后疫情时代高校大学化学实验教学模式探索

袁乙平，罗鸣，胡玥玥，李玺，余媛媛

(1.成都工业学院宜宾校区，四川 宜宾 644004； 2.宜宾职业技术学院五粮液技术与食品工程学院，四川 宜宾 644003)

0 引言

受新冠肺炎疫情影响，国内疫情防控已经进入常态化、精准化模式。社会层面的疫情防控总体已经进入后疫情时代，即新冠肺炎疫情并没有完全消失，社会运行总体恢复但不是一切如初，疫情时起时伏，伴随国内外人员流动呈现多地点、小规模爆发样态，这种样态迁延较长时间，对爆发地域正常的生产生活仍然会产生重大影响[1]。未来若干年内，这种情势将持续存在。为减少疫情防控对高校日常教学的影响，教育部发布了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，提出“停课不停教、停课不停学”的要求。随着后疫情时代的来临，在线教育模式已经成为各大高校应对疫情防控的重要手段，各学科各专业也在加紧探索形式多样的线上教育方法[2]。具体到大学化学实验课教学上，应当将线上与线下教育的内容和形式加以创新整合，以“实践+理论”理念为引导，在顺应时代发展的同时，积极推动课程的理论逻辑转型和实践场景转型。

大学化学实验教学是大学化学课程内容的重要组成部分，是培养大学生实验操作技能的重要途径。基于师生现场指导交流模式的线下教学在大学化学实验教学中发挥了重要作用，并且仍是当前大学化学实验教学的主流形式。但是，在后疫情时代，面对疫情防控要求，线下教学有时不能正常开展。此外，由于线下教学在空间、安全、仪器设备、教学经费等方面的实际限制，很多新实验技术和内容难以在本科实验教学中开展。随着信息技术的发展以及 5G 技术的成熟，“线上+线下”教学模式以及虚拟现实技术(virtual reality，VR)为大学化学实验教学提供了新的有效途径。教育部在《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》(教高函〔2017〕4号)中明确提出，要以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，在日常教学活动中积极引入虚拟仿真实验教学方式，提高教学实效。因此，综合运用“线上+线下”教学模式，将虚拟仿真技术引入大学化学实验教学中，已成为大学化学实验教学改革的必然趋势。

1 传统大学化学实验课存在的制约因素

1.1 形式单一，实验内容受限

大学化学实验课是一门以理论知识为基础、围绕实际实验展开的教学课程。很多高校在选取实验课程内容时，会综合考虑到相关实验的时长、操作难易程度、药品的性质、学生的综合水平等因素来设置实验内容，对应相关的化学理论课，实现从理论到实践过程的循序渐进、交叉融合。但是就目前的实际情况来看，一些高校开设的化学实验课受限于课程时长、仪器设备、教学经费、教学场地等因素，导致实验内容过于陈旧，实验形式过于单一，多为验证性实验，能够充分提高学生实践能力和科研思维的创新综合设计实验明显偏少，不能满足国家和社会对新时代大学生目标能力的要求，也没有与理论课程有机融合，形成理论与实验“两张皮”局面。此外，实验课程实施过程中学生参与感、获得感不足，一些实验甚至流于形式，甚至仅仅通过视频图片的形式向学生展示实验的过程和结果，学生完全被动接受，没有体现出学生的主体地位。总体来看，目前的大学化学实验课程体系设置与预期培养目标是不匹配的。

1.2 缺乏创新，难以调动学生积极性

传统大学化学实验教学对新技术的运用不够，缺乏创新性和趣味性。面对“零零后”这一在互联网时代背景下成长起来的“新兴学生群体”来说，传统的大学化学实验课程对他们的吸引力明显不够；在一些相对比较复杂的化学实验中会使用高端、精密仪器，传统课堂上学生无法见到仪器实物，不了解仪器的组装和使用过程，导致学生难以理解实验中仪器设备的工作原理；某些实验操作过程中步骤繁琐、气味重、有毒有害、安全风险系数高，教师不能直接在教学过程中进行演示，学生只能通过视频或者教师无实物讲解来了解实验，直接影响了学生对实验过程的探究、数据的获取以及对实验结果的认知。正是由于线下实验教学在时间、空间、安全、仪器设备等方面的实际限制，所以很多新实验技术课题和内容难以引入到本科实验教学中。

