仿真技术在有机化学实验的应用

[摘要]课前预习是有机化学实验教学的第一个环节，此环节直接关系到教学质量。传统的预习就是简单地浏览一下实验内容，流于形式，单调枯燥，很难吸引学生兴趣。本文探索将仿真技术用于有机化学实验预习环节，学生模拟实验操作，加上有声的画面更加吸引学生的兴趣，极大提高有机化学实验课程教学质量。

[关键词]仿真技术；虚拟实验；有机化学实验；实验预习

为了提高本科教育质量，教育部采取系列措施，狠抓本科教育工作。其中，实验教学方面强调实验教学信息化，要求将虚拟仿真技术应用到实验教学中去。教高函[2017]4号文件规划2017~2020年在普通本科高等学校认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目。2019年教育部在[2019]8号文件《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》中规划2019~2021年完成1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程，打造虚拟仿真实验教学“金课”，确保实验课的教学质量。教高函[2018]5号指出：虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。为此本文探索仿真技术在有机化学实验教学中的意义及其实践，提高有机化学实验教学质量。

1课前预习是有机化学实验教学不可缺少的环节

有机化学实验是高等学校化学化工、制药、材料、食品、生物、医学等相关专业的必修课程，通过有机化学实验这一课程的学习，学生不仅学习实验基本知识、获得感性认识，而且训练学生进行有机化学实验基本操作和基本技能、培养学生正确选择有机化合物的合成与鉴别的方法、增强学生创新能力，为将来进一步的学习和创新打下基础[1-2]。有机化学实验教学包括课前预习、教师讲解、实验操作、数据分析处理和实验报告撰写等5个环节，每个环节对提高有机化学实验教学质量都很重要，实验预习这一首要环节显得尤为重要[3]。为了提高有机化学实验课授课质量，首先从预习环节抓起，学生进入实验室之前必须清楚了解本次实验的目的、实验原理，需要哪些实验仪器，如何进行实验操作，实验中会出现哪些实验现象、注意哪些实验安全问题，总之，实验之前每个学生应该做到心中有数，这样才能达到每一次的实验目的。学生进入实验室最主要的目的之一就是训练操作技能，如何才能使学生训练有素？本文探索将仿真技术应用于有机化学实验预习环节，学生预习环节通过计算机多次模拟实验操作，熟练实验步骤与操作流程，到达提升教学质量的目的。

2仿真技术在有机化学实验预习中的应用优势

化学实验仿真技术就利用计算机建立一个可视化、虚拟的实验环境，可视化的仿真模块取代实验仪器及实验试剂，通过计算机技术编程模拟真实实验内容，点击鼠标和操作键盘，从而实现对真实的化学实验操作的计算机模拟过程，获得等价甚至优于真实的实验结果，这种技术称为化学实验仿真技术。仿真技术应用到有机化学实验预习环节，改变以往有机化学实验预习形式单调、枯燥乏味，缺少视觉上灵活多样的画面，缺少可操作的实验材料，使得有机化学实验课的预习形同虚设。仿真技术应用有机化学实验预习中，提高学生学习的自主性，仿真技术应用有机化学实验预习环节具有以下优势：(1)虚拟仿真实验教学平台具有交互性、沉浸性及构想性的特点，学习资源开放共享，让人沉入其中、出入自然、超越其上[4]。(2)学生利用仿真技术可以反复操作、反复实践，熟练实验步骤，降低实际实验中的损耗，节约实验室运行成本，学生进入真实的实验阶段，就能熟练安装仪器设备、得心应手操作每一个实验环节，能够一次性成功完成真实的实验，节约实验成本。(3)仿真技术的使用，使实验教学模式具有较好的安全系数。仿真技术提高了认知实验药品、仪器设备，熟练实验操作的平台。学生在虚拟的环境下进行完成有毒或危险性大的实验操作，有效避免甚至杜绝因为化学失误而引起的安全隐患。警惕学生真实的实验过程中，必须谨慎、稳妥进行实验操作。(4)虚拟仿真技术应用，学生更灵活开放，有足够的学习空间和实验条件。在虚拟仿真平台上，学生可以随意组装仪器和使用药品，探究不同条件重新设计实验，获得不同实验结果，进一步增强学生的创新性。

