基于翻轉課堂的儀器分析實驗教學改革與實踐*

郭心靈，邱 婷，楊俊杰

(信陽農林學院生物與制藥工程學院，河南 信陽 464000)

儀器分析是通過運用各種儀器為生產和科研提供大量的物質結構、形貌和組成信息，是醫(yī)藥、化工、材料、環(huán)境、生物等科學研究和工業(yè)控制的“眼睛”。儀器分析課程注重培養(yǎng)學生的實踐操作能力、理論聯(lián)系實際的應用能力、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和銳意進取的創(chuàng)新能力，是一門實踐性較強的應用型學科，對培養(yǎng)具有工程特色的應用型人才發(fā)揮及其重要的作用[1]。但由于儀器分析是多學科融合的交叉學科，具有覆蓋范圍廣、知識點紛雜多，操作步驟多，結果分析復雜的特點，僅僅依靠有限的課堂實驗教學難以達到預期的效果[2]。因此，迫切需要探索構建新的教學模式，最大限度的發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的自主學習能力、主動探索的精神對學生掌握知識、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力至關重要[3]。

建構主義理論倡導“以學員為中心，以學為主”，教師扮演引導者的角色，注重培養(yǎng)學生協(xié)作交流和創(chuàng)新精神，強調知識內化是學習者積極主動構建知識體系的過程，而不是教育者“填鴨式”的灌輸[4]。建構主義理論所倡導的理念和觀點與現(xiàn)階段國際上認可的以學生為中心的教育教學理念不謀而合，符合儀器分析的自身特點所要求教學方法。在信息網(wǎng)絡化時代，如何有效的實施建構主義教學模式？翻轉課堂是通過課前教師創(chuàng)建視頻和學生自主學習、課堂師生互動交流合作解決難題、課后評價反思和創(chuàng)新拓展的教學模式。因此，探索一種基于翻轉課堂的儀器分析實驗教學改革與實踐是建構主義下一種解決問題的有效途徑[5]。

1 儀器分析實踐教學活動中發(fā)現(xiàn)的問題

1.1 實驗教學存在“三多三少”的矛盾

由于各類儀器繁多，部分儀器價格昂貴，并且儀器更新?lián)Q代速度快，而學校經費有限，儀器分析實驗教學普遍存在“三多三少”的矛盾[5]。即實驗內容多而實驗課時少、班級實驗人數(shù)多而教師少、基礎驗證性實驗多而綜合設計類實驗少。在有限的實驗條件下，為了盡可能讓學生接觸更多的儀器，教師往往設計一些基礎驗證性實驗，采取“保姆式”的教學方法，教師課前設計實驗、準備實驗材料以及實驗前處理，老師在課堂上講解、示范，然后學生“機械式”的按照實驗步驟進行操作，抄寫實驗報告，這種“等、靠、抄”的實驗教學模式不利于學生實驗技能和創(chuàng)新思維的提高和訓練。

1.2 學生的自主學習能力差

儀器分析包括光學、電化學、色譜、質譜的十幾種分析方法，不同分析方法之間無明顯的聯(lián)系，保持相互獨立，并對初學者而言幾乎沒有知識鋪墊。儀器分析是一門理論內容豐富、實踐性較強的學科，要求學生不僅要掌握不同分析方法的晦澀難懂的理論知識，而且還要掌握不同樣品的前處理方法、選擇合適的方法、正確操作實驗步驟、實驗條件優(yōu)化和復雜的數(shù)據(jù)處理分析等。學生僅僅依靠課堂教學無法掌握、理解、熟練應用各種儀器分析方法。而且經過高考高壓態(tài)勢下洗禮后，學生的目標不明確、自主學習能力明顯下降，大學鼓勵學生自主發(fā)展和個性化發(fā)展，“保姆式”的教學方式明顯不適應培養(yǎng)創(chuàng)新型和應用型人才的目標。

1.3 評價考核形式單一

實驗考察上往往采取平時成績、實驗報告成績與期末成績的加和，平時成績往往依出勤率為依據(jù)，實驗報告千篇一律，學生只追求實驗報告的整潔和篇幅，甚至抄襲、篡改實驗數(shù)據(jù)以求高分，所以平時成績和實驗報告分值往往相差不大。學生往往通過考前突擊背誦，忽略了實踐的認知過程。這種考核方式不能有效的反饋學生的學習情況，也不利于調動學生的積極主動性性。