1.3 实验耗材多，有违环保理念

开展化学实验需要购买大量的实验仪器和设备，投资大，仪器维护复杂。传统化学实验中，很多化学实验药品具有易燃易爆、腐蚀性强、毒性大等特点，学生若是操作不当，极有可能引发安全事故。学生在实践操作过程中，还会因为操作不熟练、不准确，造成一定药品资源的浪费。实验过程中产生的“废液、废气、废固”等三废的排放和处理问题，也是化学实验课必须重点考虑的问题。如果没有对“三废”进行妥善处理，必然造成一定的环境污染。这与大学化学倡导的生态环保的学科理念不符，也与当前社会倡导的生态环保理念不符。

1.4 实验时间长，难以满足大量学生实验需求

在传统的大学化学实验课模式下，教师通常需要花费大量的时间进行教学前准备，并为学生讲解实验原理、操作步骤和注意事项等，在有限的课堂时间内学生实际训练操作的时间非常有限。由于部分学生在课前预习不充分，导致学生对实验操作步骤不熟悉，严重拖延了实验课进度安排，遇到一些反应时间长的实验，学生甚至难以顺利完成整个实验过程，实验效果大打折扣。多数情况下，因为实验资源有限，原本应该一个人独立完成的实验不得不容纳2～3人，以小组为单位开展实验，其弊端在于组内难免有成员开小差，坐等团队实验结果，不想亲自动手操作，这就完全背离了大学化学实验课培养学生动手能力和创新意识的初衷，削弱了大学化学实验课的成效。

1.5 部分实验存在安全隐患，增加管理负担

大学化学实验中大都存在“易燃、易爆、易腐蚀、有毒”等危险化学品，为顺利开展实验和保证学生的安全，教师在设计相关实验时都会有所顾虑，要么只进行教师演示，要么只组织学生操作一整个实验中的部分环节，甚至有的教师干脆以视频教学的方式取代现场实验。这种看似“保护”的措施，实际上增加了学生的好奇心和想要尝试的欲望。正所谓“越是禁止越不能禁止”，导致他们可能偷偷开展相关实验，满足好奇心，又因为应急处理能力不足，这无疑极大增加了学生的安全风险。长此以往，势必直接导致学生的化学实验安全意识薄弱，或者对化学实验产生抵触情绪。此外，在实验教学过程中，尽管教师多次重点强调实验操作过程中存在的安全隐患，要求学生遵守实验室守则，然而还是会出现一些学生因操作失误、嬉戏打闹等原因造成的安全事故。这类安全事故在高校开展化学实验课程中屡见不鲜。

2 大学化学实验课的转型趋势

2.1 方法上的转型趋势

在目前众多的大学化学教学改革方法中，探究式教学方法引起了学界较多关注，它成为了学界重点提倡的一种教学改革方法，代表着未来大学化学教学改革的转型趋势。探究式教学方法又称发现法、研究法，最早是由美国教育学家杜威提出的。该方法强调在教学过程中要以学生为中心、多用引导归纳的方式引导学生，培养学生自主习得能力。将这一方法运用到大学化学实验课教学改革中，就是要求教师要更多地扮演引导者角色，向学生提出若干关键问题，引导学生自己去阅读、观察、实验、思考、讨论，经历一次完整的探究式学习过程，用自己的方式掌握相应的原理和规律。但遍观目前的大学化学实验教学现状，大多数大学化学教师在实验教学的过程中并未很好地使用探究式教学方法，也没有深刻领会到探究式教学方法的精髓，在实验教学中缺少与学生的问题互动，不善于引导启发学生去发现问题、解决问题，也没有要求学生去查阅文献、讨论交流、提出创新想法。学生在实验过程独立思考意识淡薄，主动创新以及探索精神缺失。如果能充分利用信息化的教学技术和手段，全方位多角度地开展大学化学实验课探究式教学，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的思维能力、创新能力、归纳分析能力，还能使大学化学实验与时俱进、推陈出新，最终助力学生实验操作能力的综合提升。

