“有机功能材料与器件”课程实验教学模式初探.pdf

108 第 25 卷第 3 期遵义师范学院学报2023 年 6 月实验教学是高等院校教学的重要组成部分，在塑造大学生认知、培养学生动手能力和提升学生综合素质等方面发挥着不可或缺的作用1。对课程“有机功能材料与器件”而言，开展功能材料的实验合成和器件制备研究是学生认识器件性能与有机功能材料之间逻辑关系的关键一环，因此如何开展好该课程的实验教学显得尤为重要。随着教学改革的不断深入，实验教学在运用传统教学模式的基础上已经逐渐融合各种新型教学方法和手段2-4，这样不仅可以弥补传统教学模式的不足，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量。为提升“有机功能材料与器件”课程的实验教学效果，作者将参与式教学设计、虚拟仿真实验教学平台等新兴教学方法引入进来，通过创新教学模式，调动学生实验积极性，提高了实验教学效果，实现了学生综合能力的提升。收稿日期：2022-10-12基金项目：中国博士后科学基金面上项目（2022M711684）；江苏省高校自然科学研究面上项目（22KJB430036）；南京邮电大学校级自然科学基金项目（NY221084）作者简介：曹洪涛，男，河南扶沟县人，南京邮电大学材料科学与工程学院讲师，博士。主要研究方向：有机功能材料与器件。“有机功能材料与器件”课程实验教学模式初探曹洪涛1a，解令海1b，朱彬2（1.南京邮电大学a.材料科学与工程学院；b.化学与生命科学学院，江苏南京210023；2.遵义师范学院化学化工学院，贵州 遵义563006）摘要：有机功能材料与器件是化学、材料化学、材料物理等专业的一门专业选修课，它对培养研究型人才和激发学生创造力具有重要支撑作用。为提升该课程的教学效果，作者根据当前课程教学模式发展的特点，将新的教学方法（如参与式教学、虚拟仿真实验教学平台）引入课程教学中，建立了“以学生为中心”“虚实互促”融合的实验教学模式。通过新教学模式的实践，有效激发了学生的学习兴趣和实验积极性，提高了教学效果，进一步提升了学生的综合能力。关键词：实验教学；参与式法；虚拟仿真中图分类号：G652文献标识码：A文章编号：1009-3583（2023）-0108-03PreliminaryExplorationofExperimentalTeachingModeintheCourse of“Organic Functional Materials and Devices”CAO Hong-tao1a,XIE Ling-hai1b,ZHU Bin2（a.College ofMaterials Science and Engineering;b.College ofChemistry and Life Sciences,Nanjing University ofPosts&Telecommuni-cations,Nanjing 210023,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Zunyi Normal University,Zunyi 563006,China）The course“Organic Functional Materials and Devices”is a professional elective course for chemistry,material chemistry,material physics and other related majors,playing a vital supporting role in training research talents and stimulating students creativity.Investigating and summarizing the teaching mode is important for improving the teaching effect of“Functional Organic Materials andDevices”.In this course,two novel teaching methods,namely participatory teaching design and virtual simulation experiment teaching,are introduced based on analysis ofthe currentdevelopmentcharacteristicsofcourse-teaching mode.As aresult,aspecialteaching modepossessing“student-centered”and“virtual-real inter-promoted”character is successfully established.Subsequently,this teaching modeis adopted and perfected,which stimulates students interest in course-learning and activeness in experiment-operating together withimproving the teaching effect and enhancing students comprehensive ability.experimental teaching;participatory method;virtual simulation第 25 卷第 3 期2023 年 6 月遵义师范学院学报Journal of Zunyi Normal UniversityVol.25,No.3Jun.2023 109 1“有机功能材料与器件”传统教学模式传统的“有机功能材料与器件”课程实验教学模式（图 1），往往以教师为中心来开展教学，教师从完成教学任务角度出发，向学生讲授大纲知识点，布置相关作业，完成相应考核。