“互联网+”背景下大学化学实验的在线辅助教学模式创新及成效探索
朱平平 , , 冯红艳 , 邵伟 , 郑媛 , 李玲玲 , 李婉 , 方思敏 , 张万群 , 李维维 , 盛翔 , 胡万群 , 高明丽 , 兰泉 , 蒋俊 , 金谷 , 查正根 , 刘卫 , 黄微 , 刘红瑜 , 刘光明
Innovation and Effect for Online Assisted Teaching Mode in College Chemistry Experiments under Internet Background
Zhu Pingping , , Feng Hongyan , Shao Wei , Zheng Yuan , Li Lingling , Li Wan , Fang Simin , Zhang Wanqun , Li Weiwei , Sheng Xiang , Hu Wanqun , Gao Mingli , Lan Quan , Jiang Jun , Jin Gu , Zha Zhenggen , Liu Wei , Huang Wei , Liu Hongyu , Liu Guangming
通讯作者: 朱平平, Email: zhupp@ustc.edu.cn
收稿日期: 2020-04-14
接受日期: 2020-04-24
基金资助:
安徽省高水平教学团队建设项目 . 2018jxtd118
Received: 2020-04-14
Accepted: 2020-04-24
摘要
2020年春季学期新冠肺炎疫情防控期间，中国科学技术大学化学实验教学中心充分考虑各实验课程特点，及时调整了教学计划，形成切实可行的“一课一策”在线教学方案，利用前期建设的在线开放课程、虚拟仿真实验教学项目和其他优质教学资源开展在线辅助教学，取得初步成效。
关键词：
大学化学实验 在线教学 线上“金课” 大规模在线开放课程 虚拟仿真实验教学项目
Abstract
Original teaching schedules were suspended in response to COVID-19 epidemic. The Chemical Experiment Teaching Center of University of Science and Technology of China adjusted the teaching plan in time, and carried out online assisted teaching based on "one lesson one policy" teaching scheme. The preliminary effect of using MOOC and virtual simulation experiments, which had already been built in the early stage, were discussed in this paper.
Keywords：
College chemistry experiments Online teaching First class online course Massive Open Online Course (MOOC) Virtual simulation experiments
本文引用格式
朱平平, 冯红艳, 邵伟, 郑媛, 李玲玲, 李婉, 方思敏, 张万群, 李维维, 盛翔, 胡万群, 高明丽, 兰泉, 蒋俊, 金谷, 查正根, 刘卫, 黄微, 刘红瑜, 刘光明. “互联网+”背景下大学化学实验的在线辅助教学模式创新及成效探索 . 大学化学 [J], 2020, 35(5): 278-282 doi:10.3866/PKU.DXHX202004059
Zhu Pingping. Innovation and Effect for Online Assisted Teaching Mode in College Chemistry Experiments under Internet Background . University Chemistry
化学主要是一门实验学科。2020年春季学期新冠肺炎疫情防控期间，化学实验教学面临严峻的挑战，在学生暂时不能返校进实验室上课的特殊情况下，如何切实把“停课不停教、停课不停学”的要求落到实处？
