大学化学, 2020, 35(12): 180-186 doi: 10.3866/PKU.DXHX202008025

教学研究与改革

“线上线下-虚实结合”在有机化学实验教学中的应用探索——以正溴丁烷的制备实验为例

张永红, 王斌, 金伟伟, 夏昱, 刘晨江,

Application and Exploration of "Online-Offline and Virtual-Actual Combination" in Organic Chemistry Laboratory Teaching: Taking the "Preparation of n-Bromobutane" As an Example

Zhang Yonghong, Wang Bin, Jin Weiwei, Xia Yu, Liu Chenjiang,

通讯作者: 刘晨江, Email: pxycj@126.com

收稿日期: 2020-08-11   接受日期: 2020-09-23  

基金资助: 新疆大学有机化学金课建设项目.  XJU2020JK22
新疆维吾尔自治区普通高等学校教学改革研究重点项目.  2017JG008

Received: 2020-08-11   Accepted: 2020-09-23  

摘要

为应对新冠疫情对有机化学实验教学的影响,分析并讨论了传统有机化学实验教学中存在的局限性,并以正溴丁烷的制备实验为例,针对性地提出了一种“线上线下-虚实结合”的有机化学实验教学新模式:联合应用“腾讯会议→MLabs→实验室→微信群”等工具或场所建立了有机化学实验课程“教师课前线上导学→学生利用虚拟仿真平台预习和练习→师生实验室讨论与操作→课后综合考评与答疑”的教学新模式。经初步实践,发现对培养和提高学生的实践能力和创新能力有良好的效果,为“金课”背景下有机化学实验教学改革提供了参考。

关键词: 有机化学实验 ; 虚拟仿真实验 ; 线上教学 ; 线下教学 ; 腾讯会议 ; 微信群

Abstract

In response to the impact of the Covid-19 epidemic on organic chemistry laboratory teaching, this article analyzes and discusses the current limitation of traditional organic chemistry laboratory teaching. Taking the "preparation of n-bromobutane" as an example, a new "online-offline and virtual-actual combination" teaching mode with the combination of "Tencent Meeting, MLabs, laboratory and WeChat group" is introduced. The practice of the new mode of teaching includes the following steps: pre-class online guiding by teacher, student preview and practice based on the virtual simulation platform, students and teacher discussion and operation in laboratory, and post-classcomprehensive assessment and Q&A", and good teaching effects have been received. It is significant in cultivating and improving the independent innovation and practical ability, and provides reference for the organic chemistry laboratory teaching reform and also lays a foundation for the construction of "outstanding course" of organic chemistry.

Keywords: Organic chemistry laboratory ; Virtual simulation experiment ; On-line teaching ; Off-line teaching ; Tencent Meeting ; WeChat group

PDF (5296KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

张永红, 王斌, 金伟伟, 夏昱, 刘晨江. “线上线下-虚实结合”在有机化学实验教学中的应用探索——以正溴丁烷的制备实验为例. 大学化学[J], 2020, 35(12): 180-186 doi:10.3866/PKU.DXHX202008025

Zhang Yonghong. Application and Exploration of "Online-Offline and Virtual-Actual Combination" in Organic Chemistry Laboratory Teaching: Taking the "Preparation of n-Bromobutane" As an Example. University Chemistry[J], 2020, 35(12): 180-186 doi:10.3866/PKU.DXHX202008025

有机化学是化学、化工、材料、生物、药学等专业的必修基础课程之一,与生物及生命科学、材料科学和医学等学科高度交叉[1]。有机化学实验和有机化学课程二者相辅相成,有机化学实验可以验证和巩固有机化学理论知识并培养学生有机化学实验技能,有机化学理论知识可以指导和解释有机化学实验,通过理论与实践的很好结合,有助于加深学生对有机化学知识的理解与掌握。有机化学实验对于培养学生的科研素养、实践创新能力和科学思维具有举足轻重的作用,为社会培养科研型、实践性和综合性人才具有重要意义[2]

