“線上”+“線下”混合式儀器分析實驗教學(xué)模式的建立與運行*

王會鎮(zhèn)，郭蕓蕓，賴鑫悅，勾 雪

(1 西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039；2 西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，四川 綿陽 621010)

隨著科技的發(fā)展，尤其是信息技術(shù)的進(jìn)步，計算機在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。具體到實驗類教學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用越來越深入，在教學(xué)方面發(fā)揮了巨大的作用，并得到了廣泛好評。在高等教育中，實驗課程是重要內(nèi)容，是理論與實踐聯(lián)系的中間環(huán)節(jié)，具有無法替代的地位。具體到化學(xué)領(lǐng)域，實驗課程起到了課堂理論和生產(chǎn)實踐的銜接功能，更是理論結(jié)合實際過程中不可缺少的一環(huán)。虛擬仿真化學(xué)實驗在教學(xué)和科研領(lǐng)域的應(yīng)用價值越來越被教育和科研工作者清晰的認(rèn)識到，并且迅速被各大高校接納，受到廣大師生的歡迎[1-3]。化學(xué)實驗類課程傳統(tǒng)上是在專用的化學(xué)實驗室開展，由于化學(xué)實驗的特殊性，容易受到場地、儀器的限制，如果不提前加以練習(xí)，熟悉相關(guān)操作，還可能存在高溫、爆炸、毒害等危險。因此化學(xué)類實驗課程對虛擬仿真的需求更加突出。國內(nèi)諸多高校已經(jīng)根據(jù)自身需求建立了虛擬仿真化學(xué)實驗室。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及高等教育改革的深入，化學(xué)實驗類虛擬仿真實驗建設(shè)將會獲得進(jìn)一步的發(fā)展[4-7]。

儀器分析實驗課程屬于高校化學(xué)、醫(yī)藥、環(huán)境相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握相關(guān)理論基礎(chǔ)、了解儀器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而訓(xùn)練學(xué)生掌握儀器基本操作、實驗數(shù)據(jù)處理等技能。培養(yǎng)能夠運用大型儀器設(shè)備進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域分析檢測的能力。

近年來，各級教育主管部門都在不斷強調(diào)教育信息化的重要性。本著“以學(xué)生為主”的教育理念，我們將虛擬仿真技術(shù)引入儀器分析實驗教學(xué)中，對原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了拓展與改進(jìn)，不僅提升了實驗教學(xué)質(zhì)量，而且有助于開展素質(zhì)教育和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[8-12]。

1 原有儀器分析實驗教學(xué)存在的不足

傳統(tǒng)的儀器分析教學(xué)以驗證性實驗為主，隨著時代的發(fā)展，在教學(xué)方面表現(xiàn)出的問題越來越多，而儀器分析實驗作為化學(xué)實驗課程中不可缺少的環(huán)節(jié)，存在的問題尤為突出。

1.1 儀器分析實驗的理論課程內(nèi)容略顯抽象

理論課堂教學(xué)后，有些同學(xué)對儀器的結(jié)構(gòu)不能直觀的了解，對儀器的構(gòu)造、原理和使用依然存在盲區(qū)，這就導(dǎo)致學(xué)生在使用大型實驗設(shè)備的時候，極易因操作不當(dāng)造成儀器的損耗和破壞。另外，因理論課程內(nèi)容空泛，學(xué)生對儀器的具體操作流程依然停留在“霧里看花”的狀態(tài)。這樣的結(jié)果會導(dǎo)致學(xué)生的實驗操作只是機械地模仿，而不能理解原因，直接影響教學(xué)效果[13-14]。

1.2 儀器價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配套數(shù)量少、維修維護(hù)難度高

在教學(xué)經(jīng)費無法大幅增加的情況下，大型設(shè)備數(shù)量較少，難以充分保障每位學(xué)生在實驗課程中的實際操作機會和訓(xùn)練時長。這些大型儀器由于耗材成本高，儀器配置數(shù)量有限，很難滿足學(xué)生從頭到尾全流程操作儀器，部分實驗項目只能讓學(xué)生動手操作一個環(huán)節(jié)。導(dǎo)致實驗教學(xué)效率偏低，學(xué)生無法真正掌握實驗技能，教學(xué)效果達(dá)不到理想狀態(tài)。

1.3 實驗課時數(shù)少，實驗場地有限

由于傳統(tǒng)教學(xué)體制的延續(xù)，受限于學(xué)校整體培養(yǎng)計劃，儀器分析實驗課程教學(xué)課時設(shè)置依然在遵循傳統(tǒng)模式。但隨著科技的發(fā)展，各種儀器分析技術(shù)日新月異，即使傳統(tǒng)的設(shè)備，其使用方法也在不斷進(jìn)步。另外由于課時數(shù)限制，部分先進(jìn)的、復(fù)雜的儀器分析實驗項目未能開設(shè)實驗教學(xué)課程，不利于學(xué)生掌握最新相關(guān)實驗技能。這些因素都導(dǎo)致我們現(xiàn)階段的儀器分析實驗課程落后時代，無法滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的需要。

