基于云桌面平臺的無機化學(xué)實驗教學(xué)模式與實踐

楊漢民，張艷

1中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

2中南民族大學(xué)實驗教學(xué)與工程訓(xùn)練中心，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，武漢 430074

無機化學(xué)是普通高?；瘜W(xué)、化工、輕工、材料、冶金、生物醫(yī)藥等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生進(jìn)入高校學(xué)習(xí)的第一門化學(xué)專業(yè)課[1]。無機化學(xué)實驗是無機化學(xué)課程的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實驗操作技能，分析問題、解決問題能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要手段。教育部提出要加速推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)的深層次融合，將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)深度應(yīng)用到教學(xué)過程中[2]。云桌面技術(shù)是云計算的典型應(yīng)用，可通過瘦客戶端或其他任何與網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備訪問跨平臺的應(yīng)用程序及整個客戶桌面[3]。云桌面具有彈性擴(kuò)展、靈活多變、極大簡化管理等特點，學(xué)生可不受時間、地點、設(shè)備和學(xué)時的限制，隨時隨地進(jìn)行自由學(xué)習(xí)和開展探究實驗，在實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。我校無機化學(xué)實驗課程利用先進(jìn)的云桌面技術(shù)，搭建實驗平臺，探索云開放的實驗教學(xué)模式，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的諸多問題，為無機化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展提供了思考和借鑒。

1 無機化學(xué)實驗教學(xué)存在的問題

1.1 實驗教學(xué)模式和內(nèi)容單一

傳統(tǒng)實驗教學(xué)依附于理論教學(xué)，采用教師主導(dǎo)實驗課堂，詳細(xì)講解實驗理論、實驗內(nèi)容和實驗步驟，實驗儀器設(shè)備示范操作，指導(dǎo)學(xué)生實驗、檢查實驗結(jié)果、批改實驗報告的模式。學(xué)生把實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容照抄一遍，按照實驗教材“照方抓藥”完成實驗。實驗內(nèi)容大多是對知識的驗證，綜合性、設(shè)計性的實驗項目偏少。學(xué)生缺乏獨立思考，分析問題和解決問題的能力薄弱，開展創(chuàng)新探究性實驗的能力不足。

1.2 實驗考核評價不全面

實驗教學(xué)按照固定的時間、實驗室和儀器設(shè)備開展，成績由實驗報告和課堂出勤綜合給出，有部分學(xué)生為了考勤應(yīng)付實驗、抄襲他人實驗報告的現(xiàn)象嚴(yán)重，從而降低了實驗的效果。考核評價以實驗報告為唯一評價依據(jù)，尤其是在分組實驗情況下成績區(qū)分度非常低，缺乏科學(xué)有效的協(xié)作式、過程性評價機制[4]。

1.3 實驗教學(xué)與信息技術(shù)結(jié)合不足

實驗教學(xué)大多采用多媒體教學(xué)，存在課程視頻、虛擬仿真等教學(xué)要素與實驗空間結(jié)合不足的問題，信息化教學(xué)程度不高，制約了實驗教學(xué)的效果。學(xué)生對實驗課程興趣不高，缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

2 基于云桌面的無機化學(xué)實驗平臺

云技術(shù)作為一種新興技術(shù)被認(rèn)為是繼個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)之后電子信息領(lǐng)域的又一重大變革，也正改變著IT業(yè)的結(jié)構(gòu)模式。它是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，共享軟硬件資源和信息，并通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)[5]。根據(jù)無機化學(xué)實驗教學(xué)存在的問題，借助云計算技術(shù)和云桌面服務(wù)搭建無機化學(xué)實驗教學(xué)云平臺，實現(xiàn)以下功能目標(biāo)：建立共享、開放、高效的云端教學(xué)環(huán)境；實驗教學(xué)資源最大化使用；隨時隨地的移動教學(xué)；滿足實驗項目動態(tài)更新；提升實驗教學(xué)的針對性和有效性，促進(jìn)師生間的互動交流和校企協(xié)同發(fā)展。

2.1 實驗數(shù)據(jù)庫建立

(1) 教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫。包括各種常用系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、課程電子教材和教案、教學(xué)PPT課件、課程教學(xué)大綱、實驗指導(dǎo)書、教學(xué)講義、課程設(shè)計指導(dǎo)書、習(xí)題與在線試題庫、視頻資源庫、實驗操作視頻、微課、在線課程、慕課平臺、仿真軟件、企業(yè)數(shù)據(jù)、教學(xué)和創(chuàng)業(yè)案例庫等教學(xué)資源，實現(xiàn)了教學(xué)、企業(yè)、案例等教學(xué)資源的重構(gòu)。

