虛擬仿真與慕課結(jié)合助力《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)教學(xué)*

曹 靜，李凌云，王 晨

(福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108)

材料分析表征是材料學(xué)科中重要的組成部分，在新型材料的研發(fā)中起到舉足輕重的作用。因此無(wú)論從教學(xué)還是科研角度出發(fā)，《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)在材料及其相關(guān)學(xué)科中都發(fā)揮著十分重要的作用。以福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為例，《材料分析方法》作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和科研素質(zhì)，課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了大型精密儀器測(cè)試分析相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括：紅外光譜測(cè)試技術(shù)與圖譜解析、紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)定量測(cè)試方法、X射線衍射實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡樣品制備與形貌觀察、透射電鏡樣品制備及測(cè)試技術(shù)等。但由于以上項(xiàng)目設(shè)計(jì)的大型儀器設(shè)備存在價(jià)格昂貴、操作相對(duì)復(fù)雜、臺(tái)套數(shù)有限等諸多問(wèn)題，使其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)受到較多制約，學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少，難以滿足工程教育對(duì)于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

1 《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的問(wèn)題

在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，大型精密儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)主要為演示實(shí)驗(yàn)，為了保證儀器設(shè)備的“安全”，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程和考核點(diǎn)等的設(shè)置都收到很大的限制，學(xué)生學(xué)習(xí)印象不深，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期效果。具體來(lái)說(shuō)，以《材料分析方法》為代表的這類課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.1 實(shí)驗(yàn)受儀器、時(shí)間和空間限制

近年來(lái)隨著一流學(xué)科建設(shè)進(jìn)程的推薦，我校、我院大型精密儀器的數(shù)量逐年增加，但該類設(shè)備一般都存在價(jià)格昂貴，維修費(fèi)用高等特點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)套的教學(xué)需要，而面對(duì)我院每年將近200名的本科生，儀器設(shè)備明顯不足，因此在過(guò)去傳統(tǒng)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生參與動(dòng)手的機(jī)會(huì)很少，部分學(xué)生甚至無(wú)法看清實(shí)驗(yàn)過(guò)程，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的[1-2]；此外，大型精密儀器所涉及的原理知識(shí)比較抽象，且部分儀器操作過(guò)程比較復(fù)雜，需要學(xué)生投入較多的時(shí)間去反復(fù)學(xué)習(xí)和操練，而受儀器資源限制，因此最后不得不犧牲實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)。在以往傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生課前對(duì)相關(guān)知識(shí)理解不深，在課堂上更難以接受復(fù)雜的儀器操作和分析方法，而這類實(shí)驗(yàn)課程又難以為學(xué)生創(chuàng)造反復(fù)操練的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果非常有限。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核點(diǎn)設(shè)置受限

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，教師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置正確的儀器參數(shù)及程序，選擇理想的樣品，或教師演示實(shí)驗(yàn)，或要求學(xué)生在設(shè)定的參數(shù)條件下進(jìn)行操作[3]，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果是得到正常的、理想的數(shù)據(jù)。雖然保證了實(shí)驗(yàn)成功率，保障了設(shè)備安全，但無(wú)法體現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣性，因此學(xué)生無(wú)法體驗(yàn)參數(shù)設(shè)置偏差、樣品制備不理想、測(cè)試數(shù)據(jù)效果不好等結(jié)果，更無(wú)從理解和分析偏差原因。因此實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生收獲甚微。這大大違背了當(dāng)前“以學(xué)生為中心”的教育理念。

1.3 部分實(shí)驗(yàn)成本高、能耗大，存在安全隱患

大型儀器設(shè)備一般會(huì)涉及水、電、氣，部分還包括大量有毒有害化學(xué)藥品，甚至易燃易爆危險(xiǎn)氣體的使用等。如果將其在本科教學(xué)中直接使用，勢(shì)必存在較大的安全隱患，包括實(shí)驗(yàn)室安全、設(shè)備安全、人員安全等方面，無(wú)法保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展；此外，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需消耗大量有害溶劑或?qū)嶒?yàn)耗材，使實(shí)驗(yàn)成本高或造成環(huán)境污染等。

