仿真技術在有機化學實驗的應用

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[摘要]課前預習是有機化學實驗教學的第一個環節，此環節直接關系到教學質量。傳統的預習就是簡單地瀏覽一下實驗內容，流于形式，單調枯燥，很難吸引學生興趣。本文探索將仿真技術用于有機化學實驗預習環節，學生模擬實驗操作，加上有聲的畫面更加吸引學生的興趣，極大提高有機化學實驗課程教學質量。

[關鍵詞]仿真技術；虛擬實驗；有機化學實驗；實驗預習

為了提高本科教育質量，教育部采取系列措施，狠抓本科教育工作。其中，實驗教學方面強調實驗教學信息化，要求將虛擬仿真技術應用到實驗教學中去。教高函[2017]4號文件規劃2017~2020年在普通本科高等學校認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。2019年教育部在[2019]8號文件《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》中規劃2019~2021年完成1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程，打造虛擬仿真實驗教學“金課”，確保實驗課的教學質量。教高函[2018]5號指出：虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。為此本文探索仿真技術在有機化學實驗教學中的意義及其實踐，提高有機化學實驗教學質量。

1課前預習是有機化學實驗教學不可缺少的環節

有機化學實驗是高等學校化學化工、制藥、材料、食品、生物、醫學等相關專業的必修課程，通過有機化學實驗這一課程的學習，學生不僅學習實驗基本知識、獲得感性認識，而且訓練學生進行有機化學實驗基本操作和基本技能、培養學生正確選擇有機化合物的合成與鑒別的方法、增強學生創新能力，為將來進一步的學習和創新打下基礎[1-2]。有機化學實驗教學包括課前預習、教師講解、實驗操作、數據分析處理和實驗報告撰寫等5個環節，每個環節對提高有機化學實驗教學質量都很重要，實驗預習這一首要環節顯得尤為重要[3]。為了提高有機化學實驗課授課質量，首先從預習環節抓起，學生進入實驗室之前必須清楚了解本次實驗的目的、實驗原理，需要哪些實驗儀器，如何進行實驗操作，實驗中會出現哪些實驗現象、注意哪些實驗安全問題，總之，實驗之前每個學生應該做到心中有數，這樣才能達到每一次的實驗目的。學生進入實驗室最主要的目的之一就是訓練操作技能，如何才能使學生訓練有素？本文探索將仿真技術應用于有機化學實驗預習環節，學生預習環節通過計算機多次模擬實驗操作，熟練實驗步驟與操作流程，到達提升教學質量的目的。

2仿真技術在有機化學實驗預習中的應用優勢

化學實驗仿真技術就利用計算機建立一個可視化、虛擬的實驗環境，可視化的仿真模塊取代實驗儀器及實驗試劑，通過計算機技術編程模擬真實實驗內容，點擊鼠標和操作鍵盤，從而實現對真實的化學實驗操作的計算機模擬過程，獲得等價甚至優于真實的實驗結果，這種技術稱為化學實驗仿真技術。仿真技術應用到有機化學實驗預習環節，改變以往有機化學實驗預習形式單調、枯燥乏味，缺少視覺上靈活多樣的畫面，缺少可操作的實驗材料，使得有機化學實驗課的預習形同虛設。仿真技術應用有機化學實驗預習中，提高學生學習的自主性，仿真技術應用有機化學實驗預習環節具有以下優勢：(1)虛擬仿真實驗教學平臺具有交互性、沉浸性及構想性的特點，學習資源開放共享，讓人沉入其中、出入自然、超越其上[4]。(2)學生利用仿真技術可以反復操作、反復實踐，熟練實驗步驟，降低實際實驗中的損耗，節約實驗室運行成本，學生進入真實的實驗階段，就能熟練安裝儀器設備、得心應手操作每一個實驗環節，能夠一次性成功完成真實的實驗，節約實驗成本。(3)仿真技術的使用，使實驗教學模式具有較好的安全系數。仿真技術提高了認知實驗藥品、儀器設備，熟練實驗操作的平臺。學生在虛擬的環境下進行完成有毒或危險性大的實驗操作，有效避免甚至杜絕因為化學失誤而引起的安全隱患。警惕學生真實的實驗過程中，必須謹慎、穩妥進行實驗操作。(4)虛擬仿真技術應用，學生更靈活開放，有足夠的學習空間和實驗條件。在虛擬仿真平臺上，學生可以隨意組裝儀器和使用藥品，探究不同條件重新設計實驗，獲得不同實驗結果，進一步增強學生的創新性。

