传统的线下实验教学有着不可替代的优势和地位，仍然是现今实验教学的主体形式^[1-3]。然而，由于线下实验教学在时间、空间、设备、安全性等方面的现实局限，很多新型实验技术和内容难以引入到本科实验教学中^{[4, 5]}。令人欣喜的是，随着科学技术的发展，虚拟仿真实验为解决这一难题提供了有效途径^[6]。虚拟仿真不仅突破了实体实验教学在课时、场地、试剂药品、仪器设备以及实验过程中存在的温度、压力和有毒有害等安全性方面的限制，还实现了虚拟现实模拟、多媒体交叉、人机互动的高度融合，对提升实验教学效果产生了积极作用^[7]。近年来，我院依托陕西师范大学国家级化学实验教学示范中心、国家级化学虚拟仿真实验教学中心积极进行虚拟仿真实验教学项目申报，目前已获批国家级项目1项、省级项目2项，均已应用到本科生和研究生的教学当中，对实验教学的形式拓展、质量提升起到了强有力的推动作用。

2020年初，新冠病毒在国内的爆发严重影响了全国高校的教学进程，对实验教学的影响尤为突出。本文将详细介绍在延期开学期间，我院基于2019年申报的国家级虚拟仿真实验教学项目“人工光合成清洁燃料综合化学虚拟仿真实验”，结合Blackborad (Bb)教学平台和腾讯课堂、腾讯会议等线上交流媒介，多手段多渠道实施线上实验教学，为学生构建了一堂立体的“线上实验课”。本文还对“线上实验课堂”的效果以及存在的问题进行了评价分析，旨在对线上实验课程的广泛开展提供一定借鉴作用。

本虚拟仿真实验线上课堂教学体系主要包括以下几部分：

(1)虚拟仿真实验教学平台。

该平台是学生进行虚拟实验操作的主要实施平台，采用的教学内容为“人工光合成清洁燃料综合化学虚拟仿真实验”，包含了“光伏发电驱动高效催化水分解制氢气”“金属-有机框架(MOF)材料高效捕获二氧化碳”及“固溶体催化二氧化碳加氢制备清洁燃料甲醇”三个模块，分三次课程进行教学。平台界面如图1所示，学生在三维虚拟环境下进行具体实验操作，包括样品制备、结构表征、性能测试等内容。具体涉及无机化学实验中的固体样品称量、液体样品称量、电解水反应、配合物制备反应、共沉淀反应、高温高压反应等基本实验操作，同时包含沉淀平衡、配位化学、催化基础等化学实验原理。

(2) Bb教学平台。

Bb平台是用于加强网络教学、辅助课堂教学以及提供互动交流的专业网络教学平台^[8]。本次虚拟仿真实验教学中，Bb平台作为教师与学生分享课程讲义、实验资料、开展习题测验、布置实验报告等的重要媒介，发挥了强大的作用。同时，还是学生进行小组讨论、作业提交的重要平台。Bb平台在本次实验教学中发挥了帮助学生完成前期预习以及后期效果评价的作用。图2分别展示了本次实验教学中的主要界面，包括实验学习模块总体界面、小测试界面以及成绩评估界面。

(3)腾讯课堂及腾讯会议。

鉴于特殊时期教学的需求，将原本的线下课堂教学形式转为线上课堂展开，主要依托媒介包括腾讯课堂/腾讯会议。线上课堂内容在正常教学时间内展开，通过教师与学生的线上视频教学，完成仪器使用规范、实验细节、注意事项等内容的讲解，并进行虚拟实验操作演示及在线互动交流、解答疑问。

本课程组教师通过多次集体线上讨论(图3)，制定完成线上实验教学内容体系，统一线上教学环节。再经过细致的分工备课，促进教师深刻理解课程的内容和目的，提升教师在线授课的技巧，有力地保证了线上课堂的教学质量。

线上课堂教学体系构建如图4所示，依次包括学生课前预习、教师线上教学、学生虚拟仿真实验操作以及学生课后实验报告完成及教师评价。下面对各个部分构建及实施情况进行具体介绍。

课前预习是基于教师在Bb平台上分享的课程资料来完成的，每个实验均建立一个独立的学习模块，包含多项学习资料。以模块二“金属-有机框架(MOF)材料高效捕获二氧化碳”为实例说明，如图5所示。预习材料包括模块二的实验内容、虚拟仿真实验搭建所依托的背景文献、MOF材料简介小视频和实验报告模板。模块学习方式设置为强制顺序学习，即学生需要按顺序完成每项材料的学习和观看才能进入下一项资料的学习环节，最后下载实验报告模板，依据Bb平台上的预习内容和自主资料查询完成实验报告中的预习部分。

线上教学是利用学生课堂时间，通过腾讯课堂或腾讯会议平台进行教学互动。教师首先对前次实验教学中出现的问题，包括实验报告、习题、测验以及学生在Bb、QQ、微信等交流平台提出的问题做出解答。在进入到本次实验教学环节时，教师讲解课程内容、演示虚拟实验操作，并与学生提问互动。图6展示了实际在线教学界面。教师在共享PPT讲解的同时，通过对话框文字提问、语音点名提问等方式保持与学生的问答互动，增强学生在线上课堂的参与度，保证教学效果。随后教师进行虚拟仿真实验操作演示并继续保持互动，随时了解学生对实验操作的掌握程度。

