有僑校特色的交互式實驗教學(xué)信息化平臺構(gòu)建和實踐

周艷暉，張珠寶，周美云，謝新媛，孟苗，孟建新，李丹

暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，廣州 510632

信息技術(shù)的進(jìn)步帶來新技術(shù)、新模式的探索和涌現(xiàn)，推動了教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)。2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》，是推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的具體實施計劃[1]。在一流本科專業(yè)建設(shè)和一流本科課程的“雙萬計劃”“雙一流”建設(shè)的背景下，教育信息化2.0帶來一系列機(jī)遇和挑戰(zhàn)，成為促進(jìn)高等教育發(fā)展的重要抓手。

化學(xué)是理論與實驗并重的學(xué)科，化學(xué)實驗教學(xué)是全面實施化學(xué)教育的重要組成部分。相較于理論教學(xué)，實驗教學(xué)的信息化建設(shè)更復(fù)雜，難度更大。暨南大學(xué)作為中國最高華僑學(xué)府，始終堅持“宏教澤而系僑情”的辦學(xué)宗旨，堅持面向海外、面向港澳臺地區(qū)培養(yǎng)人才[2]，因其既有內(nèi)地生又有境外學(xué)生的特殊性，加之地處粵港澳大灣區(qū)辦學(xué)的地緣、人緣優(yōu)勢，借助化學(xué)實驗教學(xué)信息化手段，既是全面提升教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的需要，也能更好地結(jié)合校情，充分滿足境內(nèi)外學(xué)生的發(fā)展需求。

以教育部、教育廳相關(guān)文件精神為指導(dǎo)，我們依托化學(xué)與材料學(xué)院教學(xué)實驗中心平臺，圍繞僑校和粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，注重特色，以學(xué)生的需求和視角為主導(dǎo)，在實驗室管理、實驗室安全、實驗課程以及“互聯(lián)網(wǎng)+教育”交互式實驗教學(xué)方面，對化學(xué)類實驗課程開展全方位、多維度、多層次的信息化構(gòu)建和探索。

1 實驗教學(xué)信息化體系的構(gòu)建思路

化學(xué)與材料學(xué)院實驗中心面向?qū)W?；瘜W(xué)與材料學(xué)院、理工學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、藥學(xué)院、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院以及國際學(xué)院47個專業(yè)開設(shè)各層次化學(xué)本科實驗課程，每年選課學(xué)生3400多人，總?cè)藭r數(shù)近14萬。

從學(xué)生反映的問題來看，傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)存在如下的問題：1) 實驗前預(yù)習(xí)效果不佳。預(yù)習(xí)缺乏材料，缺乏指導(dǎo)，所涉及的實驗原理、實驗步驟、儀器操作枯燥抽象，難以調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性；2) 學(xué)生缺少風(fēng)險防范意識。主要是課前和實驗過程中獲取的安全知識信息量不夠，不足以引起重視；3) 實驗過程操作不規(guī)范，實驗結(jié)果誤差較大；4) 實驗結(jié)束后，缺少在教師引導(dǎo)下的反思提煉和總結(jié)，不利于學(xué)生科學(xué)思維能力提升。此外，由于境內(nèi)外學(xué)生存在文化、社會和教育背景的差異，對學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格產(chǎn)生不同的影響，兩類學(xué)生在信息加工、理解方面存在差異。外招生偏于活躍和綜合型，而內(nèi)招生偏于沉思與序列型，而兩類學(xué)生在信息感知和輸入方面沒有顯著差異，都偏于感悟型與視覺型[3]。

為了解決上述問題，我們建立了如圖1所示的化學(xué)實驗教學(xué)信息化體系架構(gòu)。

圖1 化學(xué)實驗教學(xué)信息化體系架構(gòu)圖

2 實驗教學(xué)信息化體系的組成、特色和作用

2.1 實驗室管理信息化：全方位，微細(xì)節(jié)

