传统的大学教学往往注重学生知识面深度和广度的提高，实验教学则注重基本操作单元的训练。随着科学技术的快速发展，社会对于大学生综合素质和科研能力与以往相比有了更高的要求。近年来，各高校对有机化学实验进行了很多改革，比如南开大学在保持原有实验的基础上，增加了微波反应、超声波反应、绿色合成方法、核磁共振、柱层析等实验^[1]，更加贴近了科研的基本需求，但主要还是对知识面和操作技能上的提升。当学生进入科研工作或是实际工作时，仍然难以快速进入角色，往往被研究单位或用人单位诟病和吐槽为“眼高手低”。在多年的教学实践和科研工作中，我们认为所谓的眼高手低并不是坏事，“眼高”说明学生的知识面大幅度提高，“手低”也并不全是学生动手能力的降低，科学素养和科研能力培养的缺乏是造成学生大学学习和工作能力脱节的重要因素。

科学素养的培养可以分成两个方面，一个是兴趣的培养，另外一个是科研方法的培养。本科实验教学是理论联系实际的桥梁，是培养学生兴趣和科研能力的重要战场，如何在本科实验教学中提高学生的科学素养是本科实验教学的改革方向。

以往的有机化学实验教学中，学生预习通常是做预习卡片，了解实验内容，往往流于形式。我们在有机化学实验上学期的教学中已经开展了思想实验和翻转课堂^[2]结合的尝试和研究性实验的设计，通过这种方式使学生从“听你(教师为中心)讲–我做”到“我(学生为中心)–想(思想实验)–说(翻转课堂)–自己做(研究性实验)”过程的转变，这个方法也获得了南开大学实验教学课程改革项目的支持。由于篇幅所限，我们将在今后另文发表。

2020年春季学期，因为突如其来的新冠肺炎疫情，教育部部署各高校推迟开学，但停课不停学，所有的课程都转为线上教学^[3]，实验教学也不例外。由于学生和教师分处全国各地，学生家中不具备实验条件，如何调动学生学习的积极性和主动性，完成实验教学任务并保证教学效果显得尤为重要。基于前期线上和线下混合式教学经验，以及全线上教学的特点，我们以第二学期的有机化学实验为例，设计了多元化有机化学实验教学方案，如图1所示。利用南开大学虚拟仿真实验平台、雨课堂^[4]线上教学平台，辅以腾讯会议^[5]和微信，通过虚拟仿真实验、思想实验、研究性实验设计和“家中实验室”建立了从书本到实践的多元化学习网络，激发学生专业学习兴趣，提高自主学习时间比例，引导学生多读书、深思考、善提问、勤实践，全面提高人才培养质量。

“知之者不如好之者，好之者不如乐知者”，兴趣是人类探索未知世界的原动力。居家学习无法进行实际操作是实验教学的最大短板，但没有了讲授时间的压力，师生可以更好地进行思想实验和充分的讨论。这是这次全线上教学的优势所在，也使我们收获了意外的惊喜——兴趣的培养方法。

根据教育部停课不停学的指导方针，南开大学有机化学实验教学组调整教学内容，开放正在建设的虚拟仿真实验平台^[6]，增加“点击化学合成麦芽糖修饰的磁性纳米粒子”虚拟仿真实验。该实验以南开大学教授的科研成果为依托，包含叠氮基修饰的磁性四氧化三铁纳米粒子的合成及其与含端炔基的麦芽糖通过点击化学反应制备麦芽糖修饰的磁性纳米粒子两个合成实验，并将麦芽糖修饰的磁性粒子用于糖肽的富集实验及分离产物的质谱表征分析。实验中用到操作危险性高的有机叠氮化合物，而虚拟仿真实验通过动画的形式表达实验过程，让本科生可以学习新的实验方法，同时规避了安全风险。

教师利用雨课堂平台提前发布班级公告，将虚拟仿真实验软件操作提示、平台使用说明及使用手册以附件形式发给学生自学；利用班级微信群答疑解惑；随时登录虚拟仿真实验平台查看学生学习进度、练习时间及操作成绩，并在微信群里通报反馈全班学习结果，适时鼓励及督促(图2A)。学生通过雨课堂下载平台学习资料，自学并通过班级微信群向老师和同学咨询在线学习中的难题；随后登录虚拟仿真实验平台，学习点击化学合成麦芽糖修饰的磁性纳米粒子的实验原理(图2B)，可以单独先学习每个分模块，再进行总体实验的练习与测试。