1.4 教學(xué)模式不容易轉(zhuǎn)變，教學(xué)條件、課程培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)計劃仍停留在傳統(tǒng)軌道上

目前的培養(yǎng)方案中，大多數(shù)儀器分析實驗課程以驗證性實驗為主，以完成實驗流程操作為主要手段，以完成實驗報告為考核方式?，F(xiàn)階段，綜合性和創(chuàng)新性實驗開設(shè)較少，實驗過程無法精準(zhǔn)考核，難以體現(xiàn)實驗課程的特點。另外，傳統(tǒng)課堂模式，儀器分析實驗內(nèi)容單一，過程簡化，與實際應(yīng)用存在差距，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、創(chuàng)新性思維的能力[15-16]。

2 儀器分析虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬仿真化學(xué)實驗通過模擬真實實驗室場景，具有突破實驗場地限制、拓展實驗范圍等諸多優(yōu)點。通過凝練實驗重點、突出實驗細(xì)節(jié)，同時滿足多人在線操作，極大提高授課效率。

(1)方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)，對于剛接觸儀器分析實驗課程的學(xué)生來講，大型設(shè)備是一個非常陌生的事物。在進(jìn)入大型儀器實驗室之前，可以在虛擬仿真實驗平臺上熟悉儀器結(jié)構(gòu)和實驗原理，多次模擬儀器操作過程，可以使學(xué)生通過虛擬仿真單元操作建立一定的流程概念。還可以大幅增加實驗分組，使學(xué)生通過身臨其境般的模擬操作，大幅提升學(xué)生的實驗技能。

(2)改善實驗教學(xué)條件，突破時空限制，提供開放式實驗環(huán)境。從教學(xué)條件上來講，在實驗教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，使實驗內(nèi)容通過虛擬教學(xué)環(huán)境得以展現(xiàn)，既克服了儀器設(shè)備數(shù)量不足的問題，又打破了教學(xué)時空的局限，延伸了實驗教學(xué)的廣度和深度。拓展學(xué)生視野，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)硬件和場地的限制，增加更多的實踐場景，充分達(dá)到教學(xué)實踐相結(jié)合的目的。將虛擬仿真實驗技術(shù)與創(chuàng)新型、探索型實體實驗有機結(jié)合，挖掘?qū)嶒炾P(guān)鍵點，放大真實實驗不易觀察到的細(xì)節(jié)，最大程度發(fā)揮實驗教學(xué)作用。

(3)將虛擬仿真技術(shù)引入儀器分析實驗課程中，這是實驗教學(xué)的一次深化改革，是對“智能+教育”人才培養(yǎng)模式的探索和推進(jìn)。通過一種全新的模式，延伸實體實驗范疇，將實驗室無法實現(xiàn)的場景模擬呈現(xiàn)。通過增加由于多種限制因素平時不易接觸的實驗環(huán)節(jié)，優(yōu)化實驗流程和結(jié)構(gòu)，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，使儀器分析實驗更加貼近實際。通過虛擬仿真實驗平臺，我們將現(xiàn)實不易操作的環(huán)節(jié)以動畫的形式呈現(xiàn)，大大拉進(jìn)了該實驗與實際應(yīng)用的距離，激發(fā)了學(xué)生興趣，提高了教學(xué)效果。

(4)增加教學(xué)內(nèi)容的完整性，多數(shù)儀器分析實驗課程包括樣品制備(采集)、儀器開機、樣品檢測、數(shù)據(jù)處理、儀器關(guān)機、報告撰寫這六大環(huán)節(jié)。其中樣品檢測和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)屬于基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容，為線下儀器分析實驗課程授課重點。但是具體到實驗項目，受制于實驗條件，這些步驟通常無法全部呈現(xiàn)。而虛擬仿真實驗項目恰好解決了這一問題。通過虛實結(jié)合與互補，可以提前感受全流程實驗細(xì)節(jié)，多次演練，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新實踐能力，獲得更廣闊的專業(yè)視角、更先進(jìn)的知識體系。

3 “線上+線下”混合式儀器分析實驗教學(xué)實施方法

我們利用“西華大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗平臺”構(gòu)建了多個實驗項目的“線上”+“線下”混合式教學(xué)新模式，并取得了良好效果。

圖1 西華大學(xué)化學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗平臺框架Fig.1 Framework of virtual simulation experiment platform for chemical in Xihua University

3.1 多媒體課堂講解理論

課堂理論講解是傳統(tǒng)儀器分析實驗的重要組成部分，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的要求，對涉及的儀器分析實驗理論部分進(jìn)行講解，對儀器構(gòu)造、運行原理、使用方法、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行重點介紹。原先課堂以課本為主、PPT為輔，內(nèi)容抽象學(xué)生理解吃力?，F(xiàn)階段我們結(jié)合多媒體課堂的特點以及網(wǎng)絡(luò)視頻資源，將理論知識變得生動形象，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，主動融入到授課過程中。培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力，加強師生互動，整體提高儀器分析實驗的課堂理論教學(xué)效果。

