大型分析儀器實驗精準(zhǔn)教學(xué)體系建設(shè)與實踐

叢培盛， 柴曉蘭， 朱仲良， 鄧子峰

(同濟大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

大型分析儀器實驗精準(zhǔn)教學(xué)體系建設(shè)與實踐

叢培盛， 柴曉蘭， 朱仲良， 鄧子峰

(同濟大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

為解決大型實驗儀器教學(xué)中儀器少、場地狹小、學(xué)生人數(shù)多的問題，達到提高儀器實驗教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力的目的，提出“理論理解—微課建設(shè)—精準(zhǔn)深化—自測驗證—創(chuàng)新提高”的精準(zhǔn)教學(xué)法，并通過建設(shè)相應(yīng)的教學(xué)管理網(wǎng)站(http://cal.#edu.cn/chemweb)予以實現(xiàn)，實現(xiàn)了儀器實驗教學(xué)的全過程管理，對學(xué)生從技能培養(yǎng)向思維過程培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變起到推動作用。這種教學(xué)管理模式可實現(xiàn)：①保證實驗關(guān)鍵知識點的普及；②保證大型儀器實驗課的有效開展；③有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提高求知欲和創(chuàng)新能力；④為學(xué)生的成績評定提供了全過程的數(shù)據(jù)支撐。

精準(zhǔn)教學(xué)； 創(chuàng)新能力； 全過程管理； 微課

0 引 言

大型儀器分析實驗受場地、數(shù)量、價格等限制，在高校中順暢開展高質(zhì)量教學(xué)不易。但由于大型分析儀器集化學(xué)原理、前沿測量技術(shù)、計算機自動化于一身，是材料、化學(xué)、藥物、生物、環(huán)境等學(xué)科的重要檢測驗證手段，所以廣受重視。為提高學(xué)生的實踐、科研創(chuàng)新能力，近20年來，為適應(yīng)社會發(fā)展的需要，我國很多高校進行了大量的投資，購進了大量的大型分析檢測儀器。雖然硬件跟上國際步伐，但相應(yīng)的管理制度、教學(xué)模式?jīng)]有完全跟上。常見的現(xiàn)象是，很多先進儀器購進高校后，在實驗教學(xué)中的作用只是用來給學(xué)生作演示，學(xué)生操作很少，而且除了實驗教學(xué)課外，學(xué)生幾乎再難接觸儀器。由于儀器少，學(xué)生多，空間狹小，上課時往往只有前排學(xué)生看清教師的具體操作過程，導(dǎo)致大型儀器實驗變成了一個走馬觀花的過程，學(xué)生很難掌握儀器的詳細(xì)操作，更別提熟練應(yīng)用及創(chuàng)新。

美籍科學(xué)家倪軍接受“實驗室研究與探索”雜志的采訪，在談?wù)撝忻澜逃牟町悤r談到[1]，中美一流大學(xué)的生源素質(zhì)差異不大，但本科4年后，兩者的差距就被拉大了，這種差距主要表現(xiàn)在，我國畢業(yè)生動手能力、創(chuàng)新能力較差，欠缺解決問題的實際能力。但這種能力又很難僅通過課堂教學(xué)獲得，需要通過加強實驗教學(xué)來補充。

我國高校在近20年的教學(xué)改革中非常強調(diào)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2-4]，基于信息化手段改進教學(xué)法[5]、建設(shè)電子教學(xué)資源是很多教育工作者采取的主要策略[6-8]。歐美高校在創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)策略上都特別重視實驗技能的培養(yǎng)[9]，在我國高等教育深化改革、提升學(xué)生創(chuàng)新能力的實施過程中，理工各學(xué)科都在強調(diào)實踐技能培養(yǎng)，提出了多種強化實驗的教學(xué)模式[10-15], 高效教學(xué)的實現(xiàn)手段[16]，值得我們借鑒并在實驗教學(xué)勇于開拓實踐。與之相適應(yīng)的是，在我國，企業(yè)對化學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生的大型分析儀器操作能力提出了越來越高的要求。從近10多年來我?；瘜W(xué)系本科、碩士畢業(yè)生的就業(yè)去向來看，熟練掌握操作大型分析儀器是非常受企業(yè)歡迎的一項基本技能。因此，大學(xué)化學(xué)專業(yè)儀器分析實驗教學(xué)的改革就變得非常迫切。