2020年初,突如其来的新型冠状病毒感染肺炎疫情爆发并持续肆掠全球至今。人们的正常生活受到了严重影响,全球的教育、餐饮、旅游等行业都受到了极大的冲击。面对如此重大的人类灾难,针对新冠疫情对高校正常开学和课堂教学造成的影响,教育部提出“停课不停教、停课不停学”的要求[3],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》[4]。全国各大高校纷纷积极响应并贯彻落实,各大优秀在线课程教学资源平台也立马响应国家号召免费开放[5]。最近,很多高校教师利用现代信息技术和上述网络资源在有机化学线上教学方面进行了富有建设性的探索[6-10]。结合有机化学实验课程特点,本文报道了新疆大学在非化学专业的“有机化学实验”课程教学中,开展的“线上线下-虚实结合”的有机化学实验教学新模式的探索与实践。

1 传统有机化学实验教学现状分析

传统的有机化学实验教学模式是学生课前参考指定的教材进行预习,并按要求撰写预习报告。课堂上教师先讲解拟进行实验的目的、原理、仪器与试剂、实验步骤和操作要点、所合成产物的纯化方法以及实验的注意事项等,再演示实验装置的搭建。接着学生领取实验仪器后动手进行实验,期间教师在实验室巡视和观察学生的操作是否规范,并指导和纠正学生的不规范操作和具有安全隐患的地方。笔者在长期的有机化学实验教学中发现传统的有机化学实验教学方法通常存在以下不足:1)学生预习效果不佳,甚至有学生没有按要求认真预习,仅仅通过抄写预习报告来滥竽充数,导致在实验过程中存在“依葫芦画瓢”和“照方抓药”的现象。其原因一般为目前所用教材中的内容比较单一和枯燥,缺乏趣味性和吸引力。在实验中要进行的一些仪器搭建和操作比较抽象和复杂,学生预习期间无法见到所用实验仪器的实物,也无法身临其境地搭建实验装置,从而导致学生难以理解和掌握实验过程中仪器组装的过程、细节和注意事项。2)实验过程中由于实验所需仪器和试剂相对有限或短缺,没有条件让每个学生都能够亲手操作,进而存在“一些学生做,一些学生围观”的情况,最终造成学生的实践动手能力较差。以新疆大学生命科学与技术学院生物工程与技术专业有机化学实验教学为例,一般是两个学生为一个小组进行实验,通常会出现一些动手能力及主动性差的学生没有亲自操作的情况。3)有机化学实验中通常会用到一些有毒有害及易燃易爆的化学试剂,如果学生在实验中操作不规范就存在一定的危险性。4)教学方式单一,主要为教师集中讲解实验目的、原理和内容等要点,然后教师演示实验操作,最后学生自己动手操作。5)教师讲解过程占用了部分实验时间,并且与学生互动有限,造成个别学生在规定时间内难以高质量完成整个实验。以正溴丁烷的制备为例,该实验需要进行回流、蒸馏、洗涤等多个操作单元,传统教学计划需要3–4小时。而实验时间过长将会导致学生的注意力和精力不够集中,存在一定的安全隐患。6)教师演示过程中,由于学生人数较多,视角和距离的原因,无法保证每个学生都能清楚和完整地观看教师演示的全过程,从而导致部分学生对基本操作没有完全掌握,在自己独立操作过程中会出现一些误操作造成药品浪费或实验失败。

基于此,本文以正溴丁烷的制备实验为例[11],推荐一种“线上线下-虚实结合”的有机化学实验教学新模式,即教师线上讲解实验目的、原理和实验步骤等重要知识点和实验注意事项,并给学生布置相关的任务进行导学;学生带着任务通过查阅相关资料和利用虚拟仿真实验进行预习和练习;在接下来的实操环节,师生在实验室先通过互动,检查学生完成教师线上布置任务的情况,进一步巩固实验内容及注意事项,然后学生在教师的监督与指导下通过线下操作完成实验;最后,教师根据各个环节的完成情况对学生的实验进行综合考评。

