计算机技术在基础化学实验改革中的应用＊

尹志华 ,张 媛

（1.甘肃农业职业技术学院食品与环境工程系，甘肃 兰州 730000；2.甘肃农业大学基础实验教学中心，甘肃 兰州 730070）

21 世纪是信息化的时代，计算机及互联网技术已深入应用于各行各业。近些年来，计算机及互联网技术也已被广泛应用于高等教育中，例如多媒体课件、微课、慕课、虚拟技术等[1-2]，但在基础化学实验中，该技术应用程度较低，大部分应用集中在多媒体课件讲授环节，学生参与程度低，无法真切感受到计算机技术在化学实验中的应用以及信息技术带给化学实验的变革。本研究列举若干个计算机技术在基础化学实验中的应用，供实验课老师开拓思路，能够切实将计算机技术引入基础化学实验课堂教学中，让学生真切感受到计算机技术在化学实验中的应用，提高学生的学习兴趣，激发学生的创造思维，培养更符合现代化技术的复合型化学人才。

1 在实验数据处理方面的应用

1.1 掌握Origin、MathType、ChemOffice 等化学绘图及数据处理软件

基础化学实验中许多实验项目得到的实验数据需要经过冗长的计算，甚至作图才能得到最终的结果，学生不仅要熟练掌握计算、绘图方法，还要学会利用计算机技术快速得到实验结果，并作出符合要求的图表。学会常用的一些数据处理软件及化学专业软件，例如ChemDraw、MathType、Origin 等，是当代每位同学学习化学实验技能必不可少的一项基本技能[3]。

Origin 是由OriginLab 公司开发的一个科学绘图、数据分析软件，在各类化学实验中常用来处理统计数据、信号分析、曲线拟合等，并输出符合学术规范的各类图表，是化学科技人员进行化学实验数据处理及绘图必须掌握的一个软件。

MathType 是一款专业的数学公式编辑工具，可以用它来编辑及在文档中插入复杂的数学公式和符号，也可以用来编辑化学反应方程式，该软件是编辑化学实验报告电子文档必备的软件之一。

ChemDraw 是一款专业的化学绘图软件，使用者可以用它来绘制各类复杂化合物的结构式、反应方程式、化工流程图及简单的实验装置图等，同时还可以用来预测化合物的属性、光谱数据等，该软件能极大帮助化学学科相关工作及科研人员进行电子数据的整理工作。

除以上提到的三款软件外，其他软件如SPSS、Matlab、PhotoShop、CorelDraw 等也经常被用于化学报告册的数据及图表处理，近些年来，随着化学学科与其他学科的不断融合，涌现出了许多优秀的数据处理及绘图软件，例如GraphPad Prism，Sigmaplot，Adobe Illustrator，Hyperchem 等。

1.2 编写特定实验项目的计算软件

对于一些常规实验，可通过编写特定的计算软件，迅速得到实验结果。

图1 是作者设计的一个盐酸溶液标定的计算软件，代课教师只需将滴定体积输入该程序，可立即生成实验结果，能迅速判断学生实验结果是否正确。图2 是强酸与强碱反应的摩尔焓变测定实验的计算软件，将实验数据输入该软件后，可立即显示外推作图的结果以及最终的计算结果，代课教师可及时判断学生数据是否合理，有效辅助课堂实验教学。

图1 盐酸溶液的标定软件

另外，这些数据处理软件简单易编写，可让学有余力的同学自行设计编程，提高学生的学习兴趣，同时掌握编程技术，对化学实验的原理及数据，处理方法能够进一步理解，一举多得。

2 在虚拟仪器及虚拟实验方面的应用

虚拟仪器及虚拟实验室目前也已在部分高校建成使用，例如北京大学的考古虚拟仿真实验教学中心、南昌大学的医学虚拟仿真实验教学中心、广西大学的化学化工虚拟仿真实验教学中心等。虚拟实验指的是运用虚拟现实技术建立起来的模拟现实化学实验场景的实验，它集合了多种工具和技术的信息化、网络化功能[4]，与传统化学实验相比，虚拟化学实验具有显著的特点。

