虚拟仿真实验在《分析化学》实验教学中的实践

赵明蕊

河南医学高等专科学校药学系，河南新郑 451191

分析化学是一门实验性很强的基础课程，随着科技的进步，新仪器设备不断涌现，常用大型分析仪器在分析化学实验课程教学中具有举足轻重的作用[1-5]，而大型分析仪器设备成本高，人员培训和设备维护成本高[6-7]，实验仪器少，而传统的化学分析实验中化学试剂用量大，易对环境造成一定的污染[5-9]。为更好为学生服务，促进《分析化学》实验教学质量的全面提高，调动学生学习的积极性，本研究对河南医学高等专科学校（我校）2018级药学专业《分析化学》线下实验教学和2019级药学专业《分析化学》虚拟仿真实验教学过程中学生的学习情况进行分析和评估，以期为虚拟仿真教学在相关课程中的应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

我校2018级、2019级药学、药品生产等专业共1200余名学生学习《分析化学》课，本研究对象随机选择2018级药学专业二大班和2019级药学专业二大班学生各90例，共180例作为研究对象，这两个班级的学生均为普招学生，基础知识相对较好，具有代表性。学习平台为超星学习通。

1.2 方法和观察指标

2018级药学专业《分析化学》实验课在线下进行，主要有课程签到、实验预习情况、实验操作、实验报告等活动。评价指标以每次课程学生签到人数、实验预习情况、实验实际操作、实验报告的完成情况等几个指标为评价标准，各教学活动成绩的具体占比为：课程签到5%、实验预习情况20%、实验实际操作60%、实验报告15%，按照以上比例汇总学生总成绩，考核学生的学习情况。

2019级药学专业《分析化学》虚拟仿真实验课在线上进行，主要有课程签到、实验预习情况、虚拟仿真实验操作、实验报告等活动。评价指标以每次课程学生签到人数、实验预习情况、虚拟仿真实验操作、实验报告的完成情况等几个指标为评价标准，各教学活动成绩的具体占比为：课程签到5%、实验预习情况20%、虚拟仿真实验操作60%、实验报告15%，按照以上比例汇总学生总成绩，考核学生的学习情况。

2019级药学专业评价指标和各教学活动成绩的具体占比与2018级药学专业相同。

1.3 评价标准

1.3.1 学生课程签到 2018级药学专业分析化学实验教学采用线下进行，实验教学过程中学生是否来上课，由班干部在课前进行点名，确定学生是否进行实验。2019级药学专业分析化学实验教学采用网上进行，实验操作采用模拟仿真软件进行操作，为准确掌控学生是否进行实验，教师每次课前10 min，发布签到通知，提醒学生10 min后课程开始，请同学们做好准备，学生收到信息后进行签到操作。

1.3.2 实验预习情况 2018级药学专业分析化学实验教学常用线下进行，学生进行实验前提交实验预习报告，教师根据预习报告评分标准，见表1，对学生实验预习情况进行评定。2019级药学专业采用网络实验教学，学生通过超星学习通平台上传手写的实验预习报告，教师根据预习报告评分标准，见表1，对学生实验预习情况进行评定。

表1 实验预习报告评分标准

1.3.3 实验操作 2018级药学专业分析化学实验采用线下进行，学生按照操作规范和要求进行实验，学生实验操作情况通过教师在实验室巡视，根据学生的实验操作正确与否、熟练情况、学习态度等进行评定。成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。2019级药学专业采用网络模拟仿真实验教学，模拟实验结束，学生的实验模拟操作评定由虚拟仿真实验操作软件内置程序中的实验操作评定标准对学生操作情况自动进行评定。成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。

1.3.4 实验报告 2018级药学专业采用线下实验教学，2019级药学专业采用网络模拟仿真实验教学，不论采用实际操作化学实验还是模拟仿真化学实验，实验结束后，学生均须提交实验报告，教师根据实验报告评分标准评定学生该次实验，见表2，成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。

表2 实验报告评分标准

2 结果

2.1 学生签到情况

2019级药学专业学生签到的情况结果见图1。由图1可以看出，发布签到信息后，学生能够及时签到。2019级学生签到情况与2018级药学学生签到情况进行比较发现，2019级签到情况100.00%（90/90）优于2018级学生94.44%（84/90），说明学生对虚拟仿真实验教学更有兴趣。

图1 学生课程签到情况

2.2 学生实验预习情况

学生课前预习情况根据学生书写预习报告体现出来，根据表1所示评分标准，2018级药学专业学生预习报告得分情况见图2；2019级药学专业学生预习报告在网上提交，得分情况见图3。2018级和2019级学生实验预习情况比较见图4，2019级学生的实验预习报告与2019级学生的实验预习报告相比差别不大，在一定程度上说明，网络实验教学中学生实验预习的和线下教学基本相同。

