虚拟仿真平台在分析化学实验教学中的实践与评价

秦 倩, 李发胜, 刘 阳

(1 大连医科大学检验医学院，辽宁 大连 116044；2 慕乐网络科技(大连)有限公司，辽宁 大连 116011)

2020年爆发的新冠肺炎横扫全球至今，人们的正常生活受到了严重影响。面对如此重大的医疗卫生事件，教育部提出“停课不停教、停课不停学”的要求[1]，以应对新冠肺炎疫情对高校正常教学的影响，全国各大高校纷纷积极响应并贯彻落实，尽最大努力保证疫情期间高校的教学进度和质量。

实验课程是连接理论与实践的桥梁。“分析化学实验”是高校化学及其他相关专业学生的一门基础必修课。分析化学实验是分析化学课程体系中必不可少的内容，借助实验平台，学生可以将分析化学理论知识运用到实践[2-3]，不仅可以加固学生对理论知识的认识和掌握，同时能够锻炼学生自主动手的操作能力以及独立思考和解决问题的科学思维[4-6]。因此，高校必须重视疫情期间实验课程的安排，解决分析化学实验课复课问题，特殊时期更要做好“以学生为中心”、“停课不停学”的人才培养工作。基于此，结合分析化学实验课程的特点，本文报道了大连医科大学在非化学专业的“分析化学实验”课程教学中，开展的虚拟仿真平台在分析化学实验教学中的实践与评价。文中具体以分析化学实验中的“钙盐中钙含量的测定”实验为例。

1 移动虚拟仿真实验教学设计与实施

1.1 课前准备

学生提前在个人电脑或者智能手机上安装虚拟软件(慕乐网络科技(大连)有限公司开发的MLabs移动虚拟实验室)。此外，学生用微信关注“Moolsnet”公众号并注册账号后可随时登录，对教师共享的教学资源进行预习(图1)。

图1 学生预约、预习及测验等界面

1.2 线上导学

教师提前在电脑端或智能手机端开启腾讯会议，学生通过共享会议号进入线上课堂，教师利用共享屏幕在线讲解实验目的、实验原理、实验仪器与试剂、实验步骤、数据记录与分析以及实验注意事项等关键知识点，学生和教师可以进行远程交流和互动。以“钙盐中钙含量的测定”实验为例：首先，通过讲解实验目的和原理，让学生了解氧化还原法间接测定金属的原理和方法，学会用高锰酸钾法来测定碳酸钙中钙的含量。其次，讲解实验中天平称量、滴定管读数、沉淀、过滤、洗涤等沉淀分离法的操作要点及注意事项，然后详细介绍实验所需要的试剂和实验步骤，实验主要分为两大步骤，即先进行KMnO4标准溶液的标定，再进行钙盐中钙含量的测定。接着讲解数据记录与处理的方法，重点强调有效数字的保留与运算法则。最后，给学生布置任务，让学生课后结合虚拟实验及查询相关资料进行思考。例如：用Na2C2O4标定KMnO4溶液时可否用HCl或HNO3使溶液酸化？为什么？本实验中如何才能得到纯净且易于过滤的草酸钙沉淀？为什么滴定至溶液呈微红色并保持30 s不褪色即可认为滴定已到达终点？

1.3 仿真操作

利用虚拟仿真实验平台模拟实验操作流程，学生可通过自由练习来熟悉和掌握本实验的基本操作流程。MLabs虚拟客户端有“练习”和“考试”两种模式，两种模式的区别在于后者没有提示按钮“T”。学生可先利用练习模式进行练习，具体操作如下：打开MLabs虚拟实验软件(a)——选择练习模式(b)——选择分析化学实验(c)——选择“钙盐中钙含量测定”实验(d)，点击“载入”。进入虚拟实验关卡后，点击或移动实验所需的仪器或试剂进行虚拟操作，屏幕右上角的“T”按钮可以用来进行操作提示。虚拟平台将实验步骤设置成通过操作增强了实验的趣味性，并提高了学生学习的积极性。“钙盐中钙含量测定”实验在练习模式下的虚拟操作界面如图2所示。在练习模式下，学生选择“钙盐中钙含量测定”实验后可进行如下的虚拟操作(图3)：①称量基准物草酸钠并溶解；②高锰酸钾标准溶液的标定；③称取钙盐试样并溶解；④加沉淀剂饱和草酸铵溶液；⑤加氨水调节溶液的pH；⑥检查沉淀是否完全并过滤；⑦溶解沉淀；⑧滴定钙样测其含量。学生在该模式下可以多次进行练习来更好地了解和掌握实验技能。学生在熟悉“练习模式”后可进入“考试模式”进行测试。通过考试模式，学生可以对实验内容的掌握度和对实验操作的熟练度进行自测。

图2 MLabs客户端操作界面

图3 练习模式中的实验典型操作

1.4 考核评估

教师可通过平台的管理端组织仿真考试等等，教师可在线掌握学生的实验操作情况，同时可设置考试成绩构成和权重，进行评价考核。在学生完成“考试模式”下的测试后，教师可在微信公众号Moolsnet后台了解学生的完成情况，导出成绩进行分析和评价(图4)，及时发现问题，并进行改进及完善。

