基于“虛實結合”的醫(yī)用有機化學實驗混合教學模式的應用與探索

張向榮，白艷紅，李健軍，楊國鑫，林培玲，唐玉海

西安交通大學化學學院，化學實驗教學中心，西安 710049

醫(yī)用有機化學實驗是面向我校(西安交通大學)臨床、基礎檢驗、預防、護理、口腔、藥學等專業(yè)學生開設的一門48學時必修實踐課程，開設在大一學年的第二學期。醫(yī)用有機化學實驗在內(nèi)容上注重有機化學自身專業(yè)特點，包含與生命科學有關的有機化學實驗操作技能的訓練，是生理、藥理、藥化等專業(yè)基礎課程的基礎。學生對醫(yī)用有機化學等課程的掌握情況決定了藥物化學、生物化學、化學生物學等專業(yè)基礎課程教學效果。另外，通過醫(yī)用有機化學實驗的學習，能夠加深學生對有機化學基本理論知識的理解，使學生掌握有機化學實驗的基本操作技能，提高學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，強化學生實踐動手能力。

1 現(xiàn)狀和存在的問題

醫(yī)用有機化學實驗現(xiàn)有的教學模式以教師課堂講授示教為主，實驗課教師課上按照實驗目的、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗注意事項等進行實驗講授。這就造成，教師課前對學生預習情況和重點難點把握不清楚，不能進行有效針對性的講解，學生對實驗原理、實驗方法、實驗步驟的設計不能深入理解與掌握，不能有效激發(fā)學生學習興趣和學習積極性，學習效果較差[1]。醫(yī)用有機化學實驗課程作為一門公共基礎必修課程，低年級學生實驗時還沒有進行過專業(yè)課程的學習，往往認為本課程與專業(yè)結合不緊密，造成了學生對本課程不重視，雖然實驗前要求學生完成預習報告，但多數(shù)學生流于形式，敷衍了事；實驗過程完全照書操作，缺乏思考、創(chuàng)新，實驗中聊天、玩手機現(xiàn)象時有發(fā)生；實驗結束后缺乏對實驗的反思、總結，實驗報告完成質(zhì)量差[2]。學生缺乏自主學習、思考過程，學習熱情不高；課程結束后，收獲較小，無法滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求。

另外，由于實驗課程學時安排與學時限制，在現(xiàn)行醫(yī)用有機化學實驗課程中難以安排綜合性實驗，部分實驗項目由于實驗空間、實驗器材等硬件條件的限制，學生仍需分組完成實驗內(nèi)容，這樣就導致學生只能合作完成實驗，不能獨立完整完成實驗內(nèi)容，無法較好培養(yǎng)學生的動手能力；同時，任課教師課上需同時指導大量學生，對實驗過程缺乏有效的一對一監(jiān)管，無法保證實驗完成質(zhì)量，這種教學模式不利于培養(yǎng)專業(yè)技能扎實的創(chuàng)新型人才[2]。

2 醫(yī)用有機化學實驗混合教學模式的構建

針對面向需求的實踐課程教學特點[3]，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標，構建了適合醫(yī)用有機化學實驗的混合教學模式，主要包括變更教學方法、豐富教學內(nèi)容、引入虛擬仿真實驗、完善課程考核體系四個方面。

2.1 教學方法

以強化實踐教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新精神為目標將教學全過程總結為“教學三環(huán)節(jié)”，即“教學環(huán)節(jié)”“交流環(huán)節(jié)”以及“評價環(huán)節(jié)”，同時，將三個環(huán)節(jié)分別滲透在“授課三階段”(課前+課中+課后)。

課前：鍛煉學生自學能力。教師通過思源學堂BB + ClassIn (BB，Blackboard西安交通大學網(wǎng)絡教學平臺，主要功能包括網(wǎng)絡課程建設、教學資源展示共享、教學互動、交流協(xié)作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和評測反饋等)發(fā)布學習任務、明確學習要求，學生自主在線學習視頻課程資料，完成學習任務[4]。教師在上課前收集學生自學問題，針對性備課(圖1)。