化學(xué)實驗室是提供化學(xué)實驗條件及進(jìn)行科學(xué)探究的重要場所，其內(nèi)有大量的儀器、試劑、種類繁多的實驗設(shè)備以及各種實驗室管理文檔。為適應(yīng)內(nèi)地生和港澳臺僑學(xué)生不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格，針對沖動型學(xué)生缺乏精確性和細(xì)致性，沉思型學(xué)生缺乏主動性、速度慢的特點，實驗室管理信息庫的構(gòu)建內(nèi)容上突出“全”，表現(xiàn)形式突出“微”，注重細(xì)節(jié)，中心構(gòu)建的實驗室管理信息庫由秒懂儀器、儀器使用、管理文檔、試劑臺賬和實驗室百科五部分組成，其中“儀器使用”旨在實現(xiàn)小型儀器設(shè)備使用自主化，大型儀器設(shè)備使用便利化；“秒懂儀器”是有關(guān)儀器方面知識的簡短介紹，“秒懂儀器”和“實驗室百科”主要來源于百度百科，以1分鐘左右的短視頻方式呈現(xiàn)，生動有趣、簡單易懂，讓復(fù)雜的知識更直觀，提升信息獲取的效率。

二維碼技術(shù)的應(yīng)用可以為實驗操作提供詳細(xì)的信息快捷搜索途徑，將實驗室與教學(xué)有關(guān)的一切要素進(jìn)行使用和管理信息化[4]。我們以二維碼為橋梁，把學(xué)生和實驗教學(xué)環(huán)境跨越時空緊密聯(lián)系起來，通過掃描二維碼，學(xué)生可隨時隨地查詢更詳細(xì)的應(yīng)用信息，有效規(guī)避了由于不當(dāng)操作造成的事故和儀器損壞，提高實驗操作的效率。由于在對知識的收集輸入方面，內(nèi)地生和境外生都偏好于視覺型，通過二維碼將傳統(tǒng)抽象的單一文字描述說明通過圖片、微視頻等多種表達(dá)形式生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，緊緊抓住學(xué)生的眼球，提升學(xué)生的參與度、體驗感和資源粘合度。同時利用二維碼收集數(shù)據(jù)，具有簽到、物品領(lǐng)用以及設(shè)備巡檢等功能，學(xué)生可以完成課堂考勤，及時與實驗室管理人員互動，完成對儀器清點、借用和損壞等相關(guān)情況的報備，實現(xiàn)教學(xué)實驗室高效、良性運轉(zhuǎn)，管理人員不用更換二維碼，就可以隨時更新內(nèi)容，省時、省力、高效、綠色環(huán)保(圖2)。此外，將實驗室所涉及的儀器知識和實驗知識通過篩選網(wǎng)上優(yōu)質(zhì)資源和自已制作相結(jié)合的方式，通過張貼在實驗室中的小視頻二維碼，便于學(xué)生進(jìn)行快速學(xué)習(xí)(見圖3中秒懂儀器)。

圖2 實驗內(nèi)容、儀器清單和學(xué)生課堂考勤二維碼

為方便境外生，實驗室管理信息化建設(shè)除了注重細(xì)節(jié)外，還注重雙語建設(shè)。例如在制作核磁共振儀操作視頻和維護(hù)及常見故障處理系列資源庫時，提供中英文講解字幕(見圖3)，并附有儀器使用狀況和報修的交互功能，便利了大型儀器的操作使用和管理。

圖3 秒懂儀器和核磁共振儀的使用雙語微課視頻及二維碼

實驗室管理信息化的推廣，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。在2020年學(xué)院舉行的“140名本科‘萌新’走進(jìn)學(xué)院實驗室”活動中，這些實驗室管理信息化的使用受到了新生們的歡迎，激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣[5]。