(2) 綜合實驗項目庫。實驗項目庫建設(shè)突出學(xué)科交叉性、選題應(yīng)用性、科研訓(xùn)練全程性，教師是引導(dǎo)者、協(xié)助者、組織者，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新活動和創(chuàng)新思維能力[6]。實驗項目庫由教師的科研課題、橫向課題、企業(yè)真實的項目和校企合作的項目等組成。

2.2 云桌面實驗平臺構(gòu)建

無機化學(xué)云桌面實驗平臺由云服務(wù)器、云端儀器設(shè)備、教學(xué)資源和管理平臺等要素組成，包括三個部分：云端虛擬層、管理層和客戶端，如圖1所示。

圖1 云桌面實驗平臺架構(gòu)圖

虛擬層，是指在云終端上運行虛擬化平臺，通過虛擬化平臺為云終端提供云桌面服務(wù)，將實驗教學(xué)資源上傳到云端，實現(xiàn)云桌面實驗平臺的建立。管理層，通過云主機管理平臺，對教學(xué)環(huán)境、云終端、存儲、配置策略等統(tǒng)一管理。客戶端，采用云終端一體化設(shè)計，學(xué)生通過移動設(shè)備登錄云桌面實驗平臺進(jìn)行實驗操作。將實驗章節(jié)資料、測試題、教師課件等教學(xué)資源放在教師云空間，供學(xué)生課前學(xué)習(xí)。云桌面實驗平臺界面實例如圖2所示。

圖2 云桌面實驗平臺界面實例

云桌面實驗平臺可以實現(xiàn)虛擬桌面環(huán)境下的屏幕廣播、視頻廣播、學(xué)生演示、電子點名、遙控監(jiān)看、黑屏肅靜、屏幕錄制、屏幕回放、桌面切換等教學(xué)互動功能。該平臺的建立，可將實驗室環(huán)境搬到云端，搭建“桌面自服務(wù)平臺”，構(gòu)建線上線下雙擎教學(xué)模式，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地跨地域、全天候獲取實驗環(huán)境進(jìn)行實驗教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)、科學(xué)研究，實現(xiàn)教學(xué)空間和時間的無限擴(kuò)展。

3 基于云桌面實驗平臺的無機化學(xué)實驗課程教學(xué)模式

3.1 云開放實驗教學(xué)模式總體框架

無機化學(xué)實驗課程教學(xué)依據(jù)學(xué)生實驗前、實驗中、實驗后的學(xué)習(xí)規(guī)律，從實驗課前傳遞信息、實驗課堂吸收內(nèi)化、實驗課后總結(jié)提升三方面，利用云桌面技術(shù)構(gòu)建了線上線下“云導(dǎo)學(xué)、云助學(xué)、云促學(xué)”的實驗教學(xué)模式，總體框架如圖3所示。

圖3 云開放實驗教學(xué)模式框架圖

(1) 云導(dǎo)學(xué)：教師通過云桌面發(fā)布實驗任務(wù)，學(xué)生根據(jù)云端教學(xué)資源，包括課程視頻、課程教學(xué)大綱、實驗指導(dǎo)書、教學(xué)課件、在線試題庫等，通過使用PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦，云端在線預(yù)習(xí)實驗，學(xué)習(xí)實驗課程知識點、實驗數(shù)據(jù)的處理技能和規(guī)范操作，通過教師答疑板塊、論壇互動，掌握線上實驗平臺的使用方法，并上傳實驗預(yù)習(xí)報告。

(2) 云助學(xué)：教師通過在線會議平臺云端直播教學(xué)，學(xué)生以小組形式匯報實驗項目的進(jìn)展，教師逐一點評和指導(dǎo)，對實驗的重點、難點進(jìn)行剖析。線上實驗平臺全天為學(xué)生開放，學(xué)生通過PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦隨時隨地登錄云桌面線上學(xué)習(xí)，專人負(fù)責(zé)實時在線答疑。實驗課堂變成了師生、生生之間互動的場所，將課堂教學(xué)由“單一主體知識教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘀黧w知識互動”，充分發(fā)揮對學(xué)生的引導(dǎo)與激勵作用[7]。線上線下教學(xué)互補，從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并通過教師指導(dǎo)改進(jìn)獲得提升，外在的學(xué)習(xí)逐步吸收內(nèi)化為實踐能力提升和知識創(chuàng)新應(yīng)用。