2 解決途徑-慕課建設(shè)與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)的快速發(fā)展及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的逐步應(yīng)用，為我們改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法提供了一些啟發(fā)和思路。其中，自2012年以來(lái)在世界范圍迅速興起的慕課，就是互聯(lián)網(wǎng)和高等教育結(jié)合的產(chǎn)物。慕課教學(xué)模式打破了教育的時(shí)空界限，顛覆了傳統(tǒng)大學(xué)課堂教與學(xué)的方式[4]，將各高校課程資源與世界各地的學(xué)者分享，實(shí)現(xiàn)在線學(xué)術(shù)交流與討論學(xué)習(xí)[5]。但遺憾的是，目前已有的慕課教學(xué)主要應(yīng)用于理論課，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的例子極少。我院已建成的《材料物理性能與結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)》慕課作為福建省實(shí)驗(yàn)類省級(jí)精品在線開(kāi)放課程，就很好的利用了慕課教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和作用，將原本復(fù)雜的操作、抽象的原理以教學(xué)視頻的形式展示給學(xué)生，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在線預(yù)習(xí)、反復(fù)觀看視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)[6]，直到看懂、看清操作過(guò)程為止?？梢哉f(shuō)，《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n資源的建設(shè)為學(xué)生提供了清晰、豐富的教學(xué)資源，同時(shí)使學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)方式更加靈活，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n建設(shè)解決了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果不好的問(wèn)題，但學(xué)生在實(shí)際操作環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題仍無(wú)法解決，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)則可以有效克服實(shí)體實(shí)驗(yàn)中存在的上述問(wèn)題[7]，利用其高效率、綠色環(huán)保、直觀、安全、不受時(shí)間和空間限制等特點(diǎn)[8]，允許學(xué)生嘗試設(shè)置不同參數(shù)、不同實(shí)驗(yàn)條件、不同樣品等對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多樣化。學(xué)生可比較并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)對(duì)較抽象的材料微觀結(jié)構(gòu)、儀器工作原理、運(yùn)行狀態(tài)等有更直觀的認(rèn)識(shí)和理解，實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和慕課教學(xué)無(wú)法滿足的教學(xué)目標(biāo)[9]。在虛擬仿真與慕課相結(jié)合的背景下，《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用全新的教學(xué)模式(圖1)，將“線上慕課預(yù)習(xí)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”與“線下課堂指導(dǎo)+實(shí)際操作”相結(jié)合，虛實(shí)結(jié)合[10-11]，即將傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程轉(zhuǎn)移到線上進(jìn)行，通過(guò)視頻微課程講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理、演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程、闡述實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)；線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供實(shí)際操作演練平臺(tái)，學(xué)生還可反復(fù)嘗試和設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，體驗(yàn)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而對(duì)操作過(guò)程留下深刻印象，通過(guò)平臺(tái)的答疑室，學(xué)生還可隨時(shí)與指導(dǎo)教師在線交流。

借助慕課平臺(tái)與虛擬仿真技術(shù)，一個(gè)完整的學(xué)習(xí)流程可描述為：學(xué)生利用慕課系統(tǒng)進(jìn)行在線預(yù)習(xí)，了解基本原理、學(xué)習(xí)操作過(guò)程和注意事項(xiàng)，并結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行操作練習(xí)，直到通過(guò)操作考核。在此基礎(chǔ)上在線提交預(yù)習(xí)報(bào)告，寫(xiě)明實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)等；經(jīng)指導(dǎo)教師審核通過(guò)，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，分組完成實(shí)驗(yàn)操作，最終得到所需測(cè)試數(shù)據(jù)；課后學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容，結(jié)合自行查閱文獻(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教學(xué)過(guò)程強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主導(dǎo)，教師只在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)予以指導(dǎo)。充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，將“學(xué)”的主動(dòng)性交給學(xué)生[12]，有助于提高學(xué)生思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)置師生交流在線答疑環(huán)節(jié)，這對(duì)于提高學(xué)生的滿意度和學(xué)習(xí)積極性也很有幫助[13]。