2 “线上线下-虚实结合”教学模式的设计与实施

2.1 线上导学

教师在电脑端或智能手机端开启腾讯会议[12],并把会议号或链接通过微信群共享给学生[13]。学生通过共享会议号或链接利用智能手机端或电脑端进入腾讯会议后,教师通过腾讯会议共享屏幕功能将PPT课件实时同步传递给学生,并在线上给学生讲解实验目的、实验原理、实验所需的仪器及装置的搭建、实验步骤和实验注意事项等重要知识点(图1)。腾讯会议最新版本具备录制功能,学生在老师讲解过程中可以录制讲授内容,课后可以通过观看回放巩固和复习。以正溴丁烷制备为例:首先,通过讲解实验目的和原理,让学生明确正溴丁烷的制备实验中需要掌握哪些实验原理、合成方法、装置的搭建和基本操作。其次,逐步讲解每个实验装置的搭建、作用以及注意事项,要求学生掌握回流和蒸馏装置搭建及拆卸过程中的先后顺序和方法,以及洗涤和干燥等操作的注意事项。然后简单介绍实验所需的试剂和实验步骤。最后,给学生布置任务,让学生课后通过查阅资料了解反应原料、试剂以及产物的理化性质,以及原料和产物的波谱数据和鉴别方法等。并针对正溴丁烷制备实验中所涉及的实验原理、操作和注意事项提出问题,让学生课后结合虚拟实验与相关资料进行思考。例如:有害气体吸收装置搭建过程中需要注意什么,如何防止倒吸?实验中为什么不直接用溴化氢作为溴化试剂,溴化钠与浓硫酸的作用分别是什么?反应物的加料顺序以及不按顺序加料对反应是否有影响?反应后的粗产物中含有哪些杂质?如何有效地除去反应生成的副产物?在洗涤操作中各步洗涤的目的何在?用分液漏斗洗涤产物时,如何判断哪一层是有机相或水相?产物蒸馏过程中如何判断产物已经蒸完?

图1

图1   腾讯会议截屏


2.2 学生利用仿真虚拟实验平台进行预习和练习

学生带着线上课程的任务进入课前预习阶段,在个人计算机或智能手机上安装教师推荐的虚拟软件(新疆大学选择的是慕乐网络科技(大连)有限公司开发的MLabs移动虚拟实验室,该软件可以申请免费使用一学期,免费使用期结束后可根据使用效果与意向,按照学生人数和项目内容进行购买) [14, 15]。下载及注册账号具体操作步骤如下:(1)用手机微信关注Moolsnet微信公众号(或者扫描二维码),进行注册和身份认证。进入微信公众号,找到:系统平台→小程序→(学生进行注册时需要填写真实信息)。(2)使用手机下载MLabs软件。a)安卓下载一:进入前面步骤中已关注的moolsnet微信公众号,找到资源下载→MLabs下载→安卓下载(应用宝)。b)安卓下载二:在华为、小米等应用商店或者应用宝搜索“Mlabs”下载。c)苹果下载:在APP Store中搜索MLabs软件下载。d)电脑版下载:进入moolsnet微信公众号,找到资源下载→MLabs下载→windows下载。下载安装好软件后,学生在有网络的任何时间和场所即可完成课前预习。

利用虚拟实验平台模拟实验室实景和实验操作流程,学生可以先通过观摩、练习来熟悉和掌握基本实验装置的搭建与拆卸、药品的称量、产物的纯化等基本操作。进入MLabs虚拟客户端后有两种模式:练习模式和考试模式。学生可先利用练习模式进行练习,熟练后可进入考试模式进行测试。练习模式具体操作如下:a)打开MLabs软件→ b)进入练习模式→ c)选择有机化学实验→ d)选择正溴丁烷→ e)载入。载入所选择的虚拟实验关卡后,点击或移动实验所需的仪器或药品进行虚拟操作。操作过程中遇到困难时可以点击操作“T”提示进行软件操作训练,该软件具有类似游戏的关卡解锁功能,完成相应关卡操作,才能解锁下一关卡,增强了实验的趣味性。通过练习模式进行正溴丁烷的制备实验的虚拟操作,操作界面如图2所示。