(3) 云促學(xué)：實驗平臺提供了大量教學(xué)數(shù)據(jù)和學(xué)生實驗行為數(shù)據(jù)，通過分析學(xué)生實驗數(shù)據(jù)和考試信息，追蹤學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡，量化課程知識點的難度和操作技能訓(xùn)練等，這些真實的數(shù)據(jù)信息用于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)生管理，激勵學(xué)生個性化學(xué)習(xí)和教師針對性教學(xué)。學(xué)生通過線上虛擬實驗?zāi)M再到實驗室現(xiàn)場操作，整個過程就是一個總結(jié)提升的演練。實驗項目來自教師的科研和企業(yè)真實的項目，實驗教學(xué)的過程就是一次全面科學(xué)研究的思想、方法和過程的訓(xùn)練。

云開放實驗教學(xué)模式建立，使教學(xué)授課環(huán)境根據(jù)實際授課要求靈活切換，數(shù)據(jù)資源集中在高性能服務(wù)器上，實現(xiàn)無縫移動和協(xié)同教學(xué)，提升了實驗教學(xué)的有效性和針對性。

3.2 云桌面平臺實驗流程

學(xué)生根據(jù)教師分配的實驗項目任務(wù)要求，通過PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦登錄云桌面實驗平臺客戶端。學(xué)生通過云端虛擬仿真軟件線上預(yù)習(xí)，按照實驗原理、實驗步驟、溶液配制、儀器方法進(jìn)行虛擬實驗，軟件客戶端實時顯示實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，在線判斷實驗項目操作正確與否，出現(xiàn)錯誤及時給出錯誤提示，并自動評判成績。線上實驗過程中，學(xué)生點擊鼠標(biāo)，與云服務(wù)器軟件之間進(jìn)行交互，讓學(xué)生得到“真實”環(huán)境的實驗體驗，平臺試劑、操作方法、儀器顯示等與線下實驗室實驗流程一致，方便學(xué)生快速入門。實驗安全教育和實驗儀器基本操作兩部分內(nèi)容必須在線上完成，學(xué)生成績合格后方能進(jìn)入實驗室做實驗。線上實驗流程如圖4所示。

圖4 線上實驗流程圖

學(xué)生完成線上實驗預(yù)習(xí)后，進(jìn)入實驗室集中進(jìn)行實驗項目的現(xiàn)場操作。實驗課程指導(dǎo)教師針對學(xué)生的操作規(guī)范和實驗結(jié)果，進(jìn)行個別化的指導(dǎo)與差異化幫助，完成實驗項目驗收，評定實驗操作成績。

3.3 實驗成績考核評價

實驗成績考核包括線上、線下實驗兩方面，強化學(xué)習(xí)過程性評價。線上成績主要考核學(xué)生訪問在線課程、觀看教學(xué)視頻、參與學(xué)習(xí)活動、完成在線測驗和提交預(yù)習(xí)報告等情況。包含章節(jié)測驗、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、討論、作業(yè)、考試、簽到、課堂互動等，占總成績的40%。線下成績根據(jù)現(xiàn)場實驗操作、實驗課考勤、實驗報告確定，占總成績60%。實驗成績考核評價最大限度地激勵學(xué)生參與實驗，實現(xiàn)成績考核的準(zhǔn)確、客觀和公平。

實驗課程通過線上和線下相結(jié)合的方式，課前學(xué)習(xí)云桌面教學(xué)資源，課中教師解決重點問題，課后總結(jié)反饋，在32學(xué)時實驗過程中，線上學(xué)習(xí)節(jié)約了線下實驗時間，不但沒有增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，反而有效地督促學(xué)生平時認(rèn)真學(xué)習(xí)，提高了線下實驗的效率，整體提升了實驗課程的教學(xué)效果。

3.4 云開放實驗教學(xué)模式應(yīng)用案例

我校無機化學(xué)實驗課程利用云桌面平臺進(jìn)行探索和實踐，對實驗項目動態(tài)更新調(diào)整，下面以“氯化鈉的提純”實驗為例，闡述云開放實驗教學(xué)模式的應(yīng)用。