圖1 線上線下結(jié)合、虛擬仿真與慕課結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3 教學(xué)體系構(gòu)建要點(diǎn)

3.1 制作理論與實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)兼具的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻

將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分步制作成2～4個(gè)微視頻，每個(gè)微視頻時(shí)間控制在15～20分鐘，內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器結(jié)構(gòu)及原理、儀器操作方法及注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)處理及分析等[14]。操作視頻中將實(shí)體實(shí)驗(yàn)中難以向?qū)W生清晰展示的關(guān)鍵部分以特寫(xiě)鏡頭展示(見(jiàn)圖2)，并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，獲得更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外將重要的注意事項(xiàng)醒目地提示，在教學(xué)視頻中，根據(jù)視頻講述內(nèi)容及時(shí)提出問(wèn)題，督促學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求解決方法，徹底改變了以往實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。除視頻資源外，還設(shè)置課后作業(yè)和測(cè)驗(yàn)題，供學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。

在實(shí)現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)上，我院《材料分析方法》實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n還通過(guò)慕課平臺(tái)與微信的關(guān)聯(lián)，在平臺(tái)增加微信提供課程進(jìn)度功能，使學(xué)生及時(shí)了解課程內(nèi)容及課后作業(yè)、測(cè)驗(yàn)題等的發(fā)布時(shí)間安排。此外還設(shè)置了討論區(qū)，便于學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間就課程內(nèi)容進(jìn)行深入交流、討論。

圖2 慕課截圖-掃描電鏡樣品室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

需要注意的是，相比傳統(tǒng)教學(xué)方法，慕課將大量的知識(shí)濃縮在一段段的短視頻中，這些視頻作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的“指南”，需要做到準(zhǔn)確、全面。由于該課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中涉及精密貴重儀器設(shè)備，因此視頻中必須講明重要的注意事項(xiàng)。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用虛擬仿真技術(shù)，將大型精密儀器操作部分、高危、高能耗、涉及有毒有害藥品的實(shí)驗(yàn)操作部分制作成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在模擬的三維空間中設(shè)計(jì)人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的無(wú)縫交融[15]，其內(nèi)容強(qiáng)調(diào)交互操作，給學(xué)生較多的動(dòng)手操作和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，便于學(xué)生在虛擬環(huán)境中多次嘗試，反復(fù)練習(xí)。虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)置學(xué)習(xí)模式和考核模式兩種類型。其中學(xué)習(xí)模式引導(dǎo)學(xué)生按實(shí)驗(yàn)流程一步步完成參數(shù)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理分析等，并在適當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)操作相關(guān)思考題，以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料、回放慕課內(nèi)容來(lái)解答問(wèn)題；考核模式則根據(jù)考核內(nèi)容及安全操作要求等，設(shè)計(jì)并寫(xiě)入不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多樣化，如當(dāng)設(shè)置或選擇不同參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的正確結(jié)果、錯(cuò)誤結(jié)果，設(shè)置為操作過(guò)程的選擇題或填空題，當(dāng)學(xué)生做出選擇后，系統(tǒng)評(píng)判正確與否，并進(jìn)行答案及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)解析(見(jiàn)圖3)；此外，從安全角度考慮，還設(shè)計(jì)了當(dāng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)者受傷、儀器故障等后果，如操作者被燙傷、燒傷、中毒等的動(dòng)畫(huà)效果，將這些實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)果和效果，通過(guò)虛擬仿真動(dòng)畫(huà)直觀地展示出來(lái)。通過(guò)以上多樣化數(shù)據(jù)和動(dòng)畫(huà)效果的展示，使學(xué)生加深印象，了解正確的操作方法，明確參數(shù)設(shè)置依據(jù)，并提高了安全意識(shí)。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作中的題目及答案解析