图2

图2   MLabs虚拟客户端操作界面

a)虚拟实验室首页;b)实验类别;c)有机化学实验;d)正溴丁烷


在练习模式下,学生选择正溴丁烷实验后可进行如下的虚拟操作(图3):1)称量药品并进行投料;2)安装带有有害气体吸收的回流装置并进行回流;3)拆卸回流装置;4)搭建蒸馏装置对粗产物进行蒸馏;5)拆卸蒸馏装置;6)粗产物的洗涤与提纯;7)产物蒸馏;8)蒸馏装置拆卸;9)产物质量的称量等虚拟操作。通过以上虚拟操作的练习学生能够更好地了解和掌握实验技能,并加深对实验原理、目的和过程的理解。

图3

图3   练习模式中代表性操作和装置

a)药品的称量;b)回流装置;c)蒸馏装置;d)洗涤装置


学生在熟悉练习模式后可进入考试模式进行测试。考试模式与练习模式类似,考试模式中没有提示选项(练习模式中的“T”点击后可提示如何操作)。考试模式中有实验目的、实验原理、仪器与试剂和实验步骤等内容(图4)。通过考试模式,学生可以测试自己对实验内容的掌握程度,以及对操作的熟练程度。学生通过查阅资料和虚拟操作练习完成线上课程的任务,并撰写预习报告,将“吃不透、拿不准”的问题记录在预习报告中,在线下课程上与老师和同学进行交流和讨论。

图4

图4   考试模式截图


系统会根据学生的实验操作完成情况自动做出评分,教师根据评分报告可对学生预习情况进行检查监督,学生也可以随时随地了解自己的实验完成质量,最终高质量地完成实验预习。学生在考试模式下完成测试后,教师可利用与MLabs软件相关联的微信公众号Moolsnet后台分析学生的完成情况,导出虚拟实验成绩进行考核评价[16]。具体步骤为:在微信搜索页面中搜索MoolsNet公众号→关注MoolsNet公众号→进入Moolsnet公众号→教师系统→项目→正溴丁烷→虚拟实验→刷成绩→导出成绩(图5)。

图5

图5   MoolsNet公众号教师系统中学生考试成绩截图


2.3 实验室操作

经过教师在线上课程讲解实验重点和难点并布置任务,学生带着任务查阅相关资料及利用虚拟实验平台进行预习与练习等环节,学生在正式进入实验室时对实验内容和基本操作已有较好的认识和理解。因此,教师无需再对实验内容进行详细讲解,可通过抽查的方式对线上课程的任务进行提问并引导学生积极思考与回答,以考查学生对实验知识点与操作注意事项的掌握情况。与此同时,学生通过“学”的视角提出自己“没吃透、拿不准”的问题和其他疑问,与同学进行讨论,教师对共性问题进行补充与解答,激发学生的学习主动性与积极性。最后,教师归纳总结并强调实验的重点和难点、实验操作要点以及实验过程中的注意事项等。

线下实验开始后,学生两人一组分组领取实验仪器并进行实验,小组之间在实验过程中可交流讨论,学生通过讨论进一步加深对实验内容的理解。教师巡视和观察学生的操作情况,对于不规范的操作和有安全隐患的地方进行指导和纠正。实验完成后,教师对本次实验进行总结,并对实验过程中大家存在的共性问题进行统一点评与解答。学生在实验过程中可将一些关键操作和实验现象利用手机拍摄记录,课后将典型案例发在课程微信群里同学之间互相学习、交流、讨论,教师可根据视频内容对学生的操作及实验的完成质量进行评价。这是传统有机实验教学所欠缺的,传统有机化学实验教学中,教师往往凭借课堂印象和实验报告来评价学生的操作规范性和实验的完成质量,考评的滞后性往往导致教师不能准确公正地对学生的操作做出评价。此外,学生在实验过程中可对实验中某些有趣或反常的实验现象拍照或录制视频,发在微信群里与同学或老师进行分析讨论。