图4 实验项目成绩分布权重及学生虚拟成绩分析

2 反馈与评价

教师在开展虚拟仿真实验教学后，通过问卷调查对学生反馈的意见进行了收集和整理，大多数学生对这种在线教学形式给予了充分肯定，90.2%的学生认为相比传统实验，虚拟平台仿真实验更能激发学习兴趣；91.5%的学生认为虚拟仿真实验有利于更好地开展实验预习，复制实验环境；89.8%的学生认为通过虚拟平台对实验步骤更加清晰，更直观了解实验进程；88.1%的学生认为有了更多的容错率，可以进行多次实验；85.1%的学生表示乐意在课外时间继续使用移动虚拟仿真平台软件加强学习。同时，也有10.5%的学生反映虚拟仿真实验有距离感，不能够完全真实的体现实际实验中出现的各种情况。从学生的反馈来看，学生普遍能够接受新的教学方式，也乐于使用新的学习方式。但虚拟仿真实验所存在的问题不容忽视，需要教师进一步探索与发展。

3 改革与探索

3.1 传统分析化学实验教学现状分析

在以往传统的实验课教学实践中，流程通常是学生在课前预习本节实验课的内容，实验课上教师再详细讲解实验目的、原理、步骤、关键操作，留下课后作业，然后亲自操作、演示正确规范的实验操作要点，之后学生开始自己动手操作，实验完成后回去书写实验报告并按时上交。经过长期的教学实践我们发现，这种单一面对面的实验课程存在以下诸多弊端：①多数学生课前预习流于形式，没有从内容上认真了解实验的目的和关键点，预习报告也只是象征性的抄写教材中的实验步骤，不认真不思考，达不到预习的目的，同时教师也无法获知学生在预习过程中遇到的问题，导致授课针对性差；②在上课时，由于课堂时间有限，教师在完成实验内容的讲解后，大多只能进行一次实验的操作演示，在此之后，学生只能根据记忆进行简单模仿，一旦学生没有正确地记住教师的操作演示，可能导致无法高效率的完成实验，后续也无法复习；③传统模式中教师处于主导地位的知识灌输，学生被动的接收，缺乏好奇心，限制了学生的发散性思维；④分析化学实验课内容主要包括天平的使用、溶液配制、滴定分析等单元操作。我校分析化学实验课采用的是大班教学，教师不可能做到面面俱到，导致学生对操作技能难以掌握全面。因此，线上教学的引入不仅能提高学生的兴趣和积极性，也能解决目前传统教学中存在的问题，进而提高教学效果和教学质量。

3.2 线上-线下结合

在“互联网+”的背景下，学生往往喜欢通过手机、电脑等网络平台获得学习资源。因此，学生在实验课前可以通过虚拟仿真实验平台中的相关视频预习本节实验课内容，在操作复杂、关键的地方可以反复观看，相比以往仅仅看实验教材学习的方式，更易于理解，记忆更加深刻，在实际操作时可以做到胸有成竹、有条不紊。例如在滴定实验中，如何准确判断过渡颜色和滴定终点一直是学生很头疼的问题，由于缺少经验，往往导致实验误差较大。通过线上虚拟平台提前预习可以帮助学生更直观的观察过渡颜色，准确判断滴定终点，而不再依靠个人直觉，大大提高了实验的准确性。另外，线上模式-虚拟仿真实验平台更易被学生接纳，极大地激发了学生的实验热情，提高了学生的热情和参与度，进而提高学习效率和教学质量。

然而，分析化学实验离不开实际动手操作，学生有必要进入实验室进行实际操作。学生通过虚拟仿真实验平台预习和练习后已基本熟悉和掌握实验内容和基本操作。教师不需要再具体详细讲解实验内容，重点强调关键知识点、关键操作要点及注意事项即可。同时，学生可以提出自己的疑问，教师予以解答，这极大地提高了学生的学习热情与积极性，进而提高了教学效果。

线下实验开始后，学生领取实验仪器并开始实验，教师在实验室巡视观察学生操作情况，及时纠正不规范操作、对有安全隐患和导致多人实验失败的地方及时在课堂上进行提醒和强调，学生有问题随时进行指导。实验结束后，教师对本次实验过程中出现的共性问题进行总结。此外，鼓励学生勇于探索，对实验过程中出现的一些奇怪现象或结果及时拍照保存，课后查阅资料解答或者找老师和同学进行探讨分析。

3.3 综合评分

学生在完成线下实验后根据实验中所得数据和记录的实验现象撰写实验报告。在以往传统的分析化学实验教学中，教师常凭借学生在课堂上的表现及印象和实验报告来评价学生的实验成绩，往往会导致不准确、不公正地评价。然而，通过虚拟仿真实验平台，教师可以根据学生的预习报告、虚拟实验成绩、线下实验操作以及实验报告完成情况给予不同的权重，进而对学生进行综合评价。本课程评分可采用如下公式：实验成绩=预习报告(占比20%)+虚拟实验成绩(占比20%)+线下实验操作(占比30%)+实验报告(占比30%)。通过虚拟平台，教师可导出 Excel成绩表，可以一目了然地了解全体学生的实验成绩及分布情况，及时发现实验中可能存在的问题，并在后续教学中加以完善和改进。

4 结 语

本文针对新冠疫情形势下虚拟仿真实验平台在分析化学实验教学中的应用作了实践和评价。虚拟仿真实验教学模式的实施充分激发了学生的热情，提高了学生的积极性和参与度。鉴于传统实验教学存在的局限与不足，虚拟仿真实验教学模式是一种有益的探索与发展。因此，基于虚拟仿真实验平台的“线上线下-虚实结合”的分析化学实验教学新模式是实验课教学的一种创新，我们将在使用和建设中不断尝试，不断积累和改进，提高教学效果和教学质量。