1 精準(zhǔn)教學(xué)體系的實現(xiàn)

1.1 微課建設(shè)，提高儀器使用效率

如何在狹小的空間、有限的儀器數(shù)量、學(xué)生人數(shù)多、教學(xué)課時不多的情況下，圓滿完成實驗教學(xué)任務(wù)？最傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，采用學(xué)生圍繞教師，在儀器前講解的方式，學(xué)生實驗前感性認(rèn)識少，實驗中進展效率低。也有部分高校采用了視頻教學(xué)方式，讓學(xué)生事先預(yù)習(xí)，但視頻往往都較長、缺乏精準(zhǔn)度，觀看時容易走神，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。而且缺乏針對教學(xué)視頻交互手段，無法多方面收集教師、學(xué)生的意見等，這是需要進行教學(xué)改革的部分。所謂精準(zhǔn)教學(xué)，是指在上述條件不變的情況下，采用有效的技術(shù)和過程監(jiān)督手段，高效率地完成實驗教學(xué)。我們采取的策略是：將整個實驗劃分為3～5個片段，每個片段針對一個小主題，制作成3～5 min的短視頻，使學(xué)生可以精準(zhǔn)掌握每個步驟的操作要點，提高學(xué)習(xí)效率。

精準(zhǔn)教學(xué)模式使學(xué)生在時間花費大大減少的情況下快速掌握實驗要領(lǐng)，保證實驗進行時，每個學(xué)生都以較高的效率操作儀器，達到提高儀器使用率的目的。以一臺大型光譜分析儀器ICP-AES(電感耦合等離子體)為例，實驗過程表明，在一次安排9名學(xué)生的情況下，2 h內(nèi)可保證每位學(xué)生都親自動手實際操作儀器，鍛煉動手能力，加深對實驗的理解。

1.2 實現(xiàn)過程管理，保障實驗順利展開

儀器實驗教學(xué)能否順利進行的一些很重要因素，包括學(xué)生對實驗原理的理解、對儀器操作的感性認(rèn)識、對實驗?zāi)康暮鸵蟮幕纠斫狻＞珳?zhǔn)教學(xué)為順利開展實驗教學(xué)提供了必要條件，但要保障實驗教學(xué)有質(zhì)有量，還必須有相應(yīng)的管理措施。關(guān)鍵在于，教師如何督促學(xué)生進行自主性學(xué)習(xí)、如何發(fā)現(xiàn)學(xué)生進行了自主性學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)的質(zhì)量又如何？為了達到該目的，利用信息化教學(xué)跨地域、時域、快捷特點，在信息化教學(xué)平臺中建立了題庫管理系統(tǒng)、出題系統(tǒng)、微課學(xué)習(xí)統(tǒng)計、自主測試自動閱卷的過程管理系統(tǒng)。在實驗進行的前一周，教師通過教學(xué)網(wǎng)站下達微課預(yù)習(xí)及自測指令。學(xué)生通過實驗講義、微課的學(xué)習(xí)后可以自行測試自己對實驗的掌握情況，并完成教師布置的小測驗。在進入實驗室后，教師可以一鍵式查閱學(xué)生微課的學(xué)習(xí)次數(shù)、學(xué)習(xí)時間、實驗內(nèi)容測試是否完成、何時完成及得分情況。將這些具體的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)化，作為學(xué)生實驗課程成績考評的一部分。這種過程管理制度，使教師能夠很好地掌握了學(xué)生的實驗自主預(yù)習(xí)情況，學(xué)生課前預(yù)習(xí)的習(xí)慣逐步養(yǎng)成，保證了實驗的順利開展。

1.3 自主開放實驗，提高創(chuàng)新能力

在教學(xué)安排中，通過學(xué)期的前12周儀器實驗教學(xué)，學(xué)生基本掌握了教學(xué)規(guī)定的各種大型儀器的用途、實驗原理、操作技巧等內(nèi)容。但這些規(guī)定的實驗內(nèi)容，都是經(jīng)教師嚴(yán)密設(shè)計，適合鍛煉學(xué)生的實驗操作技能。學(xué)生的實驗過程，是一種對實驗設(shè)計的簡單重復(fù)，難以增強學(xué)生對實驗的深刻理解、提高創(chuàng)新能力。