2 翻轉課堂在實驗教學中的改革與實踐

針對儀器分析實驗教學普遍存在的上述問題，根據(jù)我校的實際情況，結合制藥工程中藥藥劑專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和儀器分析實驗課程的特點，初步嘗試將翻轉課堂應用于儀器分析實踐教學改革，從實驗項目設計、課程實施、課程考核方式三個方面進行如下改革[6]。

2.1 精選實驗項目 合理安排實驗教學

為了提高儀器分析教學效果，提高學生的學習的主觀能動性和實踐創(chuàng)新能力，我們將建構主義理論應用于儀器分析實驗教學過程中，充分發(fā)揮了學生的在學習過程中的主體地位，體現(xiàn)知識建構的自主學習過程，重視學生互助協(xié)作、交流互動的學習環(huán)境。我們對實驗項目進行盡心設計和合理安排。

(1)在儀器分析實驗教學學時32學時的基礎上，增加學生課外自主學習時間24學時，建立翻轉課堂教學平臺為學生提自主學習、交流互動的學習平臺。教師引導學生做好課前知識內化、課后知識鞏固和拓展創(chuàng)新，課堂上由教師指導、師生互動交流、并由獨立完成實驗過程；

(2)由于實驗室大型儀器昂貴，儀器有限，為了使每一位同學都有機會參與實驗過程，獨立操作，我們按20～30人的行政小班進行上課，分為三大組，每個大組做會用到不同儀器的不同的實驗，每個大組再分為2～3人的若干個小組協(xié)作完成整個實驗過程。這種“大組輪轉-小組協(xié)作”的方式很好的解決了儀器少人員多的問題，避免實驗“等、靠、抄”的現(xiàn)象，有利于提高學生的實踐操作技能[7]。

表1 儀器分析實驗課設項目

(3)在實驗項目安排上共設置12個實驗，涵蓋電位滴定儀、紫外、紅外、原子吸收、氣相色譜、液相色譜、氣質聯(lián)用等大型儀器的操作和應用，包括基礎性、驗證性、綜合設計性實驗的三大模塊[8]?；A模塊通過視頻教學課件和動畫模擬軟件使學生掌握儀器的基本原理、基本構造，然后，由教師邊規(guī)范操作儀器邊講解注意事項，隨后，學生單獨操作儀器，掌握操作要領和排除常見問題的方法；驗證性實驗通過視頻教學-教師指導-學生獨立完成實驗的方式，使學生掌握儀器的基本操作過程、實驗樣品處理以及數(shù)據(jù)分析和處理的能力。綜合設計類實驗通過文獻調研+視頻教學+教師指導+學生設計實驗方案并完成實驗的方式，使學生強化理論知識，具備解決實際問題的綜合應用能力和自主設計實驗的實踐創(chuàng)新能力；

2.2 精心設計教學過程，實施翻轉課堂模式

圖1 基于“翻轉課堂”的實驗教學模式實施過程

根據(jù)實驗項目設計內容，利用現(xiàn)代信息技術手段，在建構主義理論指導下，將翻轉課堂具體應用于儀器分析實驗教學過程[10]。具體實施過程見圖1。

2.2.1 課前知識傳遞與實驗設計

首先，教師根據(jù)實驗內容進行設計課前實驗學習任務、制作PPT、錄制微視頻、設計自測練習和思考題等教學資源，并將教學資源上傳至翻轉課堂教學平臺；學生根據(jù)教師下達的任務制定學習計劃、學習教學資源、完成在線測試，通過查閱資料、小組交流討論完成思考題和實驗設計方案。其次，教師通過微信群、QQ和翻轉課堂平臺跟蹤學生的學習情況、參與討論過程，并對學生的疑問給出解決問題的指導性意見。最后，學生實驗小組交流討論形成實驗方案。

2.2.2 課中學生自主實驗與互助討論

課堂上教師根據(jù)學生的線上線下反饋情況講解重難點和實驗操作中的注意事項。并對組織學生探討實驗方案的可行性，由每個小組推薦一位代表匯報本小組的實驗方案及實施過程，師生共同參與實施方案的提出疑問進行討論，最終教師進行綜合評價，確定實施方案。然后學生由學生獨立完成實驗操作過程，觀察并探討實驗現(xiàn)象、分析推算實驗結果。