图2 2018级学生实验预习情况

图3 2019级学生实验预习情况

图4 2018级和2019级学生实验预习情况比较注：1优秀；2良好；3中等；4及格；5不及格；系列1指2018级学生实验预习情况；系列2指2019级学生实验预习情况

2.3 实验操作

线下实验教学过程中，教师先介绍实验目的、原理、实验操作步骤及注意事项，然后学生分组进行动手实验。学生在教师指导下了解分析工作的流程：试样的制备，样品的溶解，分析方法的选择，溶液的配制，实验仪器的准备，实验装置的搭建，分析仪器的选择，分析结果的记录和处理等。通过实际操作掌握一个样品在现实中的实际运作情况。学生按照操作规范和要求进行实验，学生实验操作情况通过教师在实验室巡视，根据学生的实验操作正确与否、熟练情况、学习态度等进行评定。成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。

模拟仿真实验操作中，实验流程完全参照实操进行，从学生拿到样品、选择实验仪器，实验的前处理，仪器设备参数的设定，直到完成实验，整个流程按照真实实验操作过程进行训练。学生利用网络在虚拟仿真实验操作软件指导下，了解分析工作的流程。通过模拟仿真操作熟悉一个样品在现实中的实际运作情况。事先教师将评定标准置入软件中，模拟实验结束，学生的实验模拟操作评定由虚拟仿真实验操作软件内置程序中的实验操作评定标准对学生操作情况自动进行评定。成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。2018级药学专业学生实验操作情况见图5，2019级药学专业学生实验操作情况见图6，说明利用虚拟仿真实验操作，学生实验操作成绩有较大程度的提高。

图5 2018级学生实验操作评分

图6 2019级学生实验操作评分

2.4 实验报告

学生实验结束，需提交实验报告。实验报告的评定标准包括实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器及药品、实验内容和步骤，数据处理及结果、误差计算及分析等。由于在实验开始前的预习报告中已考察过实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器及药品、实验内容和步骤等事项，所以实验报告将重点考察数据处理及结果、误差计算及分析等。教师根据实验操作评分标准评定学生该次实验操作，成绩评定等次为优秀、良好、中等、及格、不及格。不及格学生要重新进行实验，直至及格。2018级药学专业学生实验报告成绩分别见图7，2019级药学专业学生实验报告成绩见图8，2018级（平均74分）和2019级（平均95分）学生实验报告书写情况比较见图9，说明模拟仿真教学提高了学生学习兴趣。

图7 2018级学生实验预习情况

图8 2019级学生实验预习情况

图9 2018级和2019级学生实验报告书写情况比较

3 讨论

分析化学实验线下教学方式是教师先介绍实验目的、原理、实验操作步骤及注意事项，然后学生分组进行动手实验。学生按照教师的讲解进行实验，虽然有利于师生互动交流[10-15]，但学生对知识的理解还是以教师讲授为主，学生要对化学反应原理或仪器工作原理进行抽象的想象，没有机会获得感性认识，模拟仿真软件有助于学生对抽象知识的理解，提高学生的学习兴趣，进而提高学生实验操作优秀率。模拟仿真软件有助于让学生有一个感性认识，其次熟悉工作原理和操作流程，即使没有实际进行操作，学生再操作起来也更容易上手。模拟仿真实验使学生们得到锻炼，在发现问题，解决问题过程中完成对所学知识的积累[16]。

虚拟仿真实验可以在网络上共享，打破了教学设备及实验条件的局限性，不受空间和时间的限制[9-10]，弥补实验教学中实验仪器的不足和化学试剂对环境的污染，虚拟仿真实验只需要提供电脑或一部手机，和系统软件的支持即可进行操作，减少了学生因对实验仪器不熟悉在实际操作中对仪器的损坏，便于学生对知识的理解[17]。学生随时随地可以进行实验学习和虚拟仿真操作练习，整个过程绿色环保安全，而且可以重复操作[18]。实验教师也可以及时了解学生的学习进度及对相关知识的理解和掌握，从而提高教学效果[19]。

综上所述，分析化学模拟仿真实验通过计算机对实验整个操作流程进行模拟，使学生可以提前了解实验流程，掌握实验操作，熟悉实验技能，为实验教学提供了新途径。分析化学模拟仿真实验作为一种新的教学工具，具有再现和模拟真实情景的功能。能够将抽象的知识形象地展示出来，激发学生的学习热情，启发学生思维，对提高实验教学效果具有不可替代的作用。它可以解决因仪器短缺，操作危险等实验条件的限制，还可以节约资金、时间、空间，增强了学生对《分析化学》实验的理解，开阔学生眼界，提高学生学习兴趣。从而调动学生学习的积极性，也有利于教师改进教学方法，进而提高教学质量。虚拟仿真技术的应用为学生创新思维的培养提供了新途径，是分析化学实验教学必要的有益补充。