通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建“儀器分析”課程線上教學(xué)平臺(tái)的思考

斯琴朝克圖，章愛群，李國(guó)元，姜益泉

(湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

現(xiàn)代儀器分析法在自然科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中占有極其重要的地位，是自然科學(xué)工作者必須掌握的重要手段，“儀器分析”課程在筆者所在學(xué)校藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)與工程、生物工程、農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專業(yè)本科生的教學(xué)工作中占有十分重要的地位，是基礎(chǔ)課程之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高等院校的諸多學(xué)科發(fā)展過(guò)程中都需要儀器分析提供各種信息數(shù)據(jù)。虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。[1]2018年5月，教育部經(jīng)研究決定開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。建設(shè)模式包括：突出以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運(yùn)行模式、敬業(yè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍、持續(xù)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系和顯著示范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。[2-3]

原子熒光光譜法(AFS)是原子光譜法中的一個(gè)重要分支，是介于原子發(fā)射(AES)和原子吸收(AAS)之間的光譜分析技術(shù)。硒是重要的生命微量元素，我國(guó)存在不同程度的硒攝入量不足的人口數(shù)約有7億多，為滿足需要，市面上富硒食品種類繁多。國(guó)標(biāo)GB 5009.93-2017即氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HG-AFS)是精確度最高，檢測(cè)時(shí)間最快的硒檢測(cè)方法。通過(guò)虛擬仿真原子熒光光譜儀，建立植物硒測(cè)定方法，檢測(cè)植物樣品硒含量實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，突破了條件的局限性，為學(xué)生了解原子熒光光譜儀的基本原理、操作流程提供了輔助工具；突破時(shí)間的限制性，使學(xué)生全面快速的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法；掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性范圍、檢出限、準(zhǔn)確度與精密度建立硒測(cè)定的有效方法，學(xué)習(xí)植物樣品的微波消解與趕酸，了解儀器最佳工作條件，掌握硒測(cè)定的操作流程，熟悉檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)方法，培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生具備良好的專業(yè)素質(zhì)、具有較強(qiáng)的分析技能、具備較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

通過(guò)氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀原理和植物硒測(cè)定方法研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的：了解氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀的基本原理和結(jié)構(gòu)；了解和認(rèn)識(shí)氫化物發(fā)生技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)；掌握原子熒光光譜儀的操作技術(shù)；掌握原子熒光光譜儀測(cè)定硒的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法；了解、認(rèn)識(shí)茶葉樣品特性，微波消解程序設(shè)定及操作。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法包括案例教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂。 案例教學(xué)主要利用多媒體、三維建模、虛擬仿真等信息技術(shù)創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，將氫化物發(fā)生原子熒光法測(cè)定植物硒(Se)的方法研究及應(yīng)用過(guò)程真實(shí)展現(xiàn)、輔助原子熒光光譜儀原理、結(jié)合原子熒光儀的自身儀器條件，儀器設(shè)備介紹使用，獲得樣品測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)學(xué)習(xí)如何建立有效的硒測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法并進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)人機(jī)交互和文字、圖片等各種媒介，采用虛擬實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)原理、了解儀器操作流程、熟悉實(shí)驗(yàn)步驟、掌握硒測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法建立和評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

利用虛擬實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)器具使用操作，而后在線下進(jìn)行進(jìn)一步的探索、答疑、驗(yàn)證、訓(xùn)練；課程前后均可反復(fù)進(jìn)行在線考核。從而達(dá)到掌握原子熒光光譜儀使用流程，熟悉測(cè)定方法的建立與評(píng)價(jià)，并培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)分析技能、儀器使用能力、理論理解能力的目的。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，儀器針對(duì)性強(qiáng)，方法應(yīng)用性廣，成本低、危險(xiǎn)小、周期短且易重復(fù)。運(yùn)用線上線下、智能化、個(gè)性化、泛在化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，豐富了教學(xué)手段。系統(tǒng)具備完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠進(jìn)行在線考核，創(chuàng)新了評(píng)價(jià)體系。微波消解和趕酸過(guò)程在實(shí)際操作中危險(xiǎn)高、耗時(shí)長(zhǎng)，虛擬仿真安全低價(jià)，縮短時(shí)長(zhǎng)。案例分析、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法有利于推進(jìn)探究式教學(xué)方法的普遍運(yùn)用，凸顯學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的深度和廣度。

