基于虚拟实验仿真平台的肉桂酸制备教学优化

摘要

针对传统有机化学实验教学中装置复杂、安全风险高及教学效率低等问题，以MLabs Pro软件为载体，构建了肉桂酸制备的虚拟仿真教学模式。通过设置对照实验，对100名学生进行了量化统计分析。结果表明，实验组在操作准确率（92.4%）、关键参数控制（88.6%）及实验安全性（96.2%）等方面均显著优于传统教学对照组（P<0.01）。研究发现，虚拟实验通过提供零成本试错机会，实现了学生从“食谱式”操作向“探究式”思维的认知转变。

Graphical abstract

关键词

虚拟实验仿真平台 / 肉桂酸 / 实证研究 / 认知过程 / 量化分析

化学实验操作是中学化学的授课内容之一，旨在培养学生的实验操作能力、科学探究能力和创新思维。课堂实验教学中不完善的实验设备、实验安全隐患、实验效果差等一系列问题都会影响教学质量。虚拟实验平台正是解决课堂教学所存在的以上问题的有效工具，能够为学生搭建安全、可控、可重复的虚拟实验探究场景。中学生可通过虚拟平台进行化学实验操作，提高实验操作能力和问题解决能力^［1］。MLabs Pro软件具有仿真度高、互动性强、即时性等特点，是提高化学教师教学水平、培养学生科学素养的有效工具之一。笔者通过设计基于MLabs Pro的肉桂酸制备实验，探究其在化学课程实验教学中的应用，分析MLabs Pro软件对于提升学生化学核心素养的优势。

肉桂酸是常用的有机化学物质，在香料、食品、医药等领域有着广泛的应用。在传统的制备肉桂酸实验中，一般是苯丙烯酸与氧化剂反应，反应条件要求严格，反应装置复杂，所需实验材料过多^［2］。在实际教学过程中，常因操作不规范、实验条件不理想，实验容易失败。该实验不仅存在一定的实验安全隐患，还会造成教学资源的大量浪费。学生可通过MLabs Pro软件虚拟仿真多次进行实验，在不断尝试中感受实验环境无风险；同时，通过虚拟实验，学生能掌握实验的原理、完善实验的设计。尤其对于实验条件复杂的实验，虚拟仿真平台可以创设良好的实验环境，为学生提供更好的实验条件^［3］。

目前关于虚拟实验的研究多停留在描述性阶段。笔者通过设置实验组与对照组开展实验教学，量化分析虚拟实验对学生化学核心素养的影响，并探讨其对学生化学认知模式转变的作用。

1 制备肉桂酸的MLabs Pro虚拟实验仿真平台

MLabs Pro平台通过高度仿真的实验环境，解决了传统中学化学实验教学中设备不足、资源浪费及存在安全隐患等难题。该平台建构了集虚拟操作、动态记录与实时反馈于一体的教学模式，学生可通过模块化设置（如温度、浓度、压力等）精准模拟肉桂酸制备过程。平台不仅能实时记录反应进程数据，还具备智能纠错功能，能够针对学生的操作失误（如投料比例不当、控温异常等）即刻弹出改进建议，促使学生在“假设—验证—修正”的模式中掌握Perkin反应原理，将抽象的实验机理转化为直观的数据体验。

该平台建构了高仿真的“实验仿真、数据记录、即时指导”模块。在肉桂酸制备中，学生可自主设置反应温度（150~160 ℃）、浓度等关键变量，平台即时记录并以图表呈现产率波动，通过纠错弹窗，引导学生从被动操作转变为主动探究。虚拟实验教学也有效解决了在肉桂酸制备过程中实验试剂的消耗和危废品的处理等问题。

MLabs Pro虚拟实验平台在肉桂酸制备实验中的使用可以起到很好的教学作用。实验室肉桂酸的制备实验需要学生在高温、强酸、氧化剂的条件下进行操作，如果操作不当就容易造成实验失败。在虚拟实验中，学生可设置实验条件，观察反应过程。例如，学生在MLabs Pro平台上可根据需要改变苯甲醛、乙酸酐的含量，观察反应后的产物变化，同时平台能实时显示操作错误；学生通过平台实时显示的操作提示，能迅速发现实验中的操作问题并进行修正，同时结合平台显示的数据表格，对实验结果进行定量分析，找出影响反应产率的因素，可通过改变实验条件来改善反应。此外，虚拟平台还能帮助学生明晰反应原理。在虚拟实验教学过程中，学生可通过观察平台展示的数据、图表，对反应温度、反应物浓度等因素如何影响反应速度和产物产率有一个感性的认识。学生通过数据分析，能提升实验操作技能、科学思维能力和创新创造能力。

