计学时数达到40800人/次。让大学化学实验课程学习内容与手机载体接轨，让学生能够快速下载到自己的手机端，方便学生随时学习，需要选取一个稳定、学生使用较多的手机平台或手机App发布实验教学有声视频等文件。

我们在微信公众平台上开发了大化实验的公众号，供上课同学访问。学生只需扫描大化实验公众号的二维码，即可进入公众号。

目前，在大化实验公众号中包括8个有声实验视频（图5），5套安全考题，后续还要不断更新和完善。学生能够通过手机快速在线播放（图6），或将文件下载到自己的手机端，随时学习大学化学实验的相关内容。

图5 8个实验视频

图6 手机在线播放界面

大化实验公众号稳定、手机在线播放速度快、下载时间短。经过测试发现，当视频文件参数如图7所示时，所下载的视频文件大小为13.4M。大化实验公众号有效保障了实验教学的正常运行。

图7 视频文件参数

微信公众平台的后台数据较丰富。在教学过程中，通过微信公众平台的相关后台数据，可以分析学生参与实验的情况。依据后台数据，我们对本校2021年春季学期学生通过大化实验公众号学习的情况进行了分析。由图8可知，截止到2021年4月21日，本校共有166人关注。由图9可知，在2021年4月7日学生对公众号内容的阅读次数达到80次。由图10可知，学生前期对安全考题关注点击较多，对实验视频1-5点击学习多于实验视频6-8。通过后台数据，我们即了解了学生参与实验的情况，也给我们提供了内容更新、完善的方向。

图8 累计关注人数

图9 阅读次数

图10 菜单点击人数

化学实验过程中，危险因素较多。因此我们通过问卷星平台，制作了5套实验安全考题。5套实验安全考题也绑定到大化实验公众号（图11）。学生只有通过安全考题测试后，才能进入化学实验室开始实验。

图11 5套安全考题

通过问卷星后台数据，可分析学生答题情况。我们对2021年春季学期学生通过大化实验公众号答题的情况进行了分析。所有学生的实验安全考题1成绩分布见图12，由图可见成绩主要集中在80分以上区域。后台数据也可给出每题的正确率（图13）。通过这些后台数据，我们能够了解学生对知识掌握的薄弱点，从而可进行针对性的教学。

图12 考题1成绩分布

图13 实验考题1的多选题第1题正确率

上述举措顺利完成了2021年春季学期修学课程的200余名同学的大学化学实验的网上预习，通过学生上交的实验报告及部分学生反馈来看，学习效果良好。

4.结论

综上，针对零零后学生对电子产品使用习惯和自主学习需求等背景，围绕大学化学实验教学进行了部分的数字化和信息化改革尝试，收到了初步的教改成效，也为后续的教研和教改积累了有效的素材和教学资源。