中国科学技术大学化学实验教学中心依托化学国家级实验教学示范中心和化学国家级虚拟仿真实验教学中心(以下合并简称为中心)来开展化学实验教学工作。按原先的教学计划，2020年春季学期开设“化学实验安全知识”以及“无机化学实验”“有机化学实验”“无机与分析化学实验”“分析化学实验”“物理化学实验”“仪器分析实验”和“化工基础实验”7门基础化学实验课程。疫情防控期间，中心充分考虑各课程特点，及时调整了教学计划，形成切实可行的“一课一策”在线教学方案，利用前期建设的在线开放课程、虚拟仿真实验教学项目和其他优质教学资源及时开展在线辅助教学。列举几个具体案例来说明。
1 形成“一课一策”在线教学方案，及时开展在线辅助教学
1.1 基于线上“金课”开展化学实验安全教育
化学实验安全知识是学生进入化学实验室必须掌握的知识，是安全教育第一课。但由于安全知识点分散、复杂、多样，在每门实验课程的绪论课上集中授课以及教师在每个具体项目中做有针对性的提示，都很难开展全面系统的安全知识教育[1 ] 。
鉴于化学实验安全知识点分散、复杂、多样，中心从2015年开始尝试新建大规模在线开放课程“化学实验安全知识”(Massive Open Online Course，缩写为MOOC)，该MOOC在2018年获批为国家精品在线开放课程(即线上“金课”)。至2019年底，该课程已在“中国大学MOOC”(https://www.icourse163.org)和“好大学在线”(http://www.cnmooc.org/home/index.mooc) 2个平台共完成10期次的线上教学(每个平台每学期完成1期次教学)。吉林大学、黑龙江大学、湖南师范大学、东北师范大学、安徽师范大学5所高校已将这门线上课程列入教学计划。
2020年春季学期疫情防控期间，2个平台的线上教学正在进行，其中“中国大学MOOC”平台上在线学习人数现为6338，含校内355位学生。学生自主安排线上学习时间，学习过程由传统授课模式下的被动学习转换为线上的主动学习。线上学习氛围浓厚，课程交流区讨论热烈。线上设置讨论区(分为课程交流区、老师答疑区、综合讨论区)，在课程交流区，每期次都要发布近30个主题供大家在线讨论交流，这些主题是课程的重要知识点、实验室极易产生安全事故的操作、安全防护习惯等方面内容，如发布“你选择了正确的防护手套吗？”主题后，目前共有403条回复信息(图1 )，发布“实验室安全守则和学生安全守则”主题后，目前共有444条回复信息。
图1
图1
关于“你选择了正确的防护手套吗？”主题的讨论交流
待疫情结束、学生返校后，再适时开展实验室个人安全防护、危险化学品泄漏处理、实验室创伤应急处理等系列安全教育培训活动，让学生在实践中掌握实验室安全防护技能与操作规范，从源头减少实验室事故的发生。线下培训活动可通过互联网实时共享到兄弟院校。
1.2 基于虚拟仿真实验教学项目，使非常时期“做不了”的实验教学成为可能
1.2.1 遴选优质教学资源
以“化工基础实验”为例。该门课程是中心面向理科化学和材料科学专业学生开设的唯一一门工科类基础实验课[2 ] 。常规教学中，一部分是传统的“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程)实验内容，采用的是天津大学研发的教学仪器；另一部分则是融入了本校科研成果，开设新型膜分离特色实验项目。在疫情防控期间，针对这些传统教学内容，课程组及时引入天津大学开发的虚拟仿真实验教学项目4项，其中“精馏综合拓展3D虚拟仿真实验”为国家虚拟仿真实验教学项目[3 ] ，使非常时期“做不了”的化学工程类实验教学成为可能，学生通过在虚拟化工实验室的实验操作，及时学习了化工基本原理以及分析问题方法。
1.2.2 引入翻转课堂式/混合式教学方法
以“仪器分析实验”教学为例，疫情防控期间，主要是以在线大型仪器虚拟仿真实验教学为主要教学内容。如气相色谱实验，在线教学内容是虚拟仿真实验教学项目“气相色谱法测定未知样中的香兰素含量”，主讲教师邵伟以气相色谱仪实验室为直播授课场景，教学中灵活运用“虚实结合”模式，如把气相色谱柱等实物展示在屏幕前，用于辅助阐述气相色谱柱的分离机理，穿插演示虚拟仿真实验教学项目中的虚拟操作，这种“边讲边练”的课堂教学模式有效地引导了学生体验和操控虚拟仿真实验。
在线教学前，在Blackboard教学平台发布微课和实验操作视频等学习资料，利于学生课前自学，并要求学生通过预习自测，预操作虚拟仿真实验，完成预习报告撰写等。在线小班教学时，针对气相色谱仪的分离机理，邵伟教师则采用了“以问代讲”式的翻转课堂教学模式，穿插了数十个问题，通过ClassIn在线教室与学生实时而广泛地互动，学生参与度高，屏幕对屏幕的在线教学效果达到甚至好于面对面授课的教学效果。