2.1 不受时间空间的限制

传统基础化学实验是在规定时间、特定实验室内完成实验项目的操作学习，而虚拟实验室在网络技术及云计算平台的支撑下，可同时容纳不限数量的学生同时进行实验学习。另外，实验时间也不限制，基础较弱的学生可以反复实验，加深对实验操作的感性认识和熟练程度。

2.2 不受仪器种类、数量限制

在传统基础化学实验教学中，由于受经费、场地等限制，一般只开设关于酸度计、分光光度计等仪器的相关实验，对于一些常用的大型仪器设备如液相色谱、气相色谱、原子吸收仪、热重分析仪等，由于这些设备价格昂贵、操作要求高、易损坏，一般不对基础化学实验的学生开放学习，但这些仪器却是在化学测试中最常用的，利用虚拟仪器技术完全可以解决上述问题。只要开发出对应的虚拟仪器设备，每位学生即可在计算机上大胆地进行各种操作设置，不断优化实验条件，不用担心因操作失误而导致仪器故障，直到熟练掌握该仪器的测量原理及操作方法。需要注意的是，虚拟仪器毕竟不同于实体仪器，最好是在虚拟仪器上熟练掌握操作流程后，再与实体仪器进行比对，这样就更能使学生加深印象，彻底掌握该仪器的使用方法。

2.3 实验安全性增大，零损耗、零污染、绿色环保

实验室安全是目前所有高校都十分重视的一个内容，在基础化学实验教学中，对于一些容易发生危险、需要使用大量危化品或者会产生大量有害废弃物的实验项目，可以用虚拟实验的方式来代替，例如，溴苯的制备实验中所使用的原料苯和液溴等对人体的造血系统都有很大程度的伤害，同时液溴也有很强的腐蚀性[5]；在制备4-硝基邻二甲苯的合成实验中，浓硝酸作为该反应的氧化剂，在反应过程中会放出大量对人体有害的二氧化氮气体[6]；在铵盐中氮含量测定实验中，会使用大量可使人体致癌的甲醛溶液[7]。像这类实验均可以虚拟实验的形式供学生学习，在保证学生掌握实验原理及操作方法的基础上，能极大避免基础化学实验教学中的安全事故，同时也能减少危化品使用量及危险废弃物的产生量，对环境及实验人员身体都有益处。

2.4 以学生为中心，激发学生的学习兴趣

传统基础化学实验教学中，学生实验操作主要是以实验老师的讲授以及课本内容为主，按部就班教学不利于学生创造性地发挥。虚拟实验主要采用自主学习的方式进行，充分发挥学生自身的主观性、能动性，在设置一些经典实验的基础上，还可以将最前沿、最先进的实验方法或实验技术也添加在选修虚拟实验当中，让学生自己摸索实验、设计实验、思考实验，带着问题进行实验，有利于创造性思维的培养。另外，虚拟实验技术可以结合多媒体技术，形象展示实验反应过程中微观的电子、原子、分子是如何相互作用从而产生一些宏观现象，让学生更能直观地感受到化学微观反应，加深对化学反应的理解，激发学生对化学实验学习的兴趣。

但虚拟仪器及虚拟实验目前也存在许多弊端，首先，虚拟实验基本都是在计算机上进行的操作，对学生动手能力的培养还远远达不到要求；其次，由于虚拟实验是已编设好的程序，不会像真实实验一样出现许多不确定因素，因此学生的实验数据单一，不利于提高学生对实验数据的分析能力；最后，由于虚拟仪器及虚拟实验开发人员的专业水平不同，市场上已开发的虚拟仪器及虚拟实验质量也良莠不齐，需要仔细甄别。

虚拟仪器及虚拟实验技术可以作为传统基础化学实验教学的补充工具，但并不能完全代替传统实验教学，相信随着虚拟化学实验技术发展和完善，在虚—实交互的基础化学实验教学模式下，会培养出更多符合未来社会需求的化学人才。