2.2 理念上的转型趋势

教学理念的革新在大学化学实验课改革中具有指导性地位和决定性作用。随着国内高校基础化学实验教学模式改革的持续推进，以及《高等学校化学类专业指导性专业规范》《化学类专业本科教学质量国家标准》等文件的出台，大学化学实验教学改革方向逐渐从“知识导向型”与“技能导向型”向“能力导向型”与“素质导向型”演变[3]。“能力导向型”与“素质导向型”教学理念更加强调通过各种教学活动培养提高学生的个人能力和综合素质，达到“授人以渔”“锦上添花”的效果。在信息化时代，人才竞争日趋激烈，完备的个人综合素质和能力在这种局面下发挥着决定性作用，借此才能更好地应对变化、应对挑战，这也是国家对创新型人才的基本要求。通过反思大学化学实验教学当前存在的一系列问题，可以认为：要使大学化学实验教学能真正地发挥其应有的功效，更好地为培养具有较高综合素质的应用型人才教学目标服务，大学化学实验教学应更加注重信息化、综合化、生活化，增加教学过程的趣味性、创新性、灵活性，在教学实践中更加重视培养学生的创新能力、动手能力、沟通能力、组织能力以及处理突发状况的能力等，同时要重视学生思想素质、政治素质、法治素质、人际交往素质等的锻炼提升。总之就是不仅仅以学生完成实验、取得学分为唯一目标，把多种育人目标融入到大学化学实验教学这一载体平台上来，达到事半功倍之效。

2.3 教学设备上的转型趋势

针对后疫情时代大学化学实验课程的教学困境，部分教学单位提出在现有线上教学模式的基础上，引入VR设备辅助教学，开展“线上+线下”、虚拟现实仿真实验等多种新型教学模式[4]。这样做既是对教育部关于将虚拟现实技术(VR)引入传统教学过程的指示的积极响应，同时也是走出当前线上教学困境的必然选择。虚拟现实技术的优势就在于，它可以利用计算机和其他辅助设备生成一种模拟环境，这种模拟环境可以使体验者沉浸其中，体验者可以在这种环境中体验到近乎真实的感受，让体验者身临其境、感同身受。同时，虚拟现实技术能够仿真模拟人类所拥有的多种感知功能，比如：听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等，可以轻松实现人机交互、人人交互，使体验者在操作过程中能够自如掌控并且得到真实、迅即的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性、构想性、自主性等特点，使它可以很好地弥补当前线上教学的弊端，达到1+1＞2的合力效果。所以，这种“线上+VR”的新教学模式是后疫情时代大学化学实验课转型的重要趋势和正确方向，它顺应了目前把AI、VR、5G等新技术应用于教育、推动传统教学变革的现实需要。

3 新型大学化学实验教学模式的探索路径

3.1 “线上+线下”模式在教学中的运用

受疫情的持续影响，“线上+线下”教学已成为高校教学的重要形式之一[5-6]。这种教学模式突破了传统教学模式困境，实现了跨时空教学，学生可突破时间、空间的束缚利用设备访问网络进行学习，有效促进优质教学资源跨区域和跨校际共享。以成都工业学院宜宾校区大学化学实验课程为例，在后疫情时代的实验教学实践中，已经开始利用“学习通”APP、MLabs、腾讯会议等搭建起基于“线上+线下”的大学化学实验教学新平台。

教学预习阶段，利用“学习通”APP创建课题组，将大学化学任课教师组建成一个课题组，一个课题组的老师可以共享PPT课件、作业、微课视频、试卷等资源。同时，任课教师在课题组里分别组建班级群，可将课题组共享的课件、试卷、作业等根据班级学习进度和专业培养目标发布到任课班级群里。同时还可以对学生进行分组，根据不同专业学生的学习需要和学习背景，通过细分小组可以做到大学化学实验课的“量身定制”。教师可通过班级群及时发布预习通知、提出预习问题，督促学生完成预习任务，借助移动端设备可随时随地查看学生预习进度、预习时长以及预习问题反馈等。学生通过观看教师发布的实验操作微视频、学习实验方案、参与问题讨论等方式，提前预习实验内容，了解实验步骤，在学习通上完成实验预习报告。不管是教师还是学生都能通过学习通APP充分利用碎片时间，随时随地满足教学和学习的需要，实现实验教学过程的移动性和便捷性，突破传统学习过程的时空限制。

教学进行阶段，教师可以在“学习通”APP班级群里继续发布提前录制好的教学视频，讲解实验原理、步骤和操作注意事项。学生登录MLabs平台，利用手机或者平板电脑根据课程进度点击课程实验，首先认识实验仪器设备与试剂、了解实验目的原理、实验步骤，在移动虚拟实验室中模拟实验练习。在模拟演练过程中学生如遇到问题可随时截图并对问题进行描述反馈。模拟实验结束后，平台自动生成实验记录，学生可立即查看实验操作记录，根据记录查漏补缺。同时，教师通过“学习通”和MLabs后台查阅学生线上学习进度和实验掌握情况，分析学生在实际实验中可能存在的薄弱环节。进入到线下的实验室操作环节后，教师先根据学生线上实验操作和预习报告完成情况进行分析，针对学生反映突出的问题进行重点讲解，进一步强调实验操作注意事项，对实验过程中的关键环节进行反复演示，指导学生完成线下实验操作，最后教师按照化学实验评价体系对学生实验成绩进行综合评价。这种实验教学模式充分体现了以学生为中心的实验教学理念，以注重培养学生实践能力、创新能力为目标，相较于传统实验课有进步有提高，激发了学生的实验兴趣，一定程度上提高了教学实效。