3有机化学实验虚拟化建设

3.1仿真实验平台建设

仿真技术应用于有机化学实验教学，首先根据有机化学实验特点，利用网络及现代多媒体技术，建设一个灵活且可以不断改进的有机化学仿真实验平台。有机化学仿真实验平台包括实验目的、实验原理、实验操作视频、实验操作模块和思考题在内的基本模块及包括练习测试、在线提问等内容的附加模块。学生不仅可以在平台上准确地模拟实际实验状态和仪器“操作”，而且可以与老师进行交互，力求虚拟实验室与真实的实验室“一致”。通过仿真实验平台，学生将枯燥的文字转化为生动形象的动画[5]。

3.2有机化学仿真实验课程内容

根据有机化学实验课程特点及教学大纲规定，仿真实验内容分为两大模块：有机基础实验与有机综合性与设计性实验。基础实验包括三个部分：基本操作，如：乙醇蒸馏、折光率测定、熔点测定、重结晶约10个实验；分离提取与合成实验，如：环己烯制备与分馏、溴丁烷的制备、2-硝基-1,3-苯二酚合成，肉桂酸的制备，丁二酸二丁酯的制备、乙酰水杨酸的制备等30个实验；性质实验，如：脂肪烃与芳香烃的性质等5个实验。综合性与设计性实模块包括三组分混合物的分离，从红辣椒中提取、分离红色素、合成己内酰胺等10个实验，包括合成、分离、提取、分析测试、结构鉴定等综合性实验设计与技能操作。

3.3有机化学仿真实验课实践案——乙酰水杨酸的制备

首先学生扫描二维码、验证身份进入仿真实验平台，然后根据导向开始学习与模拟实验。[实验目的](在实验平台中点击按钮)学习乙酰水杨酸的制备原理和方法。[实验原理](在实验平台中点击按钮)乙酸酐或乙酰氯使水杨酸分子中的羟基乙酰化。为了加速反应的进行，常加入少量的浓H2SO4作为催化剂。反应式为：按照“加料——反应——纯化——检测等流程”通过画面点击按钮模拟动态的操作：画面的仪器部分由铁架台、酒精灯、锥形瓶、烧杯、球形冷凝管、铁圈、石棉网、夹子，温度计、烘箱，干燥皿等按钮组成，试剂部分由水杨酸，乙酐，浓硫酸，蒸馏水，0.1%三氯化铁溶液及乙醇等按钮组成。具体实验步骤为：取一干燥小三角锥瓶(50毫升)，放入1.5克水杨酸和3毫升乙酐，摇匀后，滴加4滴浓硫酸，放在60~70℃热水浴中边加热边振摇10分钟。取出三角锥瓶，将反应物倒入装有5毫升蒸馏水的烧杯中，并用10毫升水分3~4次洗涤锥瓶，洗液倒入烧杯中，剧烈搅拌后，放在冰水浴中冷却，以加速结晶的析出，当结晶完全析出后，用抽气过滤，并用约5毫升冷水洗涤，抽干粗制品，放入烘箱中干燥，称重，并计算粗产率。取极少量粗制品溶解于几滴乙醇中，加入0.1%三氯化铁溶液1~2滴，观察颜色变化。每一个操作点击一次按钮，关键之处标注文字提示，并配以形象的声音，既可以提高兴趣又可以快速使学生进入实验角色，达到预习效果。

4结束语

将仿真技术利用到有机化学虚拟实验的预习环节中，通过模拟实验环境，使学生提前熟悉实验流程、提前“实验操作”、虚实结合、相互补充，有声动画给学生带来全新的感觉，促进学生掌握实验技能，有利于提高实验教学质量。尽管仿真技术及虚拟实验在有机化学实验教学中优势明显，但是必须重视虚拟仿真技术仅仅只能用于有机化学实验教学预习环节，模拟苛刻条件的实验，熟悉教学内容，绝不能用虚拟的“纸上谈兵”取代真正的实验操作，也就是点击鼠标不能取代真实实验，否则，不仅不能提高有机化学实验教学质量，反而取消学生基本操作技能训练，势必降低有机化学实验教学质量。

参考文献

[1]潘长多．高等学校有机化学实验改革探索[J]．广州化工，2017，45(21)：177-179．

[2]贺全林朱全乐．谈谈有机化学实验教学应注意的几个环节问题[J]．中国高教论丛，2004，26(2)：103-104．

[3]阚卫秋，徐继明，温世正．基于预习环节探讨物理化学实验课程的教学改革[J]．广东化工，2019，46(20)：174．

[4]崔萍，彭荣，肖作安．虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用[J]．化工设计通讯，2019，45(11)：151．

[5]王敏，陈艳燕，吴小磊，等．虚拟仿真技术在有机化学实验教学中的应用研究[J]．山东化工，2018，47(10)：142-144．

作者：廖小建 徐石海 单位：暨南大学 化学与材料学院