这样的教学模式意味着学生的学习是机械式的学习，缺少“自我感”和“主人翁”精神。另外，在传统的实验教学模式中，教师往往会选择一些容易操作的实验来供学生完成，而对一些难度大、危险性高、成本昂贵的实验则尽量避免。这种教学模式会造成学生在实验认知上存在一定的局限性，对实验原理产生模糊认识，实验操作不熟练，实验兴趣不高。例如，该课程在介绍有机功能材料的设计规则时，需要学生从微观的角度来认识器件性能与材料结构之间的关系，从而更好地把握分子结构设计需要考虑的因素5；另外，器件制备过程中需要对其工作原理有着清晰的认知，以便更好地控制操作工艺。然而传统的实验教学模式，学生往往对实验原理和操作方法理解不够深入，实验效果不佳。因此，改革传统教学模式势在必行。图 1“有机功能材料与器件”传统教学模式2“有机功能材料与器件”新型教学模式为解决传统实验教学模式存在的问题，我们根据当前课程教学模式的发展趋势与特点，将“参与式教学”6与“虚拟仿真教学”7方法引入“有机功能材料与器件”的实验教学中，构建了该课程的新型教学模式（图 2）。在新的教学模式中，教师更加注重学生的参与，学生可以自主选择实验知识点进行自我学习，从而牢记知识点，构建了“以学生为中心”的教学图 2“有机功能材料与器件”新型实验教学模式模式；同时，借助“虚拟仿真技术”平台，学生自主选择反应条件和路线进行实验，让学生理解和掌握功能材料设计与合成的方法，构建了“虚实互助”的实验教学模式。两种模式协调使用，统筹推进，更好地提升了该课程的教学效果。2.1 参与式教学“以学生为中心”模式参与式教学是教师在实验教学中引导学生以“主人翁”的精神参与课程的学习和讲授，学生能更好地理解实验内容，并将知识点和技能传授给其他学生，是一种新型“协作式”的学习方式8。在这种模式下，学生可以参与实验设计，完成实验并对实验效果进行评价，通过与教师的沟通和交流，实现对知识点的深层次理解，也进一步融洽了师生关系3，调动了学生学习的积极性，吸引更多的学生参与实验教学，培养了实验兴趣，提升了综合能力。“有机功能材料与器件”实验教学分为功能材料设计合成与器件制备两部分。为了让学生更好地理解有机分子的功能特性，需要讲授功能材料特性与分子结构的关系，要求学生掌握有机功能材料的分子设计与合成。在传统教学中，教师多以“填鸭式”的教学方法讲授不同功能分子的结构特点与合成方法，学生死记硬背知识点，学生厌倦这样的实验教学方法，教学效果不好。参与式教学法的引进，让学生感觉到实验课堂“焕然一新”。首先，学生可以根据自己对有机功能材料的认知，选择不同功能的分子来进行结构分析；其次，学生可以根据分子的结构特点，选择不同的设计方法和合成路线；再次，学生之间相互交流学习，相互传授知识点和技能，可以起到巩固知识、发现自身薄弱环节的作用，更好地理解有机功能材料的分曹洪涛等 “有机功能材料与器件”课程实验教学模式初探 110 第 25 卷第 3 期遵义师范学院学报2023 年 6 月子设计原则和合成方法。总之，以学生为中心的教学模式能更好地让学生参与教学。通过课程作业和最终考评发现，使用参与式教学法后，学生对合成设计中的官能团选择有了更深刻的理解（如发光分子增色团的识别，延迟荧光分子常用官能团的选择等），掌握了常见光电功能材料的经典合成方法（如傅克反应、铃木偶联反应等）。另外，学生对一些功能材料的“明星分子”（如四苯乙烯、并五苯、卟啉等）和有趣光电现象（如聚集诱导发光、光致变色等）有了深刻的认识，更好地调动了学生的学习积极性，达到了预期的教学目标。2.2 虚拟仿真实验教学“虚实互促”模式虚拟仿真实验教学是指借助计算机、信息技术等手段来搭建虚拟的实验，让学生在仿真的环境中选择实验内容，通过计算机仿真技术获得实验数据和结果2。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验可由计算机生成实时动态、效果逼真的三维立体图像，给学生呈现生动形象的图片和操作过程，使得深奥难懂的名词概念和实验原理变得一目了然，大幅降低了学生理解的难度，使学生注意力更加集中。有机化学反应一般具有操作复杂、危险性高、反应时间长等特点，需要学生具有扎实的实验功底和操作技能。因此，虚拟仿真实验教学平台的引入可以实现无人值守，降低事故率，解决有机化学反应时间长等问题。再者，虚拟仿真平台可以向学生传递前沿的知识理念和新型的实验技术，可以更好地贯彻落实国家“双一流”建设部署，进而推动学科交叉融合发展，满足国家对复合型、创新型人才的需求。课程“有机功能材料与器件”的教学重点之一是探究功能型有机化合物的合成方法，借助虚拟仿真实验教学平台实现教学目标。以课程中螺芴氧杂蒽（spirofluorene-9,9-xanthene,SFX）型光电材料的合成分析为例，引入虚拟仿真教学法，构建了“傅克反应-螺芴氧杂蒽（SFX）的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学模式（图 3）。