基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的儀器分析課程教學(xué)改革研究

黃誠 劉媛媛 凡長坡

摘? 要 針對(duì)高等院校儀器分析課程的教學(xué)特點(diǎn)和實(shí)際現(xiàn)狀，基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備對(duì)該門課程進(jìn)行初步的教學(xué)改革探索，建立儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)，給出具體架構(gòu)和研究內(nèi)容。通過該平臺(tái)在教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用，目前已取得良好成效，提高了教學(xué)質(zhì)量，并且根據(jù)反饋，提出未來發(fā)展的思考和展望。

關(guān)鍵詞 儀器分析;移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備;教學(xué)改革;仿真學(xué)習(xí)平臺(tái);仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）24-0033-04

Research on Teaching Reform of Instrumental Analysis Course?based on Mobile Internet Devices//HUANG Cheng， LIU Yuanyuan，?FAN Changpo

Abstract In light of the teaching characteristic and present situation of the Instrument Analysis course in colleges and universities， this paper explored a preliminary on the teaching reform of the course based on Mobile Internet Devices. An Instrument Analysis simulated learning platform has been established， the specific frameworks and research contents were supplied. Through the practical application of the platform in teaching， good teaching results have been achieved?and the teaching quality has been improved. According to the feed-back of students， the reflection and prospect of future development were put forward toward this learning platform.

Key words instrument analysis; mobile internet devices; teaching reform; simulated learning platform; simulation experiment

1 前言

隨著科技的飛速發(fā)展，儀器分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、制藥、生物、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。儀器分析課程是高等學(xué)校理工科教學(xué)中不可或缺的重要基礎(chǔ)必修課之一，又是兼具實(shí)用性和實(shí)踐性的學(xué)科[1]。通過本門課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠熟練掌握相關(guān)儀器的基本原理、檢測(cè)方法，并且強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作技能的鍛煉，這樣可以快速融入未來各行業(yè)的工作、研究和深造之中，充分展現(xiàn)自身價(jià)值。

2 儀器分析課程教學(xué)現(xiàn)狀

儀器分析課程教學(xué)經(jīng)過多年的探索，已經(jīng)開發(fā)出一些行之有效的教學(xué)方法[2-3]，然而在實(shí)際教學(xué)中仍然存在一些問題需要解決。當(dāng)今社會(huì)對(duì)學(xué)生應(yīng)用技能要求的驅(qū)動(dòng)，使得儀器分析的實(shí)踐要求成為教學(xué)主導(dǎo)。這就要求在儀器分析教學(xué)中不能僅僅傳授原理，更要注重學(xué)生綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，兼顧理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠具有初步的就業(yè)、科研能力。同時(shí)，儀器分析涉及分析手段多，并且所依賴的原理不盡相同，操作方法更是各具特色。然而，在授課中面臨教學(xué)課時(shí)少，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大，不能完全掌握所教授的知識(shí)點(diǎn)。此外，分析儀器價(jià)格昂貴，教學(xué)實(shí)驗(yàn)中可使用的儀器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于授課學(xué)生，很難人手一臺(tái)，更難以對(duì)儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本操作原理進(jìn)行深入了解，使得學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐難以真正融合，無法真正將所學(xué)知識(shí)內(nèi)化為自己的專業(yè)素養(yǎng)。

基于以上問題，儀器分析課程教學(xué)就需要進(jìn)行合理改革，使抽象的原理變得生動(dòng)形象，使復(fù)雜的分析儀器變得清晰明了，最大限度提高教學(xué)質(zhì)量。

近年來，國內(nèi)一些高校根據(jù)儀器分析課程的特點(diǎn)，因地制宜地開展了多種教學(xué)改革，解決了教學(xué)過程中存在的問題[4-6]，但是關(guān)于研究性教學(xué)改革應(yīng)用還都處于探索階段，限制了理論聯(lián)系實(shí)際，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力提高有限。值得注意的是，在當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，教學(xué)改革已經(jīng)推進(jìn)到一個(gè)新的發(fā)展階段[7]，混合教學(xué)模式、虛擬仿真技術(shù)等手段融入儀器分析課堂教學(xué)中，為學(xué)生構(gòu)建交互式學(xué)習(xí)、交流的平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升儀器分析課程的教學(xué)質(zhì)量。

目前，移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦等在高校校園中廣泛使用，5G網(wǎng)絡(luò)迅速普及，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不再受時(shí)空限制，可及時(shí)地接收多種形式的學(xué)習(xí)資源，大大增強(qiáng)了教學(xué)的互動(dòng)性。因此，基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的儀器分析課程教學(xué)改革有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

本課題組對(duì)儀器分析課程進(jìn)行了基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的研究性教學(xué)方法探討與實(shí)踐，利用微信公眾平臺(tái)作為載體，將多種學(xué)習(xí)資源如課程課件、習(xí)題、視頻和虛擬仿真儀器等進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)，其架構(gòu)如圖1所示，促使學(xué)生掌握理論知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