教学结束阶段，教学课程结束之后，教师可以在“学习通”APP上布置课后作业，并随时对学生反馈回来的作业进行批改。遇到明显的错误或者问题，教师可以发起在线答疑，一对一为学生讲解作业中反映出的问题，及时帮助学生解决问题，真正做到不拖延、不留账，学习问题“一课一清”。恰到好处地运用线上学习平台串联起实验教学的前中后三个阶段，一气呵成，相互呼应，切实提高大学化学实验课教学效果。

3.2 虚拟现实技术平台(VR)在教学中的运用

MLabs虚拟仿真实验平台可根据学校的人才培养目标、教师教学要求以及学生的自身兴趣设计生成满足实验教学要求的虚拟仿真化学实验项目。学生能够随时随地进行学习，根据兴趣选做实验、设计实验，在平台上查看自动生成的实验报告，查看每一步得分情况，也可以向老师提问并查看班级通知公告等。利用Mlabs平台在手机或平板电脑上模拟实验操作，使学生身临其境反复演练实验操作，即使受疫情影响不能在实验室现场进行试验操作，也基本可以获得与现场实验类似的操作感受，符合学生的学习习惯，回应了构建 “绿色化学”的学科理念。MLabs平台提供练习模式和考试模式两种模式，操作界面简单流畅，画面生动，形式新颖，满足学生好奇心的同时培养了学生求知探索和自主学习的能力。从简单认识实验仪器设备、了解实验安全操作规范、熟悉实验操作流程，到复杂的易燃易爆有毒实验，再到特殊高精尖实验设备的适应等，都可以在MLabs平台上“一站式”体验。教师还可以结合仿真实验进行讲解，同时针对各专业学生开设的虚仿实验复杂程度，有针对性地介绍一些设备的使用方法如质谱仪、流变仪、色谱仪等。MLabs平台根据实验类别除无机、有机、分析、物理四大主要化学实验外，还提供仪器分析、生物化学、化工单元操作、高分子及工厂等满足不同学科专业需求的虚拟实验。对不同类型的化学实验，在形象直观的仿真操作过程中有效加强对反应原理、现象、条件等必要知识的掌握和理解。这一平台的广泛使用，极大缓解了传统大学化学实验课形式单一、实验内容受限、缺乏创新、难以调动学生积极性、有违环保理念、难以满足大量学生实验需求、部分实验存在安全隐患等制约性困难，为大学化学教师提供了一种崭新的教学手段，为学生创造了新颖的学习环境。

4 结语

探索并实践“线上+线下”、虚实现实(VR)等新型教学模式，有效地破解后疫情时代高校开展化学实验面临的难题。对拓展实验教学内容、完善实验教学方法、创新实验教学手段等都有所助益。具体表现为：节省了教学时间和教学资源，减少了药品浪费和仪器磨损，保证了化学实验有序安全，锻炼了教师借助高新科技开展教学的能力，提升了大学化学的整体教学效果，丰富了教学形式与内容，构建起了富有特色的大学化学实验教学体系。展望未来，大学化学教学改革创新还可以继续从以下几个方面发力：

一是立足于“产出导向”。大学化学实验教学改革要以培养学生独立思考和创新能力为目标，在教学实践中更多地运用探究式教学方法，提高学生综合素质和能力。要以解决实际问题为出发点，将大学化学实验与化工生产、日常生活密切联系起来，达到学以致用、学问相用、学习有用的目标。

二是坚持“科技助力”。要深度挖掘学校科研成果、实验器材、教学平台的潜力和应用价值，借助AI、VR、5G、机器人等高新技术，进一步优化实验方案，让学生能更好地理解实验、操作实验，更好地融会贯通，提升学生的学习兴趣和科技创新能力。

三是构建“新颖体系”。不断更新教学理念和教学内容，改革教学方法，探索新的教学模式，设置与科研机构和生产企业接轨的、涉及专业发展前沿的实验内容，聚焦培养复合型、创新型、应用型人才。