提高學(xué)生協(xié)作、創(chuàng)新能力的有效方式是讓學(xué)生根據(jù)自己掌握的知識去解決身邊常見的實際化學(xué)分析問題。為此，安排每個教學(xué)學(xué)期的最后4周，作為學(xué)生自主開放實驗周。在這期間，學(xué)生通過自由組合，形成一個小組，自定實驗主題，選擇學(xué)期實驗課中的一種大型儀器展開實驗分析，方案經(jīng)任課教師認(rèn)可后即可實施。這是一種充滿趣味、生活結(jié)合實驗課程的學(xué)習(xí)方式，深受學(xué)生們的好評。多年來，同學(xué)們將自己生活中化學(xué)分析的主題幾乎挖盡了，包括同濟校園內(nèi)“三好塢”水、“四平路”土壤中重金屬離子的測定；各種花草香氣成分的測定；不同品牌茶葉香氣成份測定；蔬菜農(nóng)殘熒光光譜的測定、寶石礦物的成分的拉曼光譜測定，等等，都成了學(xué)生實驗主題。在這些自主實驗中，往往會碰到實驗教學(xué)中想象不到的困難，與教學(xué)安排中的情形完全不同。解決這些困難，需要實驗小組自行查閱相關(guān)文獻、摸索實驗條件、完成數(shù)據(jù)分析，因而對學(xué)生解決實際問題能力的鍛煉非常有效。部分學(xué)生由此而喜愛上了儀器分析，成為指定儀器的小專家。

1.4 微課競賽，提高對儀器操作的理解

微課在實驗精準(zhǔn)教學(xué)中起到了非常重要的作用，他可使實驗教學(xué)的質(zhì)量長期保持穩(wěn)定，不會因為任課教師的變動、上課時點變化而產(chǎn)生較大波動。但微課的建設(shè)費時且需要視頻制作的技術(shù)和經(jīng)驗，雖然教師對課程的理解及教學(xué)上的思考比學(xué)生精準(zhǔn)的多，但卻不一定能制作出優(yōu)質(zhì)的微課。學(xué)生思維活躍、激情，充滿時代氣息，在經(jīng)過實驗培訓(xùn)及自選實驗的磨練后，完全有能力根據(jù)實驗的課程要求制作出優(yōu)良的精準(zhǔn)微課?；诖?，每年實驗教學(xué)完畢后，發(fā)動學(xué)生參與大型儀器實驗的微課建設(shè)成為同濟大學(xué)化學(xué)系一項必備項目。通過這樣的比賽，我們較快、較高質(zhì)量地建立了各種大型儀器實驗微課，包括拉曼光譜、氣(液)相色譜、熒光光譜、電感耦合等離子體、安捷倫紫外光譜計等大型實驗儀器。

微課的建設(shè)，對學(xué)生而言是一個再鍛煉的過程。因為建設(shè)優(yōu)秀的微課，前提就是對儀器的操作要求達到非常熟練的程度，對儀器操作的每個細(xì)節(jié)、先后次序、故障處理都有深刻的理解。所以，這樣的比賽很自然地就起到了提高學(xué)生對儀器操作理解的目的。

2 精準(zhǔn)教學(xué)體系的保障

2.1 加強信息化建設(shè)，為精準(zhǔn)實驗教學(xué)提供數(shù)據(jù)支撐

高效精準(zhǔn)實驗教學(xué)，離不開信息化管理的支持?；诙嗄陙碓谛畔⒒虒W(xué)開發(fā)中積累的經(jīng)驗，建設(shè)了信息化管理平臺(http://cal.#edu.cn/chemweb)。開發(fā)系統(tǒng)采用免費開源的Web服務(wù)器Tomcat，Struts體系結(jié)構(gòu)，非常容易在Windows系統(tǒng)中部署并在各高校實驗教學(xué)中推廣。系統(tǒng)提供了微課管理、播放跟蹤、對微課的討論評價、各實驗的題庫管理、出卷系統(tǒng)、基于序列比對的自動閱卷系統(tǒng)、基于各種過程數(shù)據(jù)的查詢系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的各組成部分見圖1。信息化系統(tǒng)保證了教師對教學(xué)過程的快速跟蹤。在平臺的支持下，教師可以很方便地查閱學(xué)生參與實驗討論、自測得分、微課的訪問、實驗測試得分、實驗報告的提交及評閱意見等多方位的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，在實驗課程開展的課堂中，教師都可以通過校園網(wǎng)立即查詢得到，有效地保證了實驗教學(xué)的嚴(yán)密性。