2 实验设计与操作步骤

2.1 实验原理

芳香醛和酸酐在碱性催化剂的作用下可以发生类似羟醛缩合的反应，生成α、β-不饱和芳香醛，这个反应称为Perkin反应（图1）。催化剂通常是相应酸酐的羧酸钾或钠盐，也可以用碳酸钾或叔胺。该反应的机理如图2所示。

反应过程受温度、反应物浓度、反应时间等因素的影响。通过MLabs Pro软件，学生可以利用虚拟仪器自由调整实验条件，观察反应的动态过程，并理解不同条件对反应产物的影响。

2.2 实验装置与材料

虚拟平台：MLabs Pro软件。

仪器：空气冷凝管、圆底烧瓶、电热套、循环水真空泵等。

药品：碳酸钾、苯甲醛、乙酸酐、浓盐酸、饱和碳酸钠溶液。

实验装置：水蒸气蒸馏装置见图3。

2.3 操作步骤

在MLabs Pro软件中按以下步骤进行模拟实验。

（1） 在干燥的50 mL圆底烧瓶中，加入3 g无水碳酸钾粉末、3 mL新蒸馏过的苯甲醛和5.5 mL乙酸酐，振荡混合。

（2） 在烧瓶上口安装一支二口连接管，正口装一支250 ℃温度计，水银球插入反应混合物液面以下（不碰到瓶底），侧口装配空气冷凝管，加热回流1 h，反应液温度保持在150~160 ℃。

（3） 将反应混合物趁热（120 ℃左右）倒入盛有20 mL热水的250 mL圆底烧瓶内。用20 mL热水分两次洗涤原烧瓶，洗涤液也并入烧瓶内。一边充分摇动烧瓶，一边慢慢地加入饱和碳酸钠溶液，直到反应混合物呈弱碱性。 （4） 进行水蒸气蒸馏，直到流出液中无油滴为止。

（5） 在剩余液体中加入少量活性炭，加热煮沸10 min，趁热过滤。

（6） 将滤液小心地用浓盐酸酸化，使其显酸性，再用冰水浴冷却。待肉桂酸完全析出后，减压过滤。晶体用少量水洗涤，挤压去除水分，在100 ℃下干燥后称重。

3 教学实验设计与结果量化分析

为了验证MLabs Pro平台的教学有效性，笔者选取长沙市南雅中学高二年级两个平行班（各50人）开展对比实验。对照组：采用“教师讲授+演示实验+实验室分组操作”模式。实验组：在进入实验室前，先利用MLabs Pro平台进行为期2课时的虚拟演练。

3.1 量化统计结果

研究采用百分制评分法，由两名资深教师进行盲审评分。利用SPSS 26.0进行独立样本t检验，数据见表1。

由表1可知，实验组在各项指标上均表现出显著性差异（P<0.01）。尤其是关键控温环节，传统组因操作生疏易导致副反应发生，而实验组通过虚拟平台的即时反馈，预先内化了温度调节的动态平衡，证明了虚拟演练对技能迁移的显著促进作用。

为量化评价虚拟教学效果，笔者对实验组学生进行了匿名问卷调查（图4）。

如图4所示，学生在“实时纠错”与“降低焦虑”两个维度上表现出极高的认同度（均分>4.6），表明虚拟平台作为实验室的“先行导引”，有效地帮助学生克服有机化学实验初期的畏难情绪，实现了从“机械操作”向“原理理解”的过渡。

为深入了解学生模拟练习效果，笔者对实验组学生的操作尝试次数与考核得分之间的关系进行了探讨（图5）。

由图5可知，通过对平台练习数据与结课实验考核得分的回归分析发现，学生的实验表现随练习次数增加呈显著正相关（r=0.784）。特别是当练习达到3次后，得分稳定性呈现质的提升。这证实MLabs Pro平台通过“数据反馈—认知修正”的模式，能有效帮助学生掌握Perkin反应的温控规律，让学生在真实实验中精准控制反应过程。

3.2 认知过程与思维模式的转变分析

虚拟实验不仅是工具的更替，更是对学生认知结构的重塑。

（1） 从“食谱式模仿”向“预测—验证”转变。在传统实验中，学生常盲目跟随教材步骤。MLabs Pro平台通过可视化数据曲线，引导学生主动思考“如果不回流1 h会怎样？”这种零成本的试错激发了学生的批判性思维。

（2） 认知负荷的有效优化。肉桂酸实验装置涉及水蒸气蒸馏、减压过滤等多个复杂环节。虚拟平台通过“认知支架”将复杂任务分解，学生就能优先将认知资源投入Perkin反应的化学原理理解中，显著降低初学者的外在认知负荷。

3.3 实验操作技能的提高

采用MLabs Pro软件，在不接触真正的化学药品的情况下可以多次进行试验，锻炼了学生的动手能力。教学效果表明，学生通过虚拟操作平台，提高了实验操作的正确性和熟练度^［4］。