3 在网络化管理方面的应用

基础化学实验课程是面向本科一年级新生开设的技能训练类基础课程，采用大班轮流授课方式，学生人数众多，实验水平参差不齐，涉及全校各不同专业，管理难度大；另外，该门实验课程没有系统完整的考核方式，存在学生不重视、被动听课的现象。要改变基础化学实验课程目前的这种状况，有效途径之一是建立适合本校基础化学实验课程的网络信息管理平台，如图3 所示，该平台的建立可以通过网站、微信公众号、手机端App 等方式实现。在该平台上，建立环环相扣的“课前导学—设计实验内容—随堂测试—课中实时评价—课后电子报告”的实验流程，建立完善的考核制度，引起学生的重视，通过增加开放实验、趣味实验等措施，激发学生对化学实验的兴趣，由被动听课变为主动探索，使基础化学实验这门课程真正起到训练学生基本技能的教学目标。

图3 基础化学实验课程信息化管理平台示意图

3.1 课前预习

每位同学的基础不同，对新事物的接受能力不同，而课程时间集中，因此，实验课程开始之前的预习环节是十分必要的。在基础化学实验课程信息管理平台上，将每节实验项目的原理、实验方法、数据处理等整理成图文、动画或短视频形式，供学生观看预习。此外，还可以拓展实验的应用范围，增强实验与实际生活的联系，能够使学生学以致用，增强学生的学习兴趣。

3.2 设计实验内容

该环节主要针对综合性、设计性实验，例如在混合碱测定实验中，通过课前导学，使学生了解双指示剂法测定的原理，然后让学生自行设计实验方案并填写在该部分，在正式上课时，通过老师的进一步讲解得到答案或带着存在的问题到实验中进行探究，更深入理解双指示剂法测量的实验操作方法。通过这个环节，可以使学生养成独立深入思考的习惯，在以后科研实验设计时会考虑更加完善，有利于培养学生的创造性思维。对于一些基础型实验，可以在这部分提出关于实验中的一些细节问题，让学生带着问题去做实验，变被动听课为主动探索。

3.3 知识点测试

在实验课程管理平台上增加该环节，主要是为了检测学生对该实验项目的掌握程度，增强学生对实验的理解和印象，该部分成绩可按百分比计入最终的考核成绩中。

3.4 课中实时评价

在实验过程中，实验代课教师可以以语音的形式，对每位同学的操作以及对实验理解掌握程度作评价，并上传至实验信息管理平台，每位同学课后即可收到老师的点评。这个环节可以使学生清楚明白自己实验的不足之处，促进师生交流，激发学生对学习基础化学实验课程的兴趣。

3.5 课后电子报告

学生最终的实验报告以Word 文档的形式提交到实验信息管理平台，这样可以规范学生的报告格式，便于代课教师批阅与保存，教师批阅后，实验报告可及时反馈到学生端，学生能及时了解到自己实验报告情况。另外这种报告形式还可以训练学生对Word 文档、计算软件、绘图软件、数据处理软件的熟悉程度，为今后的学习打下坚实的基础。

3.6 实验考核

在实验信息化平台中可以加入基础化学实验考试题库，每学期末，参加该门课程学习的学生可在计算机上随机抽取部分题目进行作答，该部分成绩与电子报告成绩、随堂测试成绩、教师评价成绩按一定百分比组成学生最终实验成绩。信息化管理平台的建立，有利于学生每次成绩的记录与保存，使实验成绩更加公平公正。

3.7 增设开放实验

在基础化学实验信息管理平台上还可以增设一些前沿性、趣味性的开放实验，在不影响正常教学的条件下，供有兴趣的同学参与，激发学生内在学习动力，提高学习兴趣。

网络化基础化学实验教学管理平台的建立可以规范实验管理，提升实验教学效果，促进师生交流，是基础化学实验改革的有效方式之一。

计算机技术在基础化学实验教学中的应用并不止于此，还有许多，例如数据采集、计算模拟等应用在文中并没有提到。我们应当充分利用现有技术积极建立基础化学实验的网络教学平台，结合各种计算机技术，深入改革基础化学实验教学，以减少实验对环境的污染，降低化学实验对人体的伤害，减少有毒有害试剂的使用。将计算机技术与实验教学相结合可以有效提升实验教学效果，规范实验管理，不仅能使学生熟练掌握化学基本操作技能，同时还能激发学生学习兴趣，培养创造性思维，有利于学生全面发展。