圖1 精準(zhǔn)教學(xué)信息化平臺系統(tǒng)組成

2.2 加強教學(xué)團隊管理，建設(shè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源

精準(zhǔn)教學(xué)體系的實施，需要優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的支持，這離不開教學(xué)團隊每位教師的大量教學(xué)投入，主要體現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)微課和題庫建設(shè)需要花費大量的時間，并在平日教學(xué)中養(yǎng)成利用信息化教學(xué)的習(xí)慣。因此，加強教學(xué)團隊管理，使教師各司其職，認(rèn)真負(fù)責(zé)建設(shè)部分資源，思想統(tǒng)一到堅持依靠信息化平臺提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對教學(xué)質(zhì)量進行實事求是的評價，是保障精準(zhǔn)教學(xué)改革實現(xiàn)的關(guān)鍵。學(xué)校多年來一直堅持通過教學(xué)改革立項促進各類教學(xué)改革，鼓勵各學(xué)科的教學(xué)團隊建設(shè)，為各類優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)提供有效保障。

3 結(jié) 語

大型分析儀器實驗精準(zhǔn)教學(xué)體系的建設(shè)，圍繞突出儀器操作關(guān)鍵知識點及深化的教學(xué)法，①可以使教師加強實驗每個關(guān)鍵節(jié)點的教學(xué)，使實驗教學(xué)更加高效；②可使學(xué)生在課前在短時間內(nèi)快速了解實驗操作的重點，做到有的放矢，事半功倍。體系中提供的過程管理；①可以有效敦促學(xué)生實驗前做好預(yù)習(xí)，對實驗過程、實驗的知識要點作全面的理解；②可以幫助教師全面了解學(xué)生的參與情況，認(rèn)知缺陷，給學(xué)生做出較全面的成績評定。目前，同濟大學(xué)化學(xué)系的所有大型分析儀器實驗已經(jīng)全部納入精準(zhǔn)教學(xué)體系，取得了較好的效果，課程在強調(diào)學(xué)生技能培養(yǎng)的同時，對思維過程培養(yǎng)起到了啟示作用。受此帶動，一些傳統(tǒng)的化學(xué)實驗課程也逐步采用該管理模式教學(xué)，對化學(xué)專業(yè)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)將起到良好的示范作用。

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The Development of Precise Teaching Pedagogics for Large Scale Analytical Instrument and Its Practice

CONGPeisheng,CHAIXiaolan,ZHUZhongliang,DENGZifeng

(School of Chemical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In large-scale analytical instrument teaching practice, the main scene graph is that many students stand around the only one machine and listen to the teacher’s speaking in a narrow room. In order to promote the teaching quality, enhance student’s practice ability, innovation ability and collaboration ability, we tried to establish a new pedagogics which is a closed ring of theory explanation—microlecture—accurate in-depth—self test assessment—innovation boosting. The pedagogics has been realized through a teaching management web site, and thus we groped a valid instrument teaching practice with supervisor state. We summarized the advantages of this supervisor state in three aspects: 1. The key points of the experiment can be popularized; 2. Large-scale analytical instrument teaching practice can be carried out effectively; 3. It promotes students’ learning autonomy, learning desire, innovation ability. 4. It provides full process data support for a fare judgment of the student's score.

precise teaching; innovation ability; full process management; microlecture

2016-09-10

同濟大學(xué)重點教學(xué)改革項目(1380104070)

叢培盛(1964-)，男，山東威海人，碩士，教授，從事生物信息學(xué)及教學(xué)方法研究，多次獲得上海市、同濟大學(xué)教學(xué)改革成果獎。

Tel.: 13601900495； E-mail：pshcong@#edu.cn

朱仲良(1962-)，男，江蘇無錫人，碩士，教授，從事化學(xué)模式識別及教學(xué)方法、大型儀器分析。E-mail：zhuzl@#edu.cn

O 6-31 ；G 424

A

1006-7167(2017)05-0268-03