3.4 数据分析与反应优化

通过虚拟实验可以改变实验条件，获得动态的实验结果，比如可以通过改变肉桂酸制备实验的反应温度、反应物浓度等条件，观察平台中显示的实时数据，如反应速率、产率等，学生了解实验过程，更好地完成实验，提高实验效率。虚拟实验让学生直观且深刻地体会到不同反应条件对实验结果的影响，从而对实验进行优化。

3.5 学生反馈与教学影响

通过问卷调查以及访谈，学生一致认为虚拟实验平台能帮助他们进一步明确实验步骤，特别是具体的操作方法以及数据计算方法；认为虚拟实验场景能给他们提供更多实验操练的机会，克服了原来做实验的紧张心理，增加了自信心。此外，通过平台及时的反馈，学生在做实验时能够及时修正错误，增加了实验的真实感。

4 虚拟实验对学生化学核心素养的促进作用

4.1 提升科学探究能力与创新能力

虚拟平台的“零成本试错”功能极大地激发了学生的探究兴趣。例如，某学生在常规实验中曾因未能精准把控反应温度，产物析出失败。在MLabs Pro中，该学生通过自主调整温度，发现当温度波动超出160 ℃时，产物颜色显著加深且伴有副产物生成。此后，他主动提出在实验装置中添加防喷溅和冷凝液体，改进方案，证明虚拟实验不仅是“练习”，更是学生基于数据分析的实验创新的灵感来源。

4.2 提升批判性思维和数据分析能力

虚拟实验平台能进一步完善对实验设计与结果的描述，培养学生批判性思维和解决实际问题的能力，特别是学生分析数据以及优化设计实验等更加规范、有秩序^［5］。有学生在课后表示，通过平台展示的实时温度/产率折线图，他们清晰地看到控温在150~160 ℃时产物产率的峰值发生了变化，从而更深刻地理解了Perkin反应的动力学规律。这种将数据与原理相结合的体验，使得学生告别了“照方抓药”的盲从，学会通过数据偏差进行反思，形成了批判性的科学思维。

4.3 提升信息素养与科技素养

学生借助MLabs Pro软件，接触大量的数字化工具，会利用信息技术等进行平台实验设计、平台实验记录、平台实验结果计算分析等数字化内容的学习与实验，不仅提高了学生的信息素养水平，而且培养了学生对现代科学技术的应用能力^［6］。通过平台自动生成的实验报告，学生不仅记录了实验结果，还学会了导出数据表格进行实验数据分析。实例表明，学生能够根据软件生成的“产率-温度关系图”自主总结出Perkin反应最佳的温控区间。利用数字化工具处理复杂化学数据能力的提升，体现了学生从“化学实验者”到“数据分析者”的身份转换。

5 结论与展望

5.1 实证研究总结

笔者通过在肉桂酸制备教学中引入MLabs Pro虚拟仿真平台，并开展量化对比实验，证实了虚拟仿真技术在化学教学中的显著优势。统计数据表明，实验组学生在复杂实验装置搭建、关键工艺参数（如Perkin反应控温）的精准把握以及实验室安全操作规程的执行上，均显著优于传统教学组（P<0.01）。这有力地证明了虚拟实验在辅助学生内化程序性知识、提升实验迁移能力方面具有极高的实证价值，弥补了传统课堂“一次性操作”导致认知碎片化的不足。

5.2 认知过程与思维模式的重塑

笔者深入探讨了虚拟实验对学生认知逻辑的影响。MLabs Pro平台通过即时反馈机制与零成本试错环境相结合，成功促进了学生思维模式的深层转变。

（1） 认知路径的优化。学生从机械执行步骤的“浅层学习”转向了基于数据预测与验证的“深度学习”，有效降低了面对复杂有机合成实验时的外在认知负荷。

（2） 科学探究素养的养成。在将肉桂酸合成的虚拟实验过程中，微观机理与宏观数据互联，使学生的思维从简单的“现象描述”跃迁至“机理探究”与“条件优化”，初步具备了科研工作者的批判性思维。

5.3 教学范式的创新与意义

虚拟实验室并非对传统实验室的替代，而是对其功能边界的有力扩展。它解决了中学有机化学实验中高风险、高成本、耗时长等痛点，为化学核心素养的落地提供了可操作的数字化支架。这种“虚实结合、以虚促实”的教学范式，能够精准补齐学生在实验设计能力上的短板。

5.4 不足与未来展望

尽管笔者取得了积极的量化成果，但在模拟真实环境中的触觉反馈、精细化操作、感官体验等方面，虚拟平台仍有提升空间。未来的研究将进一步探索人工智能（AI）与虚拟仿真实验的深度融合，利用大数据分析学生的实时操作序列，从而提供更具个性化的教学干预。同时，笔者将进一步拓展虚拟实验在微型化学实验及绿色化学教学中的应用，为中学化学教学改革提供更具科学性的实证依据与技术支撑。

参考文献

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