圖1 思源學堂BB + ClassIn課前預習測試功能展示

課中：激發(fā)學生學習興趣和學習主動性。教師在課堂上進行隨機提問測試，檢驗學生預習效果，并對自學產(chǎn)生的共性問題進行講評，隨后進行重點和難點精講。實驗課程中設置設計性實驗項目，拋出問題讓學生進行分組探索討論，并進行匯報展示及實驗結果討論，一對一指導實驗操作環(huán)節(jié)存在的問題。課程結束后教師通過思源學堂發(fā)布隨堂作業(yè)并進行總結。

課后：多平臺課后通訊，完善知識售后，及時客觀全面評價學習狀況，一對一進行準確答疑討論，梳理統(tǒng)計學習數(shù)據(jù)，為教學改進和個性化教學提供重要依據(jù)。

2.2 教學內(nèi)容

2.2.1 “名師導學”+“科研實訓”

在傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容的基礎上增加“名師導學”和“科研實訓”環(huán)節(jié)。實驗預習環(huán)節(jié)是學生做好實驗的前提和保障，通過名師錄制導學視頻來引導學生進行學習，視頻課程由我校省級教學名師、課程團隊負責人唐玉海教授領銜錄制，教師進行必要的實驗示教及演示，視頻課程依據(jù)標準化教學流程模塊和在線實驗教學特點準備實驗講義、課堂PPT等各類教學素材，錄制完成后借助思源學堂為學生共享發(fā)布相關學習資料。

針對不同專業(yè)的學生，結合專業(yè)實際，創(chuàng)新育人模式，將醫(yī)學相關的檢測手段及科研成果及時植入實驗內(nèi)容，打通課堂教學和科研實際的通道，突破了學生本身原有的模塊化知識結構，拓展了實驗內(nèi)容的廣度和深度，讓實驗內(nèi)容不再局限于課本上的傳統(tǒng)實驗項目。以科研實訓為向導，優(yōu)選學科研究前沿案例進行創(chuàng)新性實驗訓練，借鑒學院教師科研所涉及的苯硼酸與2-溴吡啶的SUZUKI偶聯(lián)反應成果作為本科學生的創(chuàng)新實驗選做內(nèi)容，通過：1) 布置實驗主題；2) 學生自主查找文獻制定實驗方案；3) 課堂分組匯報論證；4) 教師提供實驗場地及實驗所需器材；5) 實驗驗證并答辯匯報；6) 以論文替代常規(guī)實驗報告的形式展示實驗結果。最終，通過設計實驗、科研文獻閱讀、實驗驗證、報告撰寫、實驗探究多個環(huán)節(jié)的訓練引導學生多角度分析和評價實驗過程中出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學生面向實踐、面向社會需求的創(chuàng)新思維和能力。與此同時，科技前沿知識的不斷更新既滿足了學生的求知欲又增加了學生的國家自豪感和信任感。

2.2.2 “思政”與“實踐”有機融合

理工科核心課在混合式教學模式下，可以不斷突破課程質(zhì)量和學習成效的上界，實現(xiàn)真正落地的課程思政教育。利用優(yōu)質(zhì)的在線資源，在課前和課后與學生加強互動，及時發(fā)現(xiàn)學習瓶頸，分享其學習感悟，解決其學習困惑，這是一個開展本沒有時間進行、但是又非常重要的課程思政教育的好機會，當然，混合教學和課程思政是在互聯(lián)網(wǎng)時代教師必須注重開展的教育教學改革。