平台根据学生的操作时间、提示使用等因素评价学生的学习效果，给出线上成绩，教师根据学生在平台的统计数据(图2C)分析全班学生的学习情况。以化学4班15位学生的学习数据为例，4个分模块实验最低分为79分，24人次满分；总实验最低分92分，7位学生满分，圆满完成学习任务。

虚拟仿真作为科技感很强的教学形式(图2D)，明显引起了学生们的兴趣。在线上课堂的讨论中，很多学生希望能在家中尝试更多的虚拟实验。除了南开大学的虚拟仿真平台，教师也提供了很多其他资源，供学生们自学。学生们在使用平台后，提出了各式各样的问题，比如虚拟实验中缺乏实验现象、不知道做错了会有什么样的结果等。随着讨论的深入，学生提出虚拟实验未来的发展应该走向虚拟现实，将现实场景引入到虚拟实验中，同时在虚拟现实中，加入学生常犯的错误，并展示相应的后果，学习相应的应对方法，培养真正的安全意识。

在师生的交流讨论中，学生还深深表达了对于线上教学的遗憾，缺少了动手实践的机会。我们也因此发现了兴趣的契机。“好的化学家一定是个好厨子”是我们化学人的一句玩笑话，却也是某种程度的现实，这引起了学生的共鸣。兴趣才是成功的源头和动力，“家中实验室”成立了。每次线上课堂讲解完实验内容后，我们留下了充分的时间给学生展示厨艺、讲述心得。

有机化学实验过程与炒菜做饭过程有异曲同工之妙。我们将实验室的瓶瓶罐罐延伸到家中的锅碗瓢盆的想法，得到了学生的积极响应。通过数周的线上厨艺展示与学习，学生在厨艺提高的同时也对有机化学实验有了更加深入的理解，我们还因势利导地培养了学生的化学思维。下面是学生在实践中对化学思维的理解和相应能力培养的总结。

许多“不食人间烟火”的学生，在做饭过程中类比了家中厨房和有机化学实验室的相似性，如食材和佐料是实验室中的化学试剂，锅碗瓢盆是圆底烧瓶或烧杯，灶具是加热套，勺、筷、量杯和台秤是量药匙、量筒和天平，锅铲是磁子和搅拌棒，而人自然就是搅拌器了。学生们在家中厨房奏响了锅碗瓢盆交响乐，增强了动手能力，为在学校实验室开展有机化学实验提供了帮助。

在做饭过程中，学生充分认识到了试剂用量和温度控制等对结果的影响。如食盐加入的多少使饭菜从没味道、可口到没法吃的转变，各种不同佐料的搭配形成了不同的口味，佐料加入顺序对口感的影响、油温对炸制食品的影响，焯水温度、时间对口感的影响等，并联系到有机化学实验中药品用量、比例、加热、温度等对实验结果的影响等(图3)，觉得今后实验前应充分考虑。这对于学生在今后的实验中提高观察能力、预判反应现象和结果有十分有益的帮助。

为了展示家乡的美食和厨艺，学生充分发挥翻转课堂和思想实验中学习到的知识，进行了资料的查阅，从美食的由来、历史、典故到制作工艺，按照有机化学实验的方式，认真准备了精美的PPT，发现了步入科研殿堂的第一个台阶——文献查阅和整理。这些有益的尝试也对翻转课堂PPT制作水平的提高有很大的帮助，后期学生对于PPT的整理从资料选择、逻辑性、可视性等方面都有了大幅度的提高(图4)。

为了做好每一道菜，学生进行了反复的尝试，对制作工艺进行了优化，并讲述了自己的心得。如有的学生，多次尝试包饺子，直到包出满意的饺子，并有了卖油翁似的感慨“非能也，唯手熟尔”。还探讨了煮饺子过程中怎样让饺子不破皮，从凉水为什么不能煮饺子的疑问，到寻找凉水不能煮饺子的科学原理，最后通过实践确认水开后加三遍凉水煮的饺子更好。

