基于虛擬仿真技術(shù)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程改革探究
——以高效液相色譜法測(cè)定綠茶飲料中咖啡因的含量實(shí)驗(yàn)為例

岳 陽，李瑞歌，謝黎霞，曹占奇，吳璐璐

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002)

為了解決社會(huì)發(fā)展而帶來的高技術(shù)人才缺口，教育部提出了建設(shè)“新工科、新農(nóng)科”的要求，以培養(yǎng)具有強(qiáng)實(shí)踐能力、高創(chuàng)新意識(shí)、高綜合素質(zhì)的人才[1]。儀器分析實(shí)驗(yàn)作為農(nóng)、林、牧、醫(yī)、化學(xué)、材料等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，不僅可以讓學(xué)生梳理、鞏固、理解和深化已學(xué)的儀器分析知識(shí)，更是一門實(shí)踐課程，用于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、以及分析和解決實(shí)際問題的能力[2-3]。然而，受限于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，常規(guī)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程仍無法完全達(dá)到綜合素質(zhì)人才的培養(yǎng)要求。因此，在現(xiàn)有的教學(xué)大綱的內(nèi)容指導(dǎo)下，積極探究培養(yǎng)應(yīng)用型人才的新方法，克服目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，是儀器分析實(shí)驗(yàn)改革的重難點(diǎn)。基于以上考慮，我校緊跟科技發(fā)展，將高效液相色譜實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，運(yùn)用于實(shí)踐教學(xué)中。針對(duì)此種教學(xué)模式，我們探究了較為完善的教學(xué)方法以及教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和評(píng)價(jià)改革的必要性

高效液相色譜不受待測(cè)物質(zhì)的揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、及相對(duì)分子質(zhì)量的限制，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在食品分析、環(huán)境分析、生命科學(xué)、藥物分析中有著廣泛的應(yīng)用。但是，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、師生比例、經(jīng)費(fèi)投入等問題的限制，很多學(xué)校主要采取的是小組教學(xué)或小班教學(xué)的模式。在這種情況下，一個(gè)老師要面對(duì)5-8個(gè)學(xué)生，一般只能采取講授型教學(xué)方式。教學(xué)過程一般包括課前預(yù)習(xí)、課堂講授和演示、及學(xué)生重復(fù)操作。在實(shí)際的操作過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，學(xué)生往往很難完整、獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。本來最容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的實(shí)踐內(nèi)容，也成為了枯燥無味的機(jī)械操作，并不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。并且，這種模式的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)往往是以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)考試等終結(jié)性評(píng)價(jià)為主，無法真實(shí)反映學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度、動(dòng)手能力等因素，教師也不能充分地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。明顯地，這種培養(yǎng)方式不利于學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)進(jìn)入到人們的學(xué)習(xí)和生活中。在計(jì)算機(jī)軟件的輔助下，虛擬仿真技術(shù)可以模擬出在感官上真實(shí)的儀器圖像、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、甚至是實(shí)驗(yàn)步驟，具有交互性、沉浸性、逼真性、全程可控性等特點(diǎn)[4]。這一技術(shù)不僅可以用來解決大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的高成本、難重復(fù)、不易掌握等問題，更是打破了原有的文字、圖片、視頻等平面化感官教學(xué)模式，以其獨(dú)有的交互特性，使學(xué)生更容易地沉浸在課程學(xué)習(xí)中[5-6]。因此，虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)更有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式、互動(dòng)式的教學(xué)方法和合理的綜合評(píng)價(jià)機(jī)制，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，完成高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 改革教學(xué)模式，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力

以成果為導(dǎo)向的教育理念轉(zhuǎn)換了傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師和學(xué)生的主體地位。這種理念以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)合作學(xué)習(xí)，可以有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性[7-8]。虛擬仿真技術(shù)的引入有利于這種教學(xué)方式的開展，但需對(duì)常規(guī)的教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 課前預(yù)習(xí)

在實(shí)驗(yàn)開始前，借助軟件中儲(chǔ)備的圖片、視頻等資料，幫助學(xué)生拓展、了解高效液相色譜法測(cè)定綠茶飲料中咖啡因的含量實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)，如高效液相色譜的原理及應(yīng)用實(shí)例、咖啡因的性質(zhì)及危害、使用高效液相色譜的注意事項(xiàng)、軟件的操作說明等內(nèi)容。然后，以小組為單位，完成預(yù)習(xí)知識(shí)問答。通過問題引導(dǎo)等方式，啟發(fā)學(xué)生有目標(biāo)地學(xué)習(xí)。這種課前預(yù)習(xí)模式強(qiáng)化了知識(shí)間的聯(lián)系，促進(jìn)了知識(shí)體系的構(gòu)筑，提升了學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化能力。另外，小組內(nèi)的合作共享也培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作能力。

2.2 課堂認(rèn)知

2.2.1 儀器組成及原理介紹

進(jìn)入課堂后，對(duì)預(yù)習(xí)過程中，收集學(xué)生遇到的問題并進(jìn)行答疑。教師首先對(duì)預(yù)習(xí)知識(shí)進(jìn)行梳理和總結(jié)，并通過思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生建立預(yù)習(xí)知識(shí)與本節(jié)課程內(nèi)容之間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思考。例如，對(duì)預(yù)習(xí)知識(shí)中提供的高效液相色譜法測(cè)定瓜果蔬菜中的葫蘆素實(shí)驗(yàn)，梳理實(shí)驗(yàn)流程，并引導(dǎo)學(xué)生以類比法對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的類比轉(zhuǎn)化能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐等綜合素質(zhì)。隨后，學(xué)生在一人一機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件下，使用軟件進(jìn)行自主的探究性學(xué)習(xí)。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，軟件內(nèi)合理安排了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)儀器認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容。不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每個(gè)學(xué)生都可以通過真實(shí)模擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，清楚地觀察到儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式，使學(xué)生更容易地加深對(duì)過程機(jī)理的理解。而且，每個(gè)學(xué)生可根據(jù)自身的掌握情況在虛擬仿真平臺(tái)上合理地安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，進(jìn)行有序、自主的學(xué)習(xí)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