2 教學(xué)效果對(duì)比

2015年教育部印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，指出轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵是明確辦學(xué)定位、凝練辦學(xué)特色、轉(zhuǎn)變辦學(xué)方式。學(xué)習(xí)氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀原理、結(jié)合原子熒光儀的自身儀器條件，根據(jù)植物樣品特性，設(shè)定程序進(jìn)行微波消解，使用原子熒光光譜儀，建立有效的硒測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法并進(jìn)行評(píng)價(jià)，檢測(cè)植物樣品硒含量的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練符合培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)好，具有創(chuàng)新精神和社會(huì)適應(yīng)能力的高級(jí)專門人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)υ訜晒夤庾V儀有較全面的了解，基本掌握儀器的使用方法。對(duì)設(shè)備操作時(shí)的工作參數(shù)選擇、方法可行性分析、樣品預(yù)處理及測(cè)定逐步深入并理解掌握，初步具備根據(jù)分析對(duì)象建立合適的分析方法及理解相應(yīng)問題的能力；并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理的有關(guān)方法，具有初步的數(shù)據(jù)處理能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)以專業(yè)理論為基礎(chǔ)，熟練掌握和利用此分析手段、方法進(jìn)行樣品檢測(cè)，增強(qiáng)自身的運(yùn)用能力。針對(duì)這一情況，本項(xiàng)目整合原子熒光光譜儀的基本原理、儀器設(shè)備及其基本結(jié)構(gòu)、方法學(xué)評(píng)價(jià)及樣品測(cè)試，制作了數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化分析測(cè)試模型，將該儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更加生動(dòng)、直觀、規(guī)范。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要理解理論基礎(chǔ)知識(shí)，運(yùn)用方法學(xué)中指標(biāo)評(píng)價(jià)新建立方法的優(yōu)劣，結(jié)合測(cè)試樣品特性，用合理的預(yù)處理手段得出分析結(jié)果，再根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)。

采用案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、演示、訓(xùn)練等多種教學(xué)方法，提高學(xué)生的參與熱情。虛擬仿真項(xiàng)目模擬老師在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用虛擬器具進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)案例教學(xué)，學(xué)生既能學(xué)習(xí)儀器操作，也能學(xué)到茶葉樣品分析的樣品制備、微波消化、測(cè)試，讓學(xué)生不光是進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試，還有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)如何根據(jù)儀器設(shè)備條件建立分析方法、評(píng)判方法的優(yōu)劣程度等，可很大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)方法學(xué)評(píng)價(jià)的理解能力、儀器操作能力、樣品預(yù)處理能力、測(cè)試結(jié)果分析能力。

通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合。強(qiáng)烈激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，在線自助考核使學(xué)生明白自己的不足，可針對(duì)性進(jìn)行改正，極大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作的技能。[4]通過(guò)原子熒光光譜儀學(xué)習(xí)考核的同學(xué)，可預(yù)約開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)體儀器操作訓(xùn)練，虛實(shí)結(jié)合。此外，學(xué)生之間、師生之間可通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行線上交流、答疑等互動(dòng)。

多位一體，理論、操作與結(jié)果綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)掌握原理、利用儀器、樣品分析更加全面地考核和評(píng)價(jià)學(xué)生。真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難以獲得的每個(gè)學(xué)生操作的不足、前后的進(jìn)步等過(guò)程性評(píng)價(jià)，虛擬仿真通過(guò)自動(dòng)考核系統(tǒng)就很便捷地得到了實(shí)現(xiàn)。利用虛擬方法的建立和虛擬樣品的分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，教師可獲知學(xué)生的易犯錯(cuò)誤等進(jìn)行重點(diǎn)點(diǎn)評(píng)，學(xué)生可根據(jù)自己的錯(cuò)誤進(jìn)行針對(duì)性改正，此外，結(jié)合教師線下的實(shí)體模型操作考核，進(jìn)行線上線下綜合評(píng)價(jià)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師要做好“以教師為主，到服務(wù)學(xué)生、服務(wù)社會(huì)”的轉(zhuǎn)變。只有角色轉(zhuǎn)變了，才能真正發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化交互，構(gòu)建支持多種模式的教學(xué)環(huán)境；學(xué)生要從“旁觀者”轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)者。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要營(yíng)造的是一個(gè)以學(xué)生為中心的課程設(shè)計(jì)，注重學(xué)習(xí)情境，良好的互動(dòng)性設(shè)計(jì)，能保障每一個(gè)功能模塊都能為教學(xué)和學(xué)習(xí)者提供高度的實(shí)用性和易操作性，應(yīng)避免那些華而不實(shí)、脫離在線學(xué)習(xí)需求的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育部為推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。作為中國(guó)“金課”建設(shè)的重要組成部分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目按照先建設(shè)應(yīng)用、后評(píng)價(jià)認(rèn)定、持續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估的方式，將有效推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。[5]