从现象看本质，学生做饭时的精益求精是优化实验的基础。学生通过做饭的切实体会，对研究性实验中的优化有了深刻理解，使我们在本科实验教学阶段引入研究性实验水到渠成。

经验是科研中重要的方面。“经验之塔”理论认为经验分为做的经验、观察的经验和抽象的经验。传统学习中学生主要是通过教师的讲授获得抽象的经验，通过实验课操作获得做的经验，二者中间存在观察的经验脱节。“家中实验室”较好地解决了这一问题。通过厨艺学习，学生可以通过观察家人做饭、家人的指点和线上课堂中与同学和教师的交流分享与分析，获得多种形式观察经验，将做的经验和抽象的经验通过大量的观察经验有机地结合起来，增强了观察现象、发现问题和解决问题的能力，并学会了听取别人的意见和阐述自己的想法。团队的讨论，不仅仅是经验的交流，更重要的是不同经验会产生思想的碰撞，在碰撞的过程中常常擦出创新的火花。同时，这一课程的副产物是有效地促进了家庭和谐和同学之间的友谊。

发现科学问题是科学研究中最重要的一环，以往的教学中，我们常常困惑于如何提高学生这方面的能力。数周的线上教学让我们逐渐找到了理想的解决方案。

事情要从蛋糕说起，张同学和朱同学分别在在家庭实验室制作了海绵蛋糕和草莓慕斯蛋糕，其中慕斯蛋糕涉及水凝胶的知识，我们敏锐地发现了科学问题的切入点。我们让全班学生思考两种蛋糕的成型机理，哪一种是水凝胶，什么是水凝胶(图5A)。学生带着问题进行了相关知识的检索和总结(图5B和C)，我们在学生理解的基础上对水凝胶进行了系统的讲解，并引入了相关的温敏性聚合物知识(图5D)，鼓励学生发现厨房中的科学问题。于是“五谷不分”的学生们发现了各种各样的科学问题，比如面粉的分类和用途，我们借此类比了化学试剂的分类。

对我们来说，最有成就感的是学生们发现炒青菜时蔬菜的变色现象，并对蔬菜变色现象进行了3个星期的讨论，完全出乎了我们的意料，科学素养的培养问题从这里开始发芽了。

从最开始在互联网上查找资料，到结合上学期学过的薄层色谱法分离菠菜叶色素的实验；从在数据库中查找专业论文，发现变色物质及其产生的机理等(图6A和B)，到从化学问题研究转变到生物问题探讨(图6C和D)；再到天马行空的猜想，居然有学生查阅了“高温胁迫对植物生理的影响”的论文，认为在加热过程中，高温胁迫对颜色也会产生影响，尽管影响的程度很低(图7)。这确实让我们感到无比的欣慰，这不就是科学的态度吗？由此我们也引出了论文的阅读和分析，高温胁迫是生理问题，适用在哪些方面，我们应该如何从论文中找到我们需要的资料以及如何辩证地分析问题等。

科学问题的发现也带动了科学实践，学生也对撰写科学论文和设计实验产生了浓厚的兴趣，由于资料查阅中多数只有结论，有的学生对设计食物变色实验产生了兴趣，并对实验的设计进行了讨论(图8)。至此，我们在网络课堂完美地实现了让学生从“听你讲–我做”到“我–想–说–自己做”的华丽转变，也为我们今后在有机化学实验教学中兴趣的引导和科学素养的培养提供了新的思路。

根据教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见中“提升学业挑战度，强化人才培养方案、教学过程和教学考核等方面的质量要求”，我们从以往的“平时成绩+期末考试成绩”的模式调整为多元化综合评价方案，即“基本操作+思想实验+翻转课堂讲解”作为平时成绩，“研究性实验和论文的写作”作为考核成绩。线上教学期间，缺少实际操作，因而将“家中实验室”的操作也计入评价系统。我们以提高学生的科学素养和培养基本的科研能力为实验教学改革的目标，促进学生全面发展。

有机化学实验教学是连接理论知识和实践的重要桥梁，如何更好地发挥这个桥梁的作用，提高学生的科学素养，一直是我们努力探索的方向。我们在开展思想实验和研究性实验的教学实践过程中，受到疫情的影响改为全线上教学，却意外地探索到一条通过“家中实验室”培养学生对有机化学实验的兴趣、提高学生科学素养的教学道路。我们拟在今后的教学工作中，进一步整理总结，将家庭实验室作为第一阶段实验课结束后的假期课外实验内容，激发学生的学习兴趣，为第二学期的思想实验和研究性实验打下基础。