通過將思政元素融入醫(yī)學實驗教學內(nèi)容的各個環(huán)節(jié)(圖2)，強化醫(yī)學生職業(yè)生涯、醫(yī)學倫理、科研誠信教育，發(fā)揮課程思政作用，著力培養(yǎng)醫(yī)學生救死扶傷的精神，讓學生充分認識和理解“面向人民生命健康”的重大意義[5]。例如，在講授“茶葉中咖啡因的提取與鑒定”實驗項目時，將索氏提取器進行固液萃取操作與諾貝爾獎獲得者屠呦呦提取青蒿素方法進行對照，使學生了解固液萃取有機化學實驗方法在造福人類過程中的魅力，青蒿素作為我國真正意義上的原創(chuàng)抗瘧疾新藥，讓非洲地區(qū)約2.4億人口受益，為世界醫(yī)學做出了重要貢獻。屠呦呦先生從“青蒿一握，以水二升漬，絞取之，盡服之”得到啟迪發(fā)現(xiàn)青蒿素，強調(diào)提取中不能加熱，而咖啡因的提取需要通過熱乙醇回流進行，這種醫(yī)藥技術產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新成就的引入讓學生對實驗內(nèi)容和課程思政都能更好地“感同身受”。此外，實驗項目的進行必定會有成功和失敗，很多時候實驗的成功并不取決于學生的整體思路，而是取決于一些非常容易被忽略的小細節(jié)，如何正確地面對失敗并及時查找原因、規(guī)范自己的實驗行為才是關鍵，當然，適度的挫折教育也可以更好地幫助學生樹立健全的人格和健康的心理。

圖2 實踐教學全過程融入“思政元素”

2.2.3 虛擬仿真實驗的引入——以“茶葉中咖啡因的提取與鑒定”為例

在傳統(tǒng)化學實驗中，茶葉中咖啡因的提取與鑒定包括了原材料的干燥、粉碎、咖啡因提取(索式提取+升華純化)、分離分析鑒定(紅外鑒定+GC-MS聯(lián)用+HPLC分析)等全過程，全程需12學時，由于實驗課時限制，實際實驗過程中學生僅能完成咖啡因的提取與分離[6]。針對這一問題，我校運用虛擬仿真技術設計完善了咖啡因的定性鑒定與定量分析實驗內(nèi)容，在有限的課時內(nèi)利用有限的實驗空間和充分的網(wǎng)絡資源完成綜合性實驗的有效訓練，培養(yǎng)學生運用基礎理論知識和多種技術手段分析解決復雜科學問題的綜合能力和創(chuàng)新思維。

我校自2012年依托于化學實驗教學中心正式啟動了化學虛擬仿真實驗教學中心建設，目前擁有完善的化學虛擬仿真實驗教學管理平臺及各類化學虛擬仿真實驗教學項目三十余項，并已經(jīng)廣泛應用于我校不同層次化學實驗課程教學中。2016年我?；瘜W虛擬仿真實驗教學中心被評為陜西省級虛擬仿真實驗教學中心，2017年度“物理化學實驗網(wǎng)絡教學平臺”獲得教育部在線教育獎勵基金優(yōu)秀項目獎，2019年虛擬仿真實驗教學項目“茶葉中咖啡因的提取與鑒定”被評為陜西省級虛擬仿真實驗教學項目。

學生通過前期線上視頻導學后登錄虛擬仿真實驗教學管理平臺進行學習(圖3)，平臺提供學生選課、理論測試、虛擬實驗、實驗答疑等功能模塊；在導航頁點擊“做虛擬實驗”快捷圖標，進入虛擬實驗測試界面進行對應實驗操作[7]?！翱Х纫虻奶崛∨c制備”虛擬仿真實驗教學項目共有4個實驗模塊(圖4)：(1) 咖啡因的提取模塊(圖5)；(2) 咖啡因的紅外光譜分析模塊(圖6)；(3) 咖啡因的質(zhì)譜分析模塊(圖7)；(4) 咖啡因的高效液相色譜分析模塊(圖8)。