该教学模式主要通过演示实验让学生了解实验原理（图3a）；通过基础实验训练学生基本操作；通过图 3 SFX 一锅法合成的虚拟仿真实验教学模式拓展实验培养学生创新思维能力；通过应用实验让学生学以致用；通过数据分析让学生了解实验过程中所存在的薄弱环节，以便今后加以改进。实际操作时，学生应用计算机搭建实验装置（图3b），经过药品称量、药品投料、引发反应、停止反应等步骤完成SFX的一锅法合成反应（图 3c）；最后产品经初步分离提纯、薄层色谱检测、硅胶柱色谱分离、样品收集，完成整个实验的虚拟仿真过程。通过搭建虚拟实验装置，学生学会了选取合适的烧瓶、冷凝管、铁架台等实验仪器，懂得了仪器的连接必须紧密，不能漏气；通过虚拟称量药品，学生掌握了电子天平的使用方法，掌握了称量操作的注意事项；通过虚拟引发反应和终止反应，学生不仅学会了傅克-一锅法反应的机理，而且学会了反应进度的监控；通过分离提纯虚拟操作，学生掌握了萃取、过滤等基本操作和实验技术；通过薄层色谱虚拟操作，学生学会了如何判断产物的生成；通过柱色谱虚拟操作，学生知道了柱色谱是分离、提纯有机化合物的重要方法，掌握了柱色谱洗脱剂的选择方法；最后通过样品的虚拟收集，学生掌握了重结晶操作的技巧，评估了自己总体的实验效果。从以上分析来看，虚拟实验操作达到了类似真实实验的操作训练效果，实现了“虚实互促”的教学目的。通过开放虚拟仿真实验室，学生学会了自主探寻新有机合成反应的反应条件，提高了实验产率；学生通过作图分析每一次的实验结果以及与同组其他同学的实验结果进行比较，就能评估出自己的实验方案是否合理、实验效果是否良好；教师通过虚拟仿真教学大数据分析，就可以迅速掌握学生在实验中存在的薄弱环节，为后期的教学（下转 127 页）127 化设备尤其是移动教学平台使用技能，提升教师利用移动教学平台促进育人效果的能力6。激励教师在教学环节合理运用定量、定性的表格和图表，增强资源可视化，适当增加课堂的趣味性，以轻直播、虚拟技术等高度信息化手段开展养老服务技能实践教学活动，充分促进学生的互动交流。帮助学生进一步明确自身需求，充分调动积极性和主动性，克服工学矛盾，努力提升理论知识、人文素养和实践技能，从而增强整体素养，缓解工作压力，适应新时代对养老护理人员的高质量需求。二是政府和相关养老机构建立健全在职养老护理人员的激励机制，努力完善人才激励政策。建议建立基于岗位价值、能力素质、业绩贡献的工资分配机制，也可将行业紧缺、高技能的养老服务从业人员纳入人才落户、积分落户、市民待遇等政策范围内，从而引导激励养老护理服务人员积极提升学历，获得职业技能等级证书7。“老年人服务与管理”专业建设和教育模式的不断优化改进，目的在于培养更多的专业技能型一线养老护理人员，为构建和完善兜底性、普惠型、多样化的养老服务体系，缓解老年人对于优质养老服务的迫切需求和不平衡不充分的服务供给之间的矛盾，为新时代养老服务事业的发展作出教育工作者的贡献。参考文献：1张佩,杨庆爱，王桂云.国外老年护理服务体系带来的启发J.护理研究,2014,28(10):3462-3463.2吴岸晶.加拿大养老现状及老年护理人才培养对我国护理教育的启示J.全科护理,2016,14(11):1176-1178.3梁珣,徐利云，周楠.德国老年护理教育现状及思考J.中国实用护理杂志,2016,32(6):460-462.4央视新闻.至少 200 万人才缺口 养老护理员职业发展如何破局EB/OL.（2021-12-07）2022-03-07.https:/ 110 页）提供数据参考。此外，我们将“傅克反应-螺芴氧杂蒽（SFX）的一锅法串联反应虚拟仿真合成”教学平台在全国进行了推广，获得了许多高校师生（如南京工业大学、福建师范大学、遵义师范学院等）高度认可与积极评价。3 结语本文针对“有机功能材料与器件”课程实验教学模式进行了简要的探索与研究，以“有机功能材料的合成”为对象，引入了“参与式教学法”和“虚拟仿真实验教学平台”，形成了“以学生为中心”-“虚实互促”融合的实验教学模式。“参与式教学法”的引入使学生更自觉地参与实验课程的学习，增强了师生间的交流互动，实现了对实验教学内容的更深层次理解。“虚拟仿真实验教学平台”的引入激发了学生做实验的兴趣，提升了学生的动手能力和综合素质。通过两种教学模式的有机融合，提升了实验教学效果，培养了创新型人才。参考文献：1徐竟成.环境学科实验教学的创新与发展M.北京:高等教育出版社,2016.2罗海健,魏熙宇,云慧,等.基于虚拟仿真的固体废物处理与处置实验教学J.实验室科学,2021,24(6):104-107.3熊非,习长城,安雅睿,等.参与式教学法在有机化学实验课程教学中的应用J.实验室科学,2021,24(1):110-112.4王琳,王可帆,李亚伟.基于知识构建的翻转课堂教学方法J.山西财经大学学报,2022,44(S1):130-133.5冯全友,解令海.有机功能材料与器件课程教学改革初探J.科技视界,2018(9):159-1606张广兵.参与式教学设计研究D.重庆:西南大学,20097封居强,张燕,黄凯峰,等.虚拟仿真技术在“自动控制原理”教学中的应用J.遵义师范学院学报,2021,23(6):101-1048江忠远,朱彬.在中学化学教学中培养学生合作意识J.遵义师范学院学报,2022,24(1):149-151（责任编辑：朱彬）梁静涛 移动教学平台用于在职养老护理人员培养的应用研究