云導(dǎo)學(xué)：教師發(fā)布線上預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生在云桌面平臺線上預(yù)習(xí)沉淀溶解平衡原理，定性檢出方法，濃縮、結(jié)晶、過濾等固-液分離方法和操作。為了使學(xué)生掌握NaCl提純的化學(xué)原理和方法，溶液加熱、攪拌、濃縮、結(jié)晶、過濾等基本操作，通過線上師生問答、論壇互動模塊，學(xué)生可以與老師及其他同學(xué)交流溝通。通過教學(xué)資源的學(xué)習(xí)，撰寫預(yù)習(xí)報告，總結(jié)實驗原理、實驗操作和儀器設(shè)備使用，并上傳云端。教師通過線上課程視頻、課程測驗、學(xué)習(xí)次數(shù)、線上測試成績和預(yù)習(xí)報告，給出課前導(dǎo)學(xué)部分成績。學(xué)生按照觀看實驗視頻、學(xué)習(xí)實驗原理和操作、完成線上測試、提交預(yù)習(xí)報告四個步驟完成線上學(xué)習(xí)。線上實驗學(xué)習(xí)流程如圖5所示。

圖5 氯化鈉的提純實驗線上學(xué)習(xí)流程

云助學(xué)：學(xué)生在實驗室進(jìn)行粗鹽的溶解，除去SO42-，除去Ca2+、Mg2+和過量的Ba2+；除去CO32-和OH-；濃縮、結(jié)晶；質(zhì)量的定性檢驗。教師通過觀察學(xué)生實驗操作的規(guī)范程度，實驗結(jié)果的處理，小組、組間討論等考核學(xué)生和小組的表現(xiàn)，評定實驗操作成績。

云促學(xué)：學(xué)生提交實驗報告，包括實驗?zāi)康摹嶒炘?、儀器與藥品、實驗步驟、對實驗數(shù)據(jù)處理和制圖，得出實驗結(jié)論。實驗后通過撰寫實驗報告，進(jìn)行知識整理和數(shù)據(jù)分析，并上傳云端，再通過查看教師對報告的批改，實現(xiàn)對重點難點的掌握和對學(xué)習(xí)效果的總結(jié)提升。對學(xué)有余力的學(xué)生要求以科研論文或者專利形式提交實驗報告，培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力。教師通過云端教學(xué)平臺，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)次數(shù)、在線測驗得分、作業(yè)統(tǒng)計等數(shù)據(jù)信息和硬件資源分析，安排實驗操作，調(diào)整實驗項目，全過程跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)，有力地促進(jìn)了實驗教學(xué)。

云開放的實驗教學(xué)模式通過線上線下資源開放、數(shù)據(jù)互通、共享學(xué)習(xí)、移動教學(xué)和協(xié)作交流，激發(fā)了學(xué)生參與實驗的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力、復(fù)雜問題解決能力和綜合實踐能力。

4 云桌面平臺實驗?zāi)Ｊ降膽?yīng)用效果

(1) 創(chuàng)新了教學(xué)理念。在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，構(gòu)建了線上線下“云導(dǎo)學(xué)、云助學(xué)、云促學(xué)”的全新教學(xué)模式，形成新型的師生相互促進(jìn)的教學(xué)關(guān)系和共同成長的學(xué)習(xí)共同體，使實驗教學(xué)成為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要平臺。該模式解決了實驗教學(xué)中學(xué)生參與度不強、師生互動不足、個性化學(xué)習(xí)不夠的問題，全面提升了實驗教學(xué)質(zhì)量。

(2) 創(chuàng)新了實驗內(nèi)容。云桌面技術(shù)的教學(xué)模式，使學(xué)生在云端沉浸式教學(xué)環(huán)境下完成互動探究、自主學(xué)習(xí)，實驗教學(xué)項目主要來源于教師的科研和企業(yè)真實項目，使實驗內(nèi)容貼近工作實際，打通了學(xué)生就業(yè)“最后一公里”。該模式有助于學(xué)生掌握專業(yè)知識，培養(yǎng)實踐能力，大幅縮短人才的培養(yǎng)周期，縮減學(xué)生走上工作崗位后的適應(yīng)期和磨合期。