“高效液相色譜法測(cè)定綠茶飲料中咖啡因的含量”實(shí)驗(yàn)的操作分為練習(xí)模式和考核模式兩種。首先，在練習(xí)模式下，學(xué)生可以軟件右上角的提示窗口實(shí)時(shí)判斷本操作是否正確，對(duì)于復(fù)雜、易錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)步驟和原理可進(jìn)行反復(fù)的操作，如反復(fù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的設(shè)計(jì)。這種自主的探索在潛移默化中加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于復(fù)雜、枯燥的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的記憶，更容易激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如果對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟原理有疑問，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行提問，老師實(shí)時(shí)進(jìn)行一一答疑。在練習(xí)模式下掌握了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后，可直接進(jìn)行考核。在考核模式下，教師根據(jù)教學(xué)重、難點(diǎn)設(shè)置步驟賦分(如標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置、樣品的處理、二氧化碳的消除方法、流動(dòng)相的選取、檢測(cè)波長(zhǎng)的設(shè)定等)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重難點(diǎn)的重點(diǎn)考察。學(xué)生完成考核后，教師能夠通過后臺(tái)程序快速獲取教學(xué)效果，然后對(duì)還未掌握部分進(jìn)行綜合答疑輔導(dǎo)，即時(shí)掌握課堂反饋，把握課程進(jìn)度，形成良性互動(dòng)。

2.2.3 課后總結(jié)

為了不使學(xué)習(xí)的內(nèi)容只留于表面，學(xué)生要認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。這不僅是對(duì)已學(xué)習(xí)知識(shí)的鞏固，對(duì)實(shí)驗(yàn)中所遇問題的總結(jié)，也能夠?yàn)橐院笤谶M(jìn)行的實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 改變傳統(tǒng)的考核標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系

教學(xué)評(píng)價(jià)是對(duì)師生的教與學(xué)進(jìn)行的量化評(píng)估，是教育過程中的重要環(huán)節(jié)[9-10]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)判定是由教師主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果的分析討論而進(jìn)行的，不能涵蓋學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度、理論水平及實(shí)踐技能等多層面的綜合素質(zhì)。因此，必須開發(fā)更為合理的評(píng)價(jià)機(jī)制。

3.1 多元評(píng)價(jià)體系

軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多元的評(píng)價(jià)模式，能夠讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極地參與評(píng)價(jià)活動(dòng)，避免傳統(tǒng)的教師“一言堂”評(píng)分模式，增強(qiáng)了學(xué)生的參與熱情和積極性。

小組同學(xué)互評(píng)。在預(yù)習(xí)階段，小組內(nèi)部成員對(duì)預(yù)設(shè)的知識(shí)內(nèi)容和參與程度進(jìn)行學(xué)生互評(píng)。這種模式既可以使小組成員相互監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)展，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，又促進(jìn)了學(xué)生之間的交流與合作。同時(shí)，這種方式也能夠使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己在知識(shí)儲(chǔ)備上的不足，明確學(xué)習(xí)方向。

學(xué)生自評(píng)。在操作過程中，學(xué)生通過軟件界面可以實(shí)時(shí)看到自己的操作評(píng)分。這有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己存在的不足，并進(jìn)行及時(shí)的更正和查漏補(bǔ)缺。

教師評(píng)價(jià)主體。在調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，為確保學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)與學(xué)習(xí)效果一致，教師應(yīng)監(jiān)督每個(gè)階段的成績(jī)，給與合理的分?jǐn)?shù)賦值，做到公正合理給予評(píng)價(jià)。因此，教師的評(píng)價(jià)主體不能改變。

3.2 多種評(píng)價(jià)方式結(jié)合

虛擬仿真技術(shù)將傳統(tǒng)的只依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告的終結(jié)性評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合評(píng)價(jià)方式(如圖1所示)。這種綜合評(píng)價(jià)模式既注重過程性的形成性評(píng)價(jià)，又注重結(jié)果的終結(jié)性評(píng)價(jià)。在進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)的過程中，采用學(xué)生自主學(xué)習(xí)與效果檢測(cè)并重的方式。教師可以通過后臺(tái)軟件收集到學(xué)生掌握情況，有效地實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的全參與，確保了實(shí)驗(yàn)成績(jī)的真實(shí)合理。最后，結(jié)合學(xué)生撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，鞏固學(xué)習(xí)成果、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，并進(jìn)行終結(jié)性評(píng)價(jià)。

圖1 綜合評(píng)價(jià)方式

4 結(jié)論

在實(shí)際課堂教學(xué)中，通過將啟發(fā)式、互動(dòng)式等教學(xué)方法和綜合性評(píng)價(jià)引入到儀器分析的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)現(xiàn)了教師與學(xué)生在整個(gè)教學(xué)和評(píng)價(jià)過程中的全參與。一方面，提升了學(xué)生參與性與主動(dòng)性，有助于幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，通過以評(píng)促教的模式，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在問題，進(jìn)一步提升教學(xué)效果，為培養(yǎng)素質(zhì)化人才提供了一種新的實(shí)踐模式。