在“气相色谱法测定未知样中的香兰素含量”虚拟仿真实验教学项目中，采用的定量分析方法是外标法，学生在课后须完成“气相色谱法测定蘑菇醇的含量”实验的方案设计(采用的定量分析方法则是内标法)，后期再进入实验室根据可行性方案完成实做实验。通过虚拟实验和实做实验两种教学过程，学生不仅可以掌握两种定量分析方法，更重要的是学会正确地选用合适的分析方法。
在现有的仪器分析实验教学平台上，X射线衍射仪、核磁共振谱仪、扫描电镜、气质联用仪、毛细管电泳仪、凝胶渗透色谱仪、气相色谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪、示差扫描量热计、热重-差热热分析仪、紫外-可见分光光度计、分子荧光分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪等十多种仪器设备，已用于“仪器分析实验”课程的教学以及学生探究性、自主设计性实验[4 ] 。但是由于大型仪器操作的高度自动化、内部器件又大都被封闭，而且受到仪器台套数和实际教学学时限制，学生在每一个短短的教学单元内很难做到熟练操作仪器，并深刻理解仪器工作原理。更有一些高成本的大型仪器(如液相色谱-质谱联用仪、透射电镜、电感耦合等离子体光谱-质谱联用仪等)，目前尚不能用于开设教学实验。近十年期间，“仪器分析实验”课程组自主设计了大型仪器的虚拟仿真实验教学系统，通过构建仿真的虚拟仪器分析实验教学环境，学生通过人机交互完成一个个教学过程的各个环节，同时，在虚拟空间对仪器进行拆解式教学，有效促进学生对仪器设备的工作原理有更加深刻的理解。目前已建有11个仪器分析虚拟仿真实验教学项目(4项为安徽省虚拟仿真实验教学项目，其中1项推荐申报2019年国家虚拟仿真实验教学项目(评审中) [5 ] )，这些优质教学资源的建设确保了疫情防控期间的在线教学成为可能，更是对实做仪器分析实验内容的重要拓展和补充。
1.3 利用信息化教学资源，强化学生对实做实验的理解
将一些经典的和富有特色的实验项目制作成教学视频，一方面是为了充实实验教学内容，另一方面，教师对基本实验操作进行规范演示，以突出重点及难点，如有机合成装置的搭制技巧、基本操作规范、安全注意事项等。所有与课程教学相关的教学资源均发布在中心网站，供学生自主学习(图2 ，https://cec.ustc.edu.cn/2012/1030/c1769a11077/page.htm)。线上教学资源不再受实验教学学时和空间的限制，有效拓展了实验教学内容的广度和深度。目前这类教学资源已覆盖到系列化学实验课程。“有机化学实验信息化教学资源的构建与实践”还获得2017年安徽省教学成果一等奖。
图2
2 几点思考
新冠肺炎疫情的特殊境遇，促进了在线教育的广泛应用，也推进了在线教育的常态化。立足当前实际，我们认为，在线实验教学对于传统面授是一种挑战，更是对传统实做实验的有利辅助和促进，而不是取代。在现有基础上，化学实验课程体系、教学内容、教学模式需要做进一步调整和改进，教学过程管理需要进一步规范化。为此，我们将继续开展相关教学研究。
化学主要是一门实验学科。疫情防控期间，在学生不能动手实际操作、进行实验技能训练的情况下，我们可以充分利用线上教学模式引导和指导学生开展创新设计型、探究性实验的前期调研、方案设计及可行性评估，为后期的线下实施做好充足准备。如“有机化学实验”中，先借助于该课程组开发的虚拟实验教学项目[6 ] ，基于诺贝尔化学奖获得者Elias James Corey (科里)教授提出的逆合成分析法，引导学生在虚拟实验室对目标产物肉桂酸分子进行逆合成分析，如化学键的切断方式和合成子等价试剂的选择等，再设计多种合成路线并完成肉桂酸的虚拟合成反应。待后期学生回到真实实验室，以小组协作方式探究和完成多条合成路线，并针对不同的合成路线，还可进行反应条件的优化探究。比如Heck反应：对比是否加入三聚氰胺、反应底物为碘苯或溴苯、催化剂为醋酸钯或氯化钯等不同条件下的反应结果；比如Perkin反应：对比醋酸钾或碳酸钾作碱、是否加入相转移催化剂、不同方式进行后处理等对反应结果的影响。最后完成产物的结构分析和表征等，形成一个较为完整的探究过程。
从“面对面实验教学”转为“屏对屏实验教学”，如何有效激发学生的学习热情？中心对线下实验教学已经建立了完整的过程化管理方案，针对目前的线上教学模式，如何对线上教学效果进行实时评价、实现线上教学闭环管理？待疫情防控阶段结束后，如何推动线上与线下实验教学的有机融合等问题，也需要我们和同行在教学中不断总结和改进[7 , 8 ] 。
参考文献
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[1]
朱平平 ; 冯红艳 ; 金谷 ; 查正根 ; 郑媛 ; 兰泉 ; 高明丽 ; 盛翔 . 大学化学 , 2017 , 32 (12 ), 48 .