2.2.3 課后評價反饋與拓展創(chuàng)新

學生對本實驗的結果進行互動交流和歸納總結，探討實驗中需要改進的地方和不足之處。教師根據(jù)學生的反饋情況和課程實施中遇到的問題及時進行疏導和調整方案，并啟發(fā)學生對實際藥品生產和藥材種植過程面臨的問題主動探索、解決現(xiàn)實問題。利用課余閑暇之余，教師帶領學生深入中藥材種植基地和藥品生產企業(yè)一線參觀學習實踐經驗，有利于學生拓寬思路，也利于幫助企業(yè)和用戶解決現(xiàn)實面臨的問題，實現(xiàn)企業(yè)、種植農戶、學校三方共贏。比如：迷迭香中含有大量的揮發(fā)油成分，迷迭香中抗氧化成分達50%，但其色素難以脫去，其抗氧化成分利用率低，如何高效提取及應用其脂溶性氧化劑和水溶性氧化劑是企業(yè)所面臨的問題。

2.3 注重實驗過程考核 建立多元化實驗考核體系

傳統(tǒng)的重結果輕過程的實驗課程考核方式不利于提高學生的自主學習和實踐創(chuàng)新能力，對學生的學習情況不能起到有效的反饋作用。因此，我們基于建構理論，重視翻轉課堂在儀器分析實驗教學中的實施過程，構建線上與線下相結合、過程考核與目標考核相結合、基本實踐操作與創(chuàng)新能力相結合的多元化實踐考核評價體系。此評價體系貫穿課程實施的全過程，既有利于調動學生的積極主動性、加深知識的掌握程度，又有利于培養(yǎng)學生團結協(xié)作的精神、提高創(chuàng)新應用能力[11]。具體考核辦法見表2。

表2 儀器分析實驗課程考核評定

3 教學效果調查與評價

通過此次儀器分析實驗教學改革，學生的知識掌握程度、自主學習能力和實驗創(chuàng)新技能等方面有了很大的改觀。學生的實驗綜合成績相比去年的學生成績有了明顯提高，82.9%學生在課前自主學習、實驗設計、小組討論、實驗環(huán)節(jié)以及課后拓展等各個考核環(huán)節(jié)表現(xiàn)優(yōu)秀。通過課外拓展活動中，將實驗拓展活動與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結合解決現(xiàn)實問題，提出很多值得進一步探究的課題。

評判實驗教學改革的效果的優(yōu)劣必須要以學生的評價放在核心位置。因此，在2017級制藥工程中藥藥劑專業(yè)142名學生中對此次實驗教學改革進行了問卷調查。調查結果如表3所示。評價項目依托人才培養(yǎng)計劃和課程培養(yǎng)目標，客觀全面地考察學生對此次教學改革的滿意度。從調查表統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示超過80%的學生對此次教學改革表示非常滿意。此次教學改革在培養(yǎng)學生知識、能力和素質方面都取得了普遍認可和肯定。

表3 教學效果情況反饋表

4 結 語

儀器分析實驗教學改革和實踐，有效改善了儀器分析實驗室“三多三少”的局面，學生的自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力得到明顯提高，學生的團隊協(xié)作精神明顯增強，多元化實踐考核評價體的建立對學生的學習發(fā)揮積極地反饋和促進作用[12]。但在教學改革實施過程中存在一定的挑戰(zhàn)和困難：高質量的翻轉課堂平臺建設需要投入很大的時間和精力，并要求教師能夠熟練運用現(xiàn)代信息技術手段；雖然采取“大組輪轉-小組協(xié)作”的方式緩解了“儀器少學生多”的局面，但同時開展幾組不同的實驗，教師難以對每個實驗小組都指導到位；有少部分同學不完全適應新的教學模式，自主學習能動性差，不善于交流討論，在一定程度上削弱了教學效果。因此，在以后的翻轉課堂平臺建設上需要考慮成立專業(yè)制作技術團隊，完善翻轉課堂平臺的學習時長、作業(yè)題庫、交流互動參與度等功能來實現(xiàn)學生學習的有效監(jiān)控和適時引導；在實驗課堂中配備一名實驗員，與專業(yè)教師相互協(xié)作與學生加強深度交流互動、指導學生完成實驗。結合建構主義理論和課程培養(yǎng)目標，建立更加科學合理、動態(tài)管理的翻轉課堂實驗教學體系是一項長期復雜的系統(tǒng)工程。