3.2 虛擬仿真軟件練習(xí)

大型精密儀器技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難觀察到儀器內(nèi)部，學(xué)生無法清晰了解儀器構(gòu)造及工作原理。虛擬仿真實驗很好的解決了這些問題，儀器拆解模擬動畫實驗可以形象地展示工作原理，配合虛擬仿真軟件操作視頻，重點環(huán)節(jié)加強練習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。學(xué)生分析問題和解決問題的能力得以全面提升，有利于培養(yǎng)高技能的創(chuàng)新型人才。

3.3 線下實驗操作

通過多媒體課堂理論講解，學(xué)生對將要開展的實驗項目有了較為清晰的認(rèn)識。之后學(xué)生自行進(jìn)入虛擬仿真實驗平臺，可以反復(fù)進(jìn)行演練，模擬實驗操作流程，對課堂知識的充分消化。虛擬仿真平臺演練結(jié)束后，學(xué)生對將要開展的實驗有了清晰完整的認(rèn)識。進(jìn)入實驗室后，由老師針對儀器進(jìn)行一次現(xiàn)場講解，之后學(xué)生分組進(jìn)行實驗。

3.4 “線上+線下”混合式實驗報告撰寫

通過多媒體課堂理論講解+虛擬仿真軟件練習(xí)+線下實驗操作，學(xué)生對實驗課程的掌握基本做到了全面覆蓋。傳統(tǒng)的實驗報告只包含理論部分和實驗過程及處理，針對簡單的實驗尚可，但是遇到復(fù)雜的綜合性實驗就顯得過于抽象。因此我們開發(fā)了新型的“線上+線下”混合式實驗報告。將傳統(tǒng)報告中無法呈現(xiàn)的部分：如儀器細(xì)節(jié)，原理展示等以圖片的形式呈現(xiàn)，讓實驗報告變得生動、形象，大大提高教學(xué)效果。

圖2 “線上+線下”混合式儀器分析實驗教學(xué)流程圖Fig.2 “Online+Offline” mixed Instrument Analysis experiment teaching process

以化學(xué)專業(yè)現(xiàn)代儀器分析實驗“苯甲酸紅外吸收光譜的測定”為例，該實驗具有很強的實用價值，是一門較為綜合的實驗課程。但是用到的“傅里葉變換紅外光譜儀”屬于大型精密設(shè)備，單價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法將儀器的內(nèi)部構(gòu)造真實呈現(xiàn)在學(xué)生面前。在傳統(tǒng)的課堂中，僅限于PPT展示，教學(xué)效果略顯不足。為此我校構(gòu)建了該課程的“線上”+“線下”混合式教學(xué)，結(jié)合計算機技術(shù)，發(fā)揮虛擬仿真實驗具有的交互性、開放性的特點，可以提供在線學(xué)習(xí)、實踐和探索，完美呈現(xiàn)儀器內(nèi)部構(gòu)造及機理。使不同的人群在不同時間、不同地點均能夠享受到優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。為課程提供安全、可靠、經(jīng)濟和可多次練習(xí)的實驗場景。

圖3 “苯甲酸紅外吸收光譜的測定”虛擬仿真實驗界面Fig.3 The interface of virtual simulation experiment

4 虛擬仿真實驗管理

在該平臺的使用中，我們充分貫徹“以學(xué)生為中心”的實驗教學(xué)理念，安排適宜的實驗教學(xué)內(nèi)容，堅持開放的運行模式，取得了顯著效果。充分考慮到了不同年級、不同時間、不同地方學(xué)生的需要，搭建了資源共享的虛擬仿真實驗平臺。為所有老師及學(xué)生提供了賬號，可以隨時隨地進(jìn)入平臺練習(xí)，真正打破了時間和地域的限制，方便學(xué)生利用課余的碎片化時間來進(jìn)行學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮了“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。同時，我們還將虛擬仿真教學(xué)資源向社會開放，對于有需求的個人和團(tuán)體，只需經(jīng)過申請由平臺管理員建立賬號，即可進(jìn)入平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，真正做到了教學(xué)資源的開放共享。

5 結(jié) 語

將信息技術(shù)融入到傳統(tǒng)教學(xué)中的“線上”+“線下”混合式教學(xué)模新式是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。我們基于本?；瘜W(xué)虛擬仿真實驗平臺，改革傳統(tǒng)教學(xué)理念，融合信息化技術(shù)，構(gòu)建了儀器分析實驗課程的線上線下混合式教學(xué)模式。在運行中，堅持平臺開放，資源共享，堅持“以學(xué)生為主”，利用在線平臺內(nèi)容的完整性、形式的生動性等特點，將虛擬仿真和現(xiàn)實操作有機結(jié)合，打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，使儀器分析實驗課程的“線上”+“線下”教學(xué)模式更加完善。