【秋季教学简报】“互联网+”实验教学,虚拟与实践结合——化学化工学院在线实验教学简报

发布者:教学运行服务中心发布时间:2021-10-11浏览次数:11

  2021年秋季学期本科生课程自8月30日正式开始,化学化工学院实验教学中心按照学校主管部门和学院要求,召开中心全体教师会议,积极部署和组织本学期开学阶段线上实验教学活动,统筹安排线下实验教学准备工作,确保线下实验能够在线上教学结束后第一时间开展,尽量避免因疫情给实验教学带来的影响。

  本学期中心面向化学化工学院、匡亚明学院、生命科学学院、环境学院、医学院、现代工程与应用科学学院、化生大类、地学大类等10个院系开设《化学实验基础》、《有机化学实验I》、《化学合成与表征II》、《物理化学实验IA》、《化学原理与测量I》、《综合化学实验》和《化学功能分子实验》等多门实验课程,涉及学生千余人。针对实验课程的特点,借鉴2020年春季学期线上教学的经验,多数课程采用了“腾讯会议网上直播+教学立方+QQ群等在线形式”的方式进行授课,同时要求所有学生在家通过学校的安全考试网址完成在线实验安全考试,获得线下实验室准入资格,实验教学效果总体良好。

1.《化学实验基础》

  《化学实验基础》课是本科生平台课程,本学期选课学生总数达到了660余人。针对目前学生无法到校的情况,实验课程教师根据去年线上教学经验以及今年的实际情况制定了《化学实验基础课网上教学实施方案》,目前已按本科生院教学计划时间陆续全面顺利开展。

  实验课程教师利用腾讯会议以实验视频和PPT辅助的方式开展实验课的理论教学,并利用QQ群与学生互动,在线答疑。第一次的绪论课主要介绍本课程的基本情况,并重点介绍了实验室安全知识。后面的课程按实验项目讲解实验原理、内容和操作注意事项等。

  网上教学具备实验理论、内容较为全面、比较直观、绿色安全等优点,但学生缺乏了实际动手能力的锻炼,为了让学生体验完整的实验流程,《化学实验基础》教学团队给学生布置了一个动手操作小实验:制作豆腐。要求学生自行确定制作方案,并独立操作完成。制作过程中拍摄照片记录现象,谈谈心得体会,最后形成一份完整的报告。任务布置下去后,同学们积极响应,迅速行动,有的同学做出了很完美的产品,很快就提交了报告,同学们收获满满。

图1. 学生在家自制豆腐


2.《有机化学实验I》/《化学合成与表征II》

  自8月下旬开学采用线上教学以来,《有机化学实验I》和《化学合成与表征II》针对课程的特殊情况,结合2020年上半年疫情期间学生对于线上教学的反馈,拟订了原则内容线上讲,考核内容半线上讲,实验内容线下复课后讲的方针。9月份起采用线上会议,录制视频的网络教学等方式,对学生进行了实验室安全,卫生,考勤纪律等方面进行了教学。采用半线上的方式,即通过预先学习由任课教师在百度云网盘录制的实验视频,以找问题提改进方案的方式进行启发学生进行线下学习,制作文档加以说明,学生和任课教师通过电子邮件一对一进行讲解。通过对学生有机化学实验操作基础的摸底,实现了对每个学生的知识盲点进行有的放矢的指导。此外,充分利用即时通讯软件与学生进行沟通讲解,对于共性问题加以集体讲解。

图2. 《有机化学实验I》线上授课


3.《物理化学实验I(A)》/《化学原理与测量I》

  物理化学基础实验室本学期承担了化院三年级本科生《物理化学实验I(A)》和化院拔尖班及匡院理科强化班《化学原理与测量I》课程教学,学生总数100余人。在去年线上教学经验的基础上,期初教学团队对本学期前期的教学计划进行了精心规划,制定出“1+1”的教学方案,1次线上教学对应1次线下教学。线上教学采用 “腾讯会议”平台,除绪论课集中进行外,其他每次线上教学分为若干小组,每组不超过十人,由不同的教师负责开展两个实验的原理和操作过程线上教学,并要求学生打开摄像头和麦克风,便于交流讨论。每位教师精心制作了各实验原理的PPT,在讲解过程中融入了很多的问题,通过提问、抢答进行即时交流,促进学生的深入思考,加深对实验原理的理解;在操作视频学习环节,鼓励学生在视频中去发现问题,提出问题,培养学生的主动学习意识。与线上几次教学相对应,线下前几周每次实验由两名学生合作完成两个实验的操作过程,这样既能培养学生分工协作的团队精神,又能保障在正常的教学时间内顺利完成实验教学内容。从课后学生的问卷调查反馈来看,学生对本课程线上教学总体比较满意。

 图3. 《物理化学实验I(A)》/《化学原理与测量I》线上授课


4.《化学功能分子实验》/《综合化学实验》

  《化学功能分子实验》作为国家级精品课程《综合化学实验》的升级改造版,是面向高年级本科生的一门高阶性化学实验课程,今年首次对大三拔尖班学生开设。由于教学方案今年才完成修订,因此大班学生仍然沿用《综合化学实验》课程名称。由于《化学功能分子实验》和《综合化学实验》是第一次开展线上教学,因此课程负责人章文伟老师在8月下旬学生正式开学前便召开教学团队线上线下教学研讨会,商议如何线上教学内容,并制定了线上教学计划。针对本门实验课程的特点,线上教学侧重于实验项目的背景知识介绍和实验原理的讲解。通过背景知识、以及与之相关的最新科研研究成果的介绍,让学生了解为什么要开展该类实验项目的研究,并能把握该研究的研究概况和研究动态,以及目前研究还存在哪些亟待解决的问题;通过实验原理的讲解,引导学生理解实验方案的设计思路、涉及的相关化学原理知识,从而加深对相关知识的理解和掌握,明白实验的本质,并促进学生进一步思考如果后续继续开展相关研究,可以从哪方面入手,如何开展?通过这样一个讲解过程,培养学生初步掌握化学研究的一般思路和方法,为今后的科研打下良好的基础。

4. 《化学功能分子实验》/《综合化学实验》线上授课

5. 虚拟仿真实验

  为培养多学科交叉复合型创新人才,针对很多化学生物学实验耗时较长、成本很高、难以在本科教学实验中开展等特点,实验教学中心邀请沈群东老师基于其化学、材料、生物、医学等一级学科的研究成果,开发了虚拟仿真实验“脑部神经递质:共轭高分子荧光探针识别”,该实验获得首批国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程。

  疫情期间,《化学功能分子实验》和《综合化学实验》基于上述虚拟仿真实验项目开展了虚拟仿真实验教学,同学们通过该实验,认识了大脑产生神经兴奋的生理机制;学习了神经细胞、脑部组织中递质分子多巴胺的提取;了解了多巴胺响应纳米荧光探针的制备和纳米材料的表征方法;通过应用荧光光谱、共聚焦激光显微镜、小动物活体成像等仪器对神经细胞和大脑内部多巴胺进行检测与成像。通过虚拟仿真实验,同学们表示还是有很多收获的:“通过虚拟仿真实验,能够对文献中的实验原理有着更深入的认识,对其中一些仪器操作也有了一定的体会,对日后可能操作到这些仪器有很大帮助。

图5. 学生做虚拟仿真实验画面



(供稿:章文伟 王凤彬 程旭 淳远;部分图片提供:朱婷玉 徐一鸣)