有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)仿真技術(shù)應(yīng)用

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[摘要]課前預(yù)習(xí)是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)直接關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)就是簡單地瀏覽一下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，流于形式，單調(diào)枯燥，很難吸引學(xué)生興趣。本文探索將仿真技術(shù)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)操作，加上有聲的畫面更加吸引學(xué)生的興趣，極大提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]仿真技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

為了提高本科教育質(zhì)量，教育部采取系列措施，狠抓本科教育工作。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化，要求將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去。教高函[2017]4號(hào)文件規(guī)劃2017~2020年在普通本科高等學(xué)校認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。2019年教育部在[2019]8號(hào)文件《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中規(guī)劃2019~2021年完成1500門左右國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程，打造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)“金課”，確保實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。教高函[2018]5號(hào)指出：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。為此本文探索仿真技術(shù)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義及其實(shí)踐，提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1課前預(yù)習(xí)是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可缺少的環(huán)節(jié)

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校化學(xué)化工、制藥、材料、食品、生物、醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)的必修課程，通過有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)這一課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)、獲得感性認(rèn)識(shí)，而且訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作和基本技能、培養(yǎng)學(xué)生正確選擇有機(jī)化合物的合成與鑒別的方法、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力，為將來進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新打下基礎(chǔ)[1-2]。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括課前預(yù)習(xí)、教師講解、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等5個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)對提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量都很重要，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)這一首要環(huán)節(jié)顯得尤為重要[3]。為了提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課授課質(zhì)量，首先從預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)抓起，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前必須清楚了解本次實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)原理，需要哪些實(shí)驗(yàn)儀器，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、注意哪些實(shí)驗(yàn)安全問題，總之，實(shí)驗(yàn)之前每個(gè)學(xué)生應(yīng)該做到心中有數(shù)，這樣才能達(dá)到每一次的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室最主要的目的之一就是訓(xùn)練操作技能，如何才能使學(xué)生訓(xùn)練有素？本文探索將仿真技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)通過計(jì)算機(jī)多次模擬實(shí)驗(yàn)操作，熟練實(shí)驗(yàn)步驟與操作流程，到達(dá)提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

2仿真技術(shù)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的應(yīng)用優(yōu)勢

化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)就利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)可視化、虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可視化的仿真模塊取代實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)試劑，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)編程模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，點(diǎn)擊鼠標(biāo)和操作鍵盤，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的計(jì)算機(jī)模擬過程，獲得等價(jià)甚至優(yōu)于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種技術(shù)稱為化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)。仿真技術(shù)應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，改變以往有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)形式單調(diào)、枯燥乏味，缺少視覺上靈活多樣的畫面，缺少可操作的實(shí)驗(yàn)材料，使得有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)形同虛設(shè)。仿真技術(shù)應(yīng)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，仿真技術(shù)應(yīng)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)具有以下優(yōu)勢：(1)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有交互性、沉浸性及構(gòu)想性的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)資源開放共享，讓人沉入其中、出入自然、超越其上[4]。(2)學(xué)生利用仿真技術(shù)可以反復(fù)操作、反復(fù)實(shí)踐，熟練實(shí)驗(yàn)步驟，降低實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的損耗，節(jié)約實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本，學(xué)生進(jìn)入真實(shí)的實(shí)驗(yàn)階段，就能熟練安裝儀器設(shè)備、得心應(yīng)手操作每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，能夠一次性成功完成真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。(3)仿真技術(shù)的使用，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有較好的安全系數(shù)。仿真技術(shù)提高了認(rèn)知實(shí)驗(yàn)藥品、儀器設(shè)備，熟練實(shí)驗(yàn)操作的平臺(tái)。學(xué)生在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行完成有毒或危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)操作，有效避免甚至杜絕因?yàn)榛瘜W(xué)失誤而引起的安全隱患。警惕學(xué)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程中，必須謹(jǐn)慎、穩(wěn)妥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。(4)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用，學(xué)生更靈活開放，有足夠的學(xué)習(xí)空間和實(shí)驗(yàn)條件。在虛擬仿真平臺(tái)上，學(xué)生可以隨意組裝儀器和使用藥品，探究不同條件重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲得不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新性。

3有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬化建設(shè)