URL
[本文引用: 1]
[2]
高明丽 ; 冯红艳 ; 蒋晨啸 ; 纪文根 ; 徐婷婷 ; 王钰煕 . 大学化学 , 2018 , 33 (9 ), 82 .
URL
[本文引用: 1]
[3]
国家虚拟仿真实验教学项目共享平台.[2020-04-22]. http://www.ilab-x.com/details?id=159&isView=true.
[本文引用: 1]
[5]
国家虚拟仿真实验教学项目共享平台.[2020-04-22]. http://www.ilab-x.com/details/v5?id=4960&isView=true.
[本文引用: 1]
[6]
国家虚拟仿真实验教学项目共享平台.[2020-04-22]. http://www.ilab-x.com/details/v5?id=4958&isView=true.
[本文引用: 1]
[7]
李婉 ; 黄微 ; 刘济红 ; 高明丽 ; 朱平平 . 大学化学 , 2017 , 32 (7 ), 18 .
URL
[本文引用: 1]
[8]
马骁飞 ; 马亚鲁 ; 田昀 ; 秦学 ; 高洪苓 ; 刘华姬 ; 鲁凡丽 . 大学化学 , 2020 , 35 (5 ), 29 .
URL
[本文引用: 1]
1
2017
... 化学实验安全知识是学生进入化学实验室必须掌握的知识，是安全教育第一课.但由于安全知识点分散、复杂、多样，在每门实验课程的绪论课上集中授课以及教师在每个具体项目中做有针对性的提示，都很难开展全面系统的安全知识教育[1 ] . ...
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... 以“化工基础实验”为例.该门课程是中心面向理科化学和材料科学专业学生开设的唯一一门工科类基础实验课[2 ] .常规教学中，一部分是传统的“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程)实验内容，采用的是天津大学研发的教学仪器；另一部分则是融入了本校科研成果，开设新型膜分离特色实验项目.在疫情防控期间，针对这些传统教学内容，课程组及时引入天津大学开发的虚拟仿真实验教学项目4项，其中“精馏综合拓展3D虚拟仿真实验”为国家虚拟仿真实验教学项目[3 ] ，使非常时期“做不了”的化学工程类实验教学成为可能，学生通过在虚拟化工实验室的实验操作，及时学习了化工基本原理以及分析问题方法. ...
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... 以“化工基础实验”为例.该门课程是中心面向理科化学和材料科学专业学生开设的唯一一门工科类基础实验课[2 ] .常规教学中，一部分是传统的“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程)实验内容，采用的是天津大学研发的教学仪器；另一部分则是融入了本校科研成果，开设新型膜分离特色实验项目.在疫情防控期间，针对这些传统教学内容，课程组及时引入天津大学开发的虚拟仿真实验教学项目4项，其中“精馏综合拓展3D虚拟仿真实验”为国家虚拟仿真实验教学项目[3 ] ，使非常时期“做不了”的化学工程类实验教学成为可能，学生通过在虚拟化工实验室的实验操作，及时学习了化工基本原理以及分析问题方法. ...
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2018
... 在现有的仪器分析实验教学平台上，X射线衍射仪、核磁共振谱仪、扫描电镜、气质联用仪、毛细管电泳仪、凝胶渗透色谱仪、气相色谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪、示差扫描量热计、热重-差热热分析仪、紫外-可见分光光度计、分子荧光分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪等十多种仪器设备，已用于“仪器分析实验”课程的教学以及学生探究性、自主设计性实验[4 ] .但是由于大型仪器操作的高度自动化、内部器件又大都被封闭，而且受到仪器台套数和实际教学学时限制，学生在每一个短短的教学单元内很难做到熟练操作仪器，并深刻理解仪器工作原理.更有一些高成本的大型仪器(如液相色谱-质谱联用仪、透射电镜、电感耦合等离子体光谱-质谱联用仪等)，目前尚不能用于开设教学实验.近十年期间，“仪器分析实验”课程组自主设计了大型仪器的虚拟仿真实验教学系统，通过构建仿真的虚拟仪器分析实验教学环境，学生通过人机交互完成一个个教学过程的各个环节，同时，在虚拟空间对仪器进行拆解式教学，有效促进学生对仪器设备的工作原理有更加深刻的理解.目前已建有11个仪器分析虚拟仿真实验教学项目(4项为安徽省虚拟仿真实验教学项目，其中1项推荐申报2019年国家虚拟仿真实验教学项目(评审中) [5 ] )，这些优质教学资源的建设确保了疫情防控期间的在线教学成为可能，更是对实做仪器分析实验内容的重要拓展和补充. ...