3.3 合理設(shè)置考核方式

結(jié)合新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容及考核方式[16]進(jìn)行了全面更新。考核分為線上、線下兩部分，線上考核包括預(yù)習(xí)報(bào)告和虛擬操作，預(yù)習(xí)報(bào)告中要求學(xué)生能正確寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)操作步驟，正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并寫(xiě)明實(shí)驗(yàn)可能存在的問(wèn)題和關(guān)鍵注意事項(xiàng)，通過(guò)以上內(nèi)容考察學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解程度和對(duì)項(xiàng)目的掌握程度；操作考核成績(jī)則根據(jù)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)的考核模式中操作是否熟練，能否正確選擇實(shí)驗(yàn)材料及用具、正確選擇表征設(shè)備、正確回答操作相關(guān)題目等，由虛擬仿真系統(tǒng)給出。線下考核內(nèi)容包括實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分，實(shí)際操作中，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生操作的熟練程度和對(duì)問(wèn)題的解決情況進(jìn)行評(píng)價(jià)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括正確回答慕課平臺(tái)中的理論部分相關(guān)問(wèn)題，以及虛擬仿真平臺(tái)中操作部分相關(guān)問(wèn)題，并就實(shí)際操作所得數(shù)據(jù)結(jié)果，正確進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合參考文獻(xiàn)正確分析數(shù)據(jù)。

3.4 課外活動(dòng)拓展

除了基本知識(shí)和方法的講授外，通過(guò)在線上設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)考題，并結(jié)合學(xué)科前沿，設(shè)置包含多個(gè)項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)的綜合類試題，為學(xué)有余力的學(xué)生提供繼續(xù)提升的平臺(tái)。設(shè)置答題闖關(guān)游戲、答題金幣等趣味活動(dòng)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，作為課堂教學(xué)活動(dòng)的有效延伸。線下設(shè)立課外科研拓展班，為基礎(chǔ)扎實(shí)、對(duì)科研有濃厚興趣的學(xué)生提供訓(xùn)練科研能力的平臺(tái)?？蒲型卣拱嘁韵拗泼~的方式，優(yōu)勝劣汰，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，提出具有科研價(jià)值或開(kāi)發(fā)背景的課題，到教師的研究室或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，盡早了解科學(xué)研究的思路和方法。這種模式使學(xué)生直接介入學(xué)科前沿，利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)。

4 教學(xué)秩序和教學(xué)質(zhì)量保障

為了保障新型教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)秩序，保證教學(xué)質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，主要措施有：(1)課程團(tuán)隊(duì)組織方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在教學(xué)副院長(zhǎng)的帶領(lǐng)下負(fù)責(zé)實(shí)施教學(xué)工作。各課程負(fù)責(zé)教師承擔(dān)實(shí)驗(yàn)大綱和指導(dǎo)書(shū)的制定和校對(duì)工作，并結(jié)合教學(xué)反饋定期進(jìn)行必要的修訂；專職實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員除負(fù)責(zé)線下指導(dǎo)外，在教學(xué)過(guò)程中還定期通過(guò)線上、線下途徑收集學(xué)生關(guān)于慕課和虛擬仿真教學(xué)資源的反饋意見(jiàn)，并根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行更新。團(tuán)隊(duì)成員各司其職，互助合作，保證教學(xué)過(guò)程有序進(jìn)行；(2)成立院內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)督導(dǎo)組，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量不定時(shí)檢查與評(píng)估，包括課程實(shí)施過(guò)程及實(shí)施結(jié)果等，并將檢查結(jié)果及時(shí)反饋給課程組。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，將虛擬仿真與慕課相結(jié)合，互促互補(bǔ)，通過(guò)線上、線下的學(xué)習(xí)和實(shí)際操作，通過(guò)教學(xué)資源的巧妙設(shè)置和合理利用，能夠開(kāi)發(fā)出更多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，向?qū)W生呈現(xiàn)更加豐富、全面的知識(shí)內(nèi)容，提供全方位的知識(shí)體系，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、提高大型精密儀器利用率[17]提供了全新的方法和思路。