5 實驗教學(xué)模式的實踐與反饋

云開放實驗教學(xué)模式，在2021級化學(xué)類和經(jīng)管類學(xué)生中進(jìn)行。化學(xué)類和經(jīng)管類學(xué)生借助云桌面實驗平臺進(jìn)行實驗教學(xué)。實驗教學(xué)結(jié)束后，對三個班學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要包括對目前實驗教學(xué)環(huán)境的滿意度、使用云桌面平臺對學(xué)習(xí)的影響、實驗完成質(zhì)量等指標(biāo)。其中云桌面的內(nèi)容僅由使用云桌面平臺的學(xué)生填寫。178份調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果顯示，在實驗教學(xué)環(huán)境滿意度方面，化學(xué)類中有95.2%的學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)境滿意，經(jīng)管類中有96.8%的學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)境滿意，資環(huán)類實驗教學(xué)環(huán)境的滿意度為72.5%。在使用云桌面平臺對學(xué)習(xí)的影響方面，化學(xué)類和經(jīng)管類學(xué)生普遍認(rèn)為：能隨時隨地獲取資源，數(shù)據(jù)及時分析，思考與創(chuàng)新不受時空限制；可以用到海量數(shù)據(jù)的終端；可移動學(xué)習(xí)，云桌面平臺具有無處不在的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、計算和溝通；云桌面平臺上網(wǎng)流暢、存儲安全。在實驗完成質(zhì)量方面，化學(xué)類學(xué)生課下學(xué)習(xí)用時平均每個實驗項目在1 h，經(jīng)管類學(xué)生課下學(xué)習(xí)用時平均每個實驗項目在1.2 h，而資環(huán)類學(xué)生只用0.5 h；教師依據(jù)實驗預(yù)習(xí)、現(xiàn)場操作和實驗報告評定實驗成績，分為優(yōu)秀、良好、及格和不及格4個等級，化學(xué)類、經(jīng)管類和資環(huán)類實驗成績優(yōu)良率分別是85.2%、87.7%和70.4%?；瘜W(xué)類、經(jīng)管類學(xué)生對云桌面平臺的體驗表示滿意，認(rèn)為云桌面平臺操作靈活、使用教學(xué)資源便捷、數(shù)據(jù)分析能力和個性化存儲空間方便了實驗學(xué)習(xí)，提升了分析問題、解決問題的能力，對于培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維有幫助。總體來看，學(xué)生對使用云桌面技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)普遍表現(xiàn)出極高認(rèn)可度。2021-2022第一學(xué)期末，對化學(xué)類和資環(huán)類的無機化學(xué)實驗課程進(jìn)行考核，經(jīng)管類的員工績效管理實驗課程進(jìn)行考核。課程考核包括課前預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告三方面，表1反映了學(xué)生實驗考核平均成績的差異。

表1 課程考核平均成績對比表

表1中可見，化學(xué)類、經(jīng)管類學(xué)生考核成績明顯優(yōu)于資環(huán)類學(xué)生，這與學(xué)生課前實驗的預(yù)習(xí)時間、課堂積極參與、課后鞏固練習(xí)、互動交流時間的投入增加有極大關(guān)系。使用云桌面豐富了實驗項目，增加了貼近實際、綜合性和設(shè)計性的實驗項目，使實驗教學(xué)助力應(yīng)用型、復(fù)合型化學(xué)人才培養(yǎng)，表2所示為云桌面使用前后實驗項目與教學(xué)模式的對比。

表2 云桌面使用前后實驗項目與教學(xué)模式對比

將先進(jìn)的云桌面技術(shù)融入實驗教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和興趣，實現(xiàn)了三個轉(zhuǎn)變：從傳統(tǒng)的以教師為中心的課堂講解、學(xué)生實驗向以學(xué)生為中心，利用線上線下教學(xué)資源完成實驗轉(zhuǎn)變；實驗的教學(xué)過程從固定時間、固定實驗室向隨時隨地自主學(xué)習(xí)后再到實驗室進(jìn)行實驗轉(zhuǎn)變；實驗評價從考勤成績和實驗報告的評價，向利用云端大數(shù)據(jù)追蹤學(xué)生實驗全過程、重在成果評價的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學(xué)生的獨立思考能力和解決實際問題能力。

6 結(jié)語

以云桌面技術(shù)和服務(wù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了無機化學(xué)云桌面實驗平臺，使無機化學(xué)實驗教學(xué)在廣度深度上突破了傳統(tǒng)實驗時間空間的限制，實驗教學(xué)變得方便靈活，實現(xiàn)了實驗教學(xué)資源利用的最大化。云開放實驗教學(xué)模式，重塑了師生關(guān)系，創(chuàng)新了實驗教學(xué)理念和體系，豐富了實驗教學(xué)項目，提升了實驗考核評價。今后要在開發(fā)實驗項目、優(yōu)化課程體系、提高云桌面實驗教學(xué)資源的利用率等方面積極探索，為無機化學(xué)實驗教學(xué)改革提供新思路。