线上教学阶段完成后，学生进入虚拟仿真实验平台开始独立的实验操作。在操作前，平台提供了实验安全小测试，用于巩固学生基础实验安全知识，包括药品安全，用火、用电安全，实验操作常识等内容。学生通过测试后，便可进入到实验操作环节，逐步完成固体称量、液体移取、产品洗涤、晶体挑选、结构解析、CO₂气体吸附等步骤。过程中，学生除了按照标准程序进行操作外，还可以改变某一实验条件(如投料比)进行试验，得到不一样的实验结果。如果学生发现操作有误，还可以通过返回或撤销等操作及时纠错，直至成功完成实验内容。学生在完成操作后及时保存数据，完成实验报告。期间教师与学生始终保持连线，实时辅导(图7)。虚拟仿真实验操作平台体现出了实体实验所没有的优势——可多次试验，容错纠错，还可探索不同条件下的实验结果。该环节大大激发了学生的实验兴趣。

实验操作结束后，学生和教师一起对虚拟仿真操作环节进行讨论和总结，并发表自己的感受和建议(图8a)，在课程结束后，登录Bb平台提交实验报告、完成小测验同时进行延伸讨论。教师进入Bb平台在线批阅实验报告(图8b)、查看测验完成情况以及回答学生问题。

学生线上实验课堂学习效果评价体系由四部分组成：虚拟仿真实验线上操作环节、实验报告环节、小测验环节、平台互动表现环节。图9给出了基于模块二实验学习的各部分分数分布情况及总成绩分布情况。

第一部分虚拟仿真实验操作环节由虚拟仿真项目平台在实验结束后直接给出分数，评分内容包括操作过程是否使用提示、实验过程问答环节正确率、操作过程是否超时等，该过程得80–89分的学生占比最高，达41%，其次为90分及以上的学生占比达33%，80分以下学生占比26%，分数较低学生可能原因是实验预习不充分、操作不熟练而使用提示较多，或实验安全小测验成绩不理想等。第二部分实验报告成绩由教师批阅后给出。报告内容包含实验目的、原理、操作注意事项、思考题、实验思考及反思等部分。从图中可看出，绝大多数学生实验报告成绩在80分及以上，少数学生成绩在80分以下。经过具体分析发现，学生在报告中对实验目的、原理及操作注意事项的作答差别不大，主要差距在于思考题的回答以及对实验的思考及反思部分。虚拟仿真实验报告中的思考题有较多开放型问题，没有统一答案，学生可以通过查阅资料进行合理回答。因此，整体实验报告分数差别不大。第三部分为小测验成绩，包含与实验相关的10道客观题。小测验成绩在学生完成后由Bb平台直接给出，其成绩分布呈两极分化趋势，90分及以上学生占比近一半(47%)，80–89分、70–79分、60–69分区间人数分布较均匀，而60分以下学生占比5%。小测验题中不仅涉及到无机化学基础知识，而且增加了部分科技前沿问题，因而部分知识面过窄的学生测验成绩会不理想。但我们能感觉到，这个小测验对学生关注科技前沿、探索科研知识具有良好的刺激作用。第四部分平台互动表现分数包含了学生在线回答、多平台上的互动情况等。大部分学生分数在80–89分区间，表明在线互动性良好；少部分学生表现突出，在教师抛出问题后能及时回应并给予其他同学帮助；而极个别互动迟缓甚至不在线的学生成绩较低。

这四部分成绩综合起来可得到学生本次实验的总成绩，分数占比为：虚拟仿真操作环节30%，实验报告环节30%，小测验环节20%，平台互动表现环节20%。教师根据四部分评分结果及比例给出实验的总成绩。模块二总成绩分布显示90分及以上学生占27.17%，80–89分占67.39%，80分以下约占5.43%。说明绝大多数学生都能够较好地完成本次实验任务，达到了实验教学要求。

我们开展的线上实验课堂依托“人工光合成清洁燃料综合化学虚拟仿真实验”项目，结合Bb教学平台、腾讯会议/腾讯课堂等线上交流媒介，实现了学生预习、教师讲授、虚拟仿真实验操作、学生实验报告完成及教师评价的全方位线上教学环节。“人工光合成清洁燃料综合化学虚拟仿真实验”是基于中国科学院大连化学物理研究所李灿院士研究团队的“全球首套规模化太阳燃料合成示范项目”，结合我院教学团队教师的科研工作建立起来的虚实结合的实验教学项目。该实验不仅促进了学生对无机化学实验基础知识的学习、加深对操作过程的理解、拓展对科学研究前沿的了解，更培养了学生不拘泥于实验条件限制、发掘更多实验现象和结果的探索精神。在整个线上实验课堂实施过程中，虽然已经建立了初步的教学模式和评价体系，但仍有很多地方需要不断改进，例如，在实验的评价体系及考核内容中，可通过小论文的形式引入学生对该实验的深入思考，更好地搭建起学生与科技前沿之间的桥梁。

基于虚拟仿真实验的多维线上教学课堂不仅缓解了延期开学期间实验教学的困境，而且实现了不同于MOOC式教学的线上实验完整过程，探索出了一条线上实验教学的新途径。该教学模式对实验教学的形式拓展、质量提升起到了强有力的推动作用，并为今后更好地发挥虚拟仿真实验教学项目的作用提供了宝贵的经验和借鉴。