3 移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備在儀器分析課程教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)東南大學(xué)成賢學(xué)院制藥與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)人才培養(yǎng)方案，設(shè)立“儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)”微信公眾號(hào)，包括課程相關(guān)、課程資源和仿真儀器三個(gè)部分，欄目概覽見圖2。

課程相關(guān)部分為課程簡介、教學(xué)大綱和教學(xué)成果，主要是儀器分析課程的教學(xué)目的、大綱和所取得的教學(xué)成果的展示。這些內(nèi)容可讓學(xué)生對(duì)課程有初步了解，知道所學(xué)知識(shí)在專業(yè)中的應(yīng)用，并通過介紹學(xué)院教師、學(xué)生在儀器分析相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽中所獲得的榮譽(yù)，激發(fā)學(xué)生對(duì)儀器分析課程的學(xué)習(xí)興趣，提升專業(yè)自信心。

課程資源部分由教學(xué)課件、課程題庫、自我測(cè)驗(yàn)和慕課堂所構(gòu)成。在原有線下教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，依賴教學(xué)大綱，梳理教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)選教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，制作適合本學(xué)院學(xué)生的電子課件，包括氣相色譜、高效液相色譜、原子發(fā)射光譜、原子吸收光譜、質(zhì)譜、紫外可見吸收光譜、紅外吸收光譜和核磁共振波譜等章節(jié)，介紹相關(guān)章節(jié)儀器的基本原理和應(yīng)用。同時(shí)，編寫圍繞核心知識(shí)點(diǎn)的課程題庫，并且在每次課后推送與章節(jié)內(nèi)容契合的自我測(cè)驗(yàn)。此外，在微信公眾平臺(tái)引入慕課堂，選取中國大學(xué)MOOC網(wǎng)上的優(yōu)秀教學(xué)視頻，供學(xué)生補(bǔ)充課堂學(xué)習(xí)的不足。以上資源可幫助學(xué)生課后預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和自學(xué)，更為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建提供了理論支撐。

在本學(xué)習(xí)平臺(tái)上，虛擬仿真儀器的建設(shè)是重中之重，本環(huán)節(jié)包括儀器結(jié)構(gòu)、分析原理和仿真儀器操作等三部分。儀器結(jié)構(gòu)、原理部分采用3D動(dòng)畫的形式展現(xiàn)各儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可看到儀器內(nèi)部的主要部件，并且通過Flash的形式呈現(xiàn)樣品進(jìn)入儀器后的運(yùn)行流程，使得原來封閉的儀器內(nèi)部清晰地展現(xiàn)出來，使得抽象的原理變得生動(dòng)形象，增強(qiáng)儀器的可視性，加深學(xué)生對(duì)儀器分析原理的理解。在仿真儀器操作欄目中，將國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)的儀器分析相關(guān)項(xiàng)目整合進(jìn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，所選用的項(xiàng)目涉及氣相色譜、質(zhì)譜、原子吸收、核磁共振、電感耦合等離子質(zhì)譜等多種儀器，并且每個(gè)儀器操作都是以實(shí)際科研問題作為依托，如高效液相色譜法測(cè)定蒙藥制劑“森登-9”中鹽酸小檗堿的含量、原子吸收法測(cè)定食品中微量元素、氣相色譜法檢測(cè)羊肉制品中風(fēng)味物質(zhì)等，具有鮮明的科研實(shí)踐意義。

每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要包括儀器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、基本操作方法等兩大部分，其中有些仿真實(shí)驗(yàn)過程還具有逼真的開、關(guān)機(jī)操作、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和譜圖定性、定量分析過程，如圖3所示的高效液相色譜仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中的操作練習(xí)，能讓學(xué)生把整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程基本熟悉起來，更能使得學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)過程結(jié)合起來加深理解、觸類旁通，提升學(xué)習(xí)效率。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)就能做到心中有數(shù)，可以迅速完成分析目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量。

該平臺(tái)于2019年8月上線，基于該平臺(tái)在2018級(jí)化工與制藥類班級(jí)開展了儀器分析課程的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備教學(xué)改革實(shí)踐，共有61名學(xué)生添加關(guān)注了該平臺(tái)，及時(shí)學(xué)習(xí)了推送的章節(jié)課件、測(cè)驗(yàn)等資源，進(jìn)行了仿真儀器操作練習(xí)。根據(jù)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)，截至2020年5月，共有612次訪問記錄，說明該平臺(tái)的構(gòu)建調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析課程的興趣，在課后得到廣泛使用，達(dá)到建立儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)的目的。此外，該學(xué)習(xí)平臺(tái)還具有互動(dòng)留言板塊，學(xué)生在使用過程中的疑問可以線上提問，教師再對(duì)問題進(jìn)行針對(duì)性解答，增強(qiáng)了師生間的交流，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)中提問較少的不足。教師通過這一互動(dòng)環(huán)節(jié)不僅可以幫助學(xué)生解決疑惑，也可以促進(jìn)自身對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)的調(diào)整。

4 移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備儀器分析教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中的思考和展望