3.1仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

仿真技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，首先根據(jù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)代多媒體技術(shù)，建設(shè)一個(gè)靈活且可以不斷改進(jìn)的有機(jī)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。有機(jī)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作視頻、實(shí)驗(yàn)操作模塊和思考題在內(nèi)的基本模塊及包括練習(xí)測試、在線提問等內(nèi)容的附加模塊。學(xué)生不僅可以在平臺(tái)上準(zhǔn)確地模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和儀器“操作”，而且可以與老師進(jìn)行交互，力求虛擬實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室“一致”。通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生將枯燥的文字轉(zhuǎn)化為生動(dòng)形象的動(dòng)畫[5]。

3.2有機(jī)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容

根據(jù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)及教學(xué)大綱規(guī)定，仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩大模塊：有機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與有機(jī)綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)部分：基本操作，如：乙醇蒸餾、折光率測定、熔點(diǎn)測定、重結(jié)晶約10個(gè)實(shí)驗(yàn)；分離提取與合成實(shí)驗(yàn)，如：環(huán)己烯制備與分餾、溴丁烷的制備、2-硝基-1,3-苯二酚合成，肉桂酸的制備，丁二酸二丁酯的制備、乙酰水楊酸的制備等30個(gè)實(shí)驗(yàn)；性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，如：脂肪烴與芳香烴的性質(zhì)等5個(gè)實(shí)驗(yàn)。綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)模塊包括三組分混合物的分離，從紅辣椒中提取、分離紅色素、合成己內(nèi)酰胺等10個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括合成、分離、提取、分析測試、結(jié)構(gòu)鑒定等綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技能操作。

3.3有機(jī)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐案——乙酰水楊酸的制備

首先學(xué)生掃描二維碼、驗(yàn)證身份進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后根據(jù)導(dǎo)向開始學(xué)習(xí)與模擬實(shí)驗(yàn)。[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯(在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中點(diǎn)擊按鈕)學(xué)習(xí)乙酰水楊酸的制備原理和方法。[實(shí)驗(yàn)原理](在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中點(diǎn)擊按鈕)乙酸酐或乙酰氯使水楊酸分子中的羥基乙酰化。為了加速反應(yīng)的進(jìn)行，常加入少量的濃H2SO4作為催化劑。反應(yīng)式為：[乙酰水楊酸的制備實(shí)驗(yàn)步驟]按照“加料——反應(yīng)——純化——檢測等流程”通過畫面點(diǎn)擊按鈕模擬動(dòng)態(tài)的操作：畫面的儀器部分由鐵架臺(tái)、酒精燈、錐形瓶、燒杯、球形冷凝管、鐵圈、石棉網(wǎng)、夾子，溫度計(jì)、烘箱，干燥皿等按鈕組成，試劑部分由水楊酸，乙酐，濃硫酸，蒸餾水，0.1%三氯化鐵溶液及乙醇等按鈕組成。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：取一干燥小三角錐瓶(50毫升)，放入1.5克水楊酸和3毫升乙酐，搖勻后，滴加4滴濃硫酸，放在60~70℃熱水浴中邊加熱邊振搖10分鐘。取出三角錐瓶，將反應(yīng)物倒入裝有5毫升蒸餾水的燒杯中，并用10毫升水分3~4次洗滌錐瓶，洗液倒入燒杯中，劇烈攪拌后，放在冰水浴中冷卻，以加速結(jié)晶的析出，當(dāng)結(jié)晶完全析出后，用抽氣過濾，并用約5毫升冷水洗滌，抽干粗制品，放入烘箱中干燥，稱重，并計(jì)算粗產(chǎn)率。取極少量粗制品溶解于幾滴乙醇中，加入0.1%三氯化鐵溶液1~2滴，觀察顏色變化。每一個(gè)操作點(diǎn)擊一次按鈕，關(guān)鍵之處標(biāo)注文字提示，并配以形象的聲音，既可以提高興趣又可以快速使學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)角色，達(dá)到預(yù)習(xí)效果。

4結(jié)束語

將仿真技術(shù)利用到有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中，通過模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)流程、提前“實(shí)驗(yàn)操作”、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，有聲動(dòng)畫給學(xué)生帶來全新的感覺，促進(jìn)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。盡管仿真技術(shù)及虛擬實(shí)驗(yàn)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中優(yōu)勢明顯，但是必須重視虛擬仿真技術(shù)僅僅只能用于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，模擬苛刻條件的實(shí)驗(yàn)，熟悉教學(xué)內(nèi)容，絕不能用虛擬的“紙上談兵”取代真正的實(shí)驗(yàn)操作，也就是點(diǎn)擊鼠標(biāo)不能取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，否則，不僅不能提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，反而取消學(xué)生基本操作技能訓(xùn)練，勢必降低有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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作者：廖小建 徐石海 單位：暨南大學(xué)