圖3 開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺登錄

圖4 “咖啡因的提取與制備”實驗界面

圖5 咖啡因的提取過程

圖6 咖啡因紅外鑒定操作界面

圖7 咖啡因氣-質(zhì)鑒定(GC-MS)操作界面

圖8 咖啡因高效液相色譜鑒定操作界面

通過線上虛擬練習后，學生對本次實驗內(nèi)容和基本操作已經(jīng)有了較好的認識和理解，因此，在線下實驗室無需再進行重復講解，只需要對重難點和注意事項進行強調(diào)，實驗期間，教師重點觀察學生的實驗操作規(guī)范情況及對安全隱患的防范情況，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，并隨時進行指導討論，充分激發(fā)學生學習的主動性和積極性。實驗結束后進行分組交流討論互評、教師點評總結。重難點線下指導練習的模式使學生全面掌握茶葉中咖啡因的提取與鑒定全部實驗內(nèi)容。

2.2.4 實驗課程考核體系

醫(yī)用有機化學實驗課程采用多樣化考核方式，注重過程評價和總結性評價，整個評價過程貫穿課前、課中和課后，評價方式涵蓋學生自評、學生互評和教師評價[8]。評價途徑具體包括了：視頻學習、習題測試、作業(yè)及報告考核、課堂互動及教學參與、拓展評價、虛擬仿真實驗操作、線下實驗操作等環(huán)節(jié)，實驗考核主要由平時成績(30%)、實驗過程(40%)、學習效果(30%)三大部分組成，具體考核細節(jié)見圖9。

實驗課程對學生的考核應該側重實驗技能掌握情況及自主創(chuàng)新拓展能力。在實踐過程部分，通過線上虛擬仿真操作+線下實體操作兩部分來評價學生的操作技能掌握情況。在學習效果評價部分，以實驗報告+創(chuàng)新拓展項目匯報+期末理論考核三者結合的方式進行，綜合考查學生實驗結束后技能的獲得情況，尤其是在拓展項目匯報環(huán)節(jié)，要求學生提交規(guī)范的“科研論文”形式的實驗報告，強調(diào)用認真的態(tài)度、規(guī)范的專業(yè)描述、嚴謹?shù)倪^程分析及深入的結果討論，做到實事求是、數(shù)據(jù)可靠、格式規(guī)范、分析得當、結論正確[9]。

圖9 醫(yī)用有機化學實驗考核組成示意圖

3 實驗教學效果評價

為了考查混合教學模式在本課程中應用的實驗教學效果，通過發(fā)放醫(yī)用有機化學實驗線上線下混合教學問卷進行學期末教學質(zhì)量反饋。問卷調(diào)查共收回有效問卷407份，學生滿意度為97.08% (圖10)，85.51%的學生表示經(jīng)常會在課后翻閱豐富的線上教學資源，回看教學視頻，另外，超過半數(shù)的同學通過虛擬仿真實驗學習到更多的實驗裝置和實驗儀器操作方法，提高了預習的興趣和效率。

圖10 醫(yī)用有機化學實驗線上線下混合教學滿意度調(diào)查結果

4 結語

基于“虛實結合”構建的醫(yī)用有機化學實驗課程混合教學模式，通過改變教學方法，將實踐教學三個環(huán)節(jié)“教學環(huán)節(jié)”“交流環(huán)節(jié)”以及“評價環(huán)節(jié)”融入“授課三階段”，讓實踐教學以時時、處處、人人皆可學的“新形態(tài)”展現(xiàn)在學生面前；通過豐富教學內(nèi)容，將“名師導學”“科研實訓”“思政元素”有機融入“實踐課程”，達到了潤物細無聲的育人效果；通過引入虛擬仿真實驗，有效改善目前實踐教學中存在的時間和空間有限問題；最后通過構建的新型實驗考核體系，注重過程評價和總結性評價，進一步培養(yǎng)了學生自主創(chuàng)新實踐能力。