在建設(shè)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行儀器分析教學(xué)改革過程中，越來越多的師生接受并習(xí)慣于這種虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，不僅掌握了儀器分析的理論知識(shí)，更在仿真儀器上熟練了操作技能，取得良好的教學(xué)效果。根據(jù)這一年多來的教學(xué)實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)關(guān)于儀器分析課程教學(xué)改革的思考和展望。

整合儀器分析課程學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)? 在構(gòu)建儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)過程中，需要將各方學(xué)習(xí)資源進(jìn)行篩選、優(yōu)化和整合，提高學(xué)生利用平臺(tái)學(xué)習(xí)的效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。近年來，開放、共享、共贏的思維廣泛體現(xiàn)在線上教學(xué)中，利用這一思路，可以充分豐富儀器分析的學(xué)習(xí)途徑，使學(xué)生可以博采眾長、融會(huì)貫通地學(xué)習(xí)儀器分析課程。在學(xué)習(xí)平臺(tái)上，除了本學(xué)院長期教學(xué)過程中積累的相關(guān)視頻、課件和題庫外，還鏈接了中國大學(xué)MOOC網(wǎng)上優(yōu)秀的儀器分析教學(xué)資源，感受到名校教師的講課風(fēng)采，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。同時(shí)，本平臺(tái)還引用了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)上的仿真實(shí)驗(yàn)，充分地讓學(xué)生在實(shí)踐中掌握儀器分析理論知識(shí)，切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和教學(xué)效率。這些仿真實(shí)驗(yàn)在共享后可無限制訪問，大大降低了仿真儀器實(shí)驗(yàn)的開發(fā)成本，加快了學(xué)習(xí)平臺(tái)的建設(shè)與推廣速度。

增強(qiáng)儀器分析仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)性，滿足學(xué)生專業(yè)發(fā)展需求? 目前，儀器分析課程主要在化工與制藥類專業(yè)中開設(shè)，是一門專業(yè)性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，需要熟練運(yùn)用分析儀器解決科研、生產(chǎn)中的大量實(shí)際問題，采用的是國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)上已有的儀器仿真實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)行不同儀器的虛擬操作，但并不能完全貼合本專業(yè)特色開展深入研究。因此，在儀器分析學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)過程中，要逐步開發(fā)適合本專業(yè)的仿真實(shí)驗(yàn)，滿足學(xué)生專業(yè)發(fā)展的切實(shí)需求，如氣相色譜—質(zhì)譜串聯(lián)法測(cè)定藥用輔料中二聚甘油醚含量、原子吸收光譜法對(duì)化藥中殘留重金屬的測(cè)定、電化學(xué)分析法測(cè)定離子液體中的噻吩等一系列緊密聯(lián)系專業(yè)實(shí)踐的虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)。通過這種虛實(shí)相依的教學(xué)模式，不僅可以充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，更錘煉了學(xué)生的科研能力，提高了創(chuàng)新思維和能力。

加強(qiáng)儀器分析教學(xué)改革研究，提升教師教學(xué)水平? 建設(shè)一支高水平的教師隊(duì)伍，是提高教學(xué)質(zhì)量的有力保障。儀器分析課程涉及分析方法眾多、知識(shí)點(diǎn)繁雜，而且儀器分析新技術(shù)手段層出不窮。這就要求教師必須具有相當(dāng)豐富的背景知識(shí)，并應(yīng)緊跟技術(shù)前沿，更新知識(shí)體系，努力提升教學(xué)水平。更為重要的是隨著教育信息化進(jìn)程的推進(jìn)，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念的教學(xué)模式也對(duì)教師提出新的要求，需要及時(shí)將新技術(shù)、新成果應(yīng)用到教學(xué)之中，以科研促進(jìn)教學(xué)。在這一背景下，教師積極探索，將大數(shù)據(jù)、虛擬仿真和移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代化教育技術(shù)融合進(jìn)儀器分析教學(xué)中，改變了傳統(tǒng)單一教學(xué)模式，不斷提高自己的教學(xué)能力。

5 結(jié)語

綜上所述，基于“儀器分析仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)”的教學(xué)實(shí)踐不僅是新教育技術(shù)在儀器分析課程中的有益嘗試，更是對(duì)儀器分析課程教學(xué)質(zhì)量提升的挑戰(zhàn)。在構(gòu)筑學(xué)習(xí)平臺(tái)后，給學(xué)生的自助式學(xué)習(xí)提供了豐富的課程資料，突破了傳統(tǒng)授課方式時(shí)間、空間的限制，增強(qiáng)了教學(xué)的互動(dòng)性、靈活性。儀器仿真實(shí)驗(yàn)更是讓學(xué)生在虛擬操作中掌握了理論知識(shí)和操作技能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。儀器分析教學(xué)模式的革新將師生的教與學(xué)提升到新的層面，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生成績有了較為明顯的提高?？傊凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”背景下利用新技術(shù)、新手段進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)模式探索，促進(jìn)本科教學(xué)質(zhì)量提升，為培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用型本科人才助力，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

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