3有機化學實驗虛擬化建設

3.1仿真實驗平臺建設

仿真技術應用于有機化學實驗教學，首先根據有機化學實驗特點，利用網絡及現代多媒體技術，建設一個靈活且可以不斷改進的有機化學仿真實驗平臺。有機化學仿真實驗平臺包括實驗目的、實驗原理、實驗操作視頻、實驗操作模塊和思考題在內的基本模塊及包括練習測試、在線提問等內容的附加模塊。學生不僅可以在平臺上準確地模擬實際實驗狀態和儀器“操作”，而且可以與老師進行交互，力求虛擬實驗室與真實的實驗室“一致”。通過仿真實驗平臺，學生將枯燥的文字轉化為生動形象的動畫[5]。

3.2有機化學仿真實驗課程內容

根據有機化學實驗課程特點及教學大綱規定，仿真實驗內容分為兩大模塊：有機基礎實驗與有機綜合性與設計性實驗。基礎實驗包括三個部分：基本操作，如：乙醇蒸餾、折光率測定、熔點測定、重結晶約10個實驗；分離提取與合成實驗，如：環己烯制備與分餾、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個實驗；性質實驗，如：脂肪烴與芳香烴的性質等5個實驗。綜合性與設計性實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、合成己內酰胺等10個實驗，包括合成、分離、提取、分析測試、結構鑒定等綜合性實驗設計與技能操作。

3.3有機化學仿真實驗課實踐案——乙酰水楊酸的制備

首先學生掃描二維碼、驗證身份進入仿真實驗平臺，然后根據導向開始學習與模擬實驗。[實驗目的](在實驗平臺中點擊按鈕)學習乙酰水楊酸的制備原理和方法。[實驗原理](在實驗平臺中點擊按鈕)乙酸酐或乙酰氯使水楊酸分子中的羥基乙酰化。為了加速反應的進行，常加入少量的濃H2SO4作為催化劑。反應式為：按照“加料——反應——純化——檢測等流程”通過畫面點擊按鈕模擬動態的操作：畫面的儀器部分由鐵架臺、酒精燈、錐形瓶、燒杯、球形冷凝管、鐵圈、石棉網、夾子，溫度計、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。具體實驗步驟為：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，以加速結晶的析出，當結晶完全析出后，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，并計算粗產率。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。每一個操作點擊一次按鈕，關鍵之處標注文字提示，并配以形象的聲音，既可以提高興趣又可以快速使學生進入實驗角色，達到預習效果。

4結束語

將仿真技術利用到有機化學虛擬實驗的預習環節中，通過模擬實驗環境，使學生提前熟悉實驗流程、提前“實驗操作”、虛實結合、相互補充，有聲動畫給學生帶來全新的感覺，促進學生掌握實驗技能，有利于提高實驗教學質量。盡管仿真技術及虛擬實驗在有機化學實驗教學中優勢明顯，但是必須重視虛擬仿真技術僅僅只能用于有機化學實驗教學預習環節，模擬苛刻條件的實驗，熟悉教學內容，絕不能用虛擬的“紙上談兵”取代真正的實驗操作，也就是點擊鼠標不能取代真實實驗，否則，不僅不能提高有機化學實驗教學質量，反而取消學生基本操作技能訓練，勢必降低有機化學實驗教學質量。

參考文獻

[1]潘長多．高等學校有機化學實驗改革探索[J]．廣州化工，2017，45(21)：177-179．

[2]賀全林朱全樂．談談有機化學實驗教學應注意的幾個環節問題[J]．中國高教論叢，2004，26(2)：103-104．

[3]闞衛秋，徐繼明，溫世正．基于預習環節探討物理化學實驗課程的教學改革[J]．廣東化工，2019，46(20)：174．

[4]崔萍，彭榮，肖作安．虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的應用[J]．化工設計通訊，2019，45(11)：151．

[5]王敏，陳艷燕，吳小磊，等．虛擬仿真技術在有機化學實驗教學中的應用研究[J]．山東化工，2018，47(10)：142-144．

作者：廖小建 徐石海 單位：暨南大學 化學與材料學院