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... 在现有的仪器分析实验教学平台上，X射线衍射仪、核磁共振谱仪、扫描电镜、气质联用仪、毛细管电泳仪、凝胶渗透色谱仪、气相色谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪、示差扫描量热计、热重-差热热分析仪、紫外-可见分光光度计、分子荧光分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪等十多种仪器设备，已用于“仪器分析实验”课程的教学以及学生探究性、自主设计性实验[4 ] .但是由于大型仪器操作的高度自动化、内部器件又大都被封闭，而且受到仪器台套数和实际教学学时限制，学生在每一个短短的教学单元内很难做到熟练操作仪器，并深刻理解仪器工作原理.更有一些高成本的大型仪器(如液相色谱-质谱联用仪、透射电镜、电感耦合等离子体光谱-质谱联用仪等)，目前尚不能用于开设教学实验.近十年期间，“仪器分析实验”课程组自主设计了大型仪器的虚拟仿真实验教学系统，通过构建仿真的虚拟仪器分析实验教学环境，学生通过人机交互完成一个个教学过程的各个环节，同时，在虚拟空间对仪器进行拆解式教学，有效促进学生对仪器设备的工作原理有更加深刻的理解.目前已建有11个仪器分析虚拟仿真实验教学项目(4项为安徽省虚拟仿真实验教学项目，其中1项推荐申报2019年国家虚拟仿真实验教学项目(评审中) [5 ] )，这些优质教学资源的建设确保了疫情防控期间的在线教学成为可能，更是对实做仪器分析实验内容的重要拓展和补充. ...
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... 化学主要是一门实验学科.疫情防控期间，在学生不能动手实际操作、进行实验技能训练的情况下，我们可以充分利用线上教学模式引导和指导学生开展创新设计型、探究性实验的前期调研、方案设计及可行性评估，为后期的线下实施做好充足准备.如“有机化学实验”中，先借助于该课程组开发的虚拟实验教学项目[6 ] ，基于诺贝尔化学奖获得者Elias James Corey (科里)教授提出的逆合成分析法，引导学生在虚拟实验室对目标产物肉桂酸分子进行逆合成分析，如化学键的切断方式和合成子等价试剂的选择等，再设计多种合成路线并完成肉桂酸的虚拟合成反应.待后期学生回到真实实验室，以小组协作方式探究和完成多条合成路线，并针对不同的合成路线，还可进行反应条件的优化探究.比如Heck反应：对比是否加入三聚氰胺、反应底物为碘苯或溴苯、催化剂为醋酸钯或氯化钯等不同条件下的反应结果；比如Perkin反应：对比醋酸钾或碳酸钾作碱、是否加入相转移催化剂、不同方式进行后处理等对反应结果的影响.最后完成产物的结构分析和表征等，形成一个较为完整的探究过程. ...
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... 从“面对面实验教学”转为“屏对屏实验教学”，如何有效激发学生的学习热情？中心对线下实验教学已经建立了完整的过程化管理方案，针对目前的线上教学模式，如何对线上教学效果进行实时评价、实现线上教学闭环管理？待疫情防控阶段结束后，如何推动线上与线下实验教学的有机融合等问题，也需要我们和同行在教学中不断总结和改进[7 , 8 ] . ...
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2020
... 从“面对面实验教学”转为“屏对屏实验教学”，如何有效激发学生的学习热情？中心对线下实验教学已经建立了完整的过程化管理方案，针对目前的线上教学模式，如何对线上教学效果进行实时评价、实现线上教学闭环管理？待疫情防控阶段结束后，如何推动线上与线下实验教学的有机融合等问题，也需要我们和同行在教学中不断总结和改进[7 , 8 ] . ...