2.4 课后巩固、拓展及考核

学生完成线下实验后,根据实验中所得的数据及记录和拍摄的实验现象撰写实验报告,教师通过查看学生拍摄的照片或视频批改学生的实验报告来评价与考核学生对本次实验的掌握和完成情况。对实验报告中存在的共性问题可在下次线上课程或微信群进行讨论和答疑。最终,教师根据学生的预习报告、拍摄的照片或视频、实验报告、虚拟实验成绩及线下实验操作和完成情况对学生进行综合评价。最后教师根据每个环节的重要性分配各部分的权重并按公式计算学生实验的总成绩,本课程组采用公式:实验成绩=虚拟实验成绩(占比20%)+预习报告(占比20%)+实验报告(占比30%)+实验操作及解决问题能力(占比30%)。

教师在完成课堂教学之外,可通过精挑细选向课程微信群推送一些关于有机化学实验技能总结及经验的文章、音视频和相关的科研动态,以弥补教材及课堂知识的局限性和滞后性。例如,“展开剂的选择秘籍”“最全有机溶剂极性表”“有机合成常见的危险反应”“合成中的打浆纯化”“从烧瓶壁刮有机产物的好方法”“TLC点板拖尾攻略”等。帮助学生合理地利用碎片化时间,激发学生的学习兴趣,提高教学质量。

最后,教师利用微信平台的投票功能收集学生对有机化学实验教学效果的反馈与建议,教师随时根据反馈及建议对教学方法进行调整,探索出一种适合班级的教学方法,高质量地完成教学任务。

3 结语

本文针对新冠疫情对有机化学实验教学的影响以及传统有机化学实验教学中存在的局限性,提出了“线上线下-虚实结合”的有机化学实验教学新模式,在实践教学中取得了较好的效果。该教学模式能够有效激发学生自主学习的积极性,提升学生在有机化学实验教学中的参与度和动手能力,对于培养学生的创新思维和实践能力具有重要意义。该教学模式不仅为有机化学实验教学提供了一种有益参考,同时为有机化学“金课”建设奠定了坚实基础。

参考文献

施玲; 郭晓稚; 葛健锋; 卞国庆. 化学教育, 2014, 35 (4), 37.

DOI:10.3969/j.issn.1003-3807.2014.04.012      [本文引用: 1]

张大海; 张静; 李先国; 冯丽娟; 陆敏; 王晓东. 教学研究, 2014, 37 (5), 68.

[本文引用: 1]

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.[2020-08-08]. http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200205_418131.html.

[本文引用: 1]

教育部应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作领导小组办公室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.[2020-08-08]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202002/t20200205_418138.html.

[本文引用: 1]

教育部:向高校免费开放2.4万余门在线课程.[2020-08-08]. http://www.sohu.com/a/370887114_613208.

[本文引用: 1]

李兴华; 刘治彤; 唐梦寒; 朱成建; 俞寿云. 大学化学, 2020, 35 (5), 24.

URL     [本文引用: 1]

武全香; 惠新平. 大学化学, 2020, 35 (5), 48.

URL    

曹敏惠; 石炜; 江洪; 徐胜臻. 大学化学, 2020, 35 (5), 147.

URL    

鲁立强; 帅琴; 李季; 邱海鸥; 彭月娥. 大学化学, 2020, 35 (5), 15.

URL    

陈立; 周金梅; 胡菁; 陈毅辉; 林敏; 阮永红; 郑锦丽; 魏爱琳. 大学化学, 2020, 35 (5), 191.

URL     [本文引用: 1]

王清廉; 李瀛; 高坤; 李瀛; 高坤; 许鹏飞; 曹小平. 有机化学实验, 北京: 高等教育出版社, 2010.

[本文引用: 1]

腾讯会议官网.[2020-09-06]. https://meeting.tencent.com/.

[本文引用: 1]

微信官网.[2020-08-08]. https://weixin.qq.com/.

[本文引用: 1]

MLabs官方网站.[2020-08-08]. http://www.mools.net.

[本文引用: 1]

对口支援出实招,实验教学显实效——化工学院积极助力新疆大学化学化工学院开展线上虚拟实验教学.[2020-08-08]. http://news.dlut.edu.cn/info/1015/58683.htm.

[本文引用: 1]

姜晓庆. 化工设计通讯, 2019, 45 (12), 151.

URL     [本文引用: 1]

/