2.2 實驗室安全信息化：人為本，防在先

化學(xué)實驗室化學(xué)試劑種類復(fù)雜、操作危險性大，儀器設(shè)備多，實驗室人數(shù)多，安全風(fēng)險大，規(guī)避風(fēng)險的最好辦法就是加強(qiáng)教育和防范，尤其對于知覺和思維方式偏于沖動型的外招生來說，更是要注意防范，實驗室安全信息化資源庫的構(gòu)建，突出“預(yù)防在先”，其組成包括警戒線、警鐘長鳴、風(fēng)險評估、廢棄物處置和安全百科五部分，警戒線為每個實驗項目小單元的實驗注意事項，包括儀器、試劑、實驗操作等一切實驗課安全要素；風(fēng)險評估是學(xué)生對即將開展的實驗項目進(jìn)行風(fēng)險評估，其內(nèi)容涉及實驗中所用的化學(xué)品、用電設(shè)備、操作過程以及消防做相應(yīng)的風(fēng)險分析和評估，并制定對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；廢棄物處置則是對實驗課中所涉及到的腐蝕性、易燃性和毒害性化學(xué)廢棄物的正確處置方法；警鐘長鳴則是一系列安全案例短視頻。

以安全資料數(shù)據(jù)庫中的安全知識為出發(fā)點，從多種渠道收集、精心制作編輯各種安全知識短視頻(圖4)，并逐步成為一個完整的可視化的雙語安全知識庫。信息化的安全資源庫的建立，成為教師指導(dǎo)學(xué)生順利完成實驗課程、畢業(yè)論文等各項教學(xué)活動的一個強(qiáng)有力的輔助工具庫，為平安化學(xué)提供了堅實的保障，學(xué)生也獲得了一種更加便捷且生動有趣的學(xué)習(xí)方式。

圖4 安全知識短視頻二維碼

當(dāng)前高校許多安全事故的發(fā)生，其主要原因還是對實驗安全性不夠清楚，沒有提前做好各項應(yīng)對措施[6,7]。借鑒香港科技大學(xué)的安全管理模式，我們設(shè)計了實驗項目風(fēng)險評估的二維碼(圖 5)，在實驗前推送給學(xué)生，要求學(xué)生對實驗中所涉及的化學(xué)品、用電設(shè)備、操作過程以及消防做相應(yīng)的風(fēng)險分析和評估，以此來督促學(xué)生對實驗過程中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險做出預(yù)判，并設(shè)定對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，最后提交風(fēng)險性評估報告，經(jīng)過審核通過才能進(jìn)入實驗室開展實驗，提交情況在線上可以一目了然呈現(xiàn)出來(圖6)，方便實驗教師在課前統(tǒng)計和批改，并獲得學(xué)生對安全風(fēng)險的掌握情況，有利于教師在課堂上的查漏補(bǔ)缺。風(fēng)險性評估報告的完成不受時間、地點的限制，有利于學(xué)生將平時不可利用的時間充分利用起來，整個過程無紙化也更加綠色環(huán)保。為了滿足國際化辦學(xué)的需要，風(fēng)險性評估報告也有中英文兩種版本供學(xué)生自己選擇。

圖5 中英文版本的實驗項目安全風(fēng)險性評估報告二維碼

圖6 學(xué)生提交風(fēng)險評估報告的界面截圖及部分報告內(nèi)容

2.3 課程信息化：厚基礎(chǔ)、求創(chuàng)新

暨南大學(xué)重視自身僑校國際化優(yōu)勢，探索內(nèi)、外招生多元培養(yǎng)機(jī)制[8]。針對港澳臺僑學(xué)生個性獨立、視野開闊、思維活躍、創(chuàng)新意識和實踐能力較強(qiáng)等特點，并根據(jù)境外生入學(xué)時實驗技能參差不齊的現(xiàn)狀和其知識能力需求，在實驗課程信息化資源庫構(gòu)建時，突出了“厚基礎(chǔ)”和“求創(chuàng)新”的特點，課程信息化資源庫由規(guī)范化操作、電子講義、實驗課微課、虛擬仿真和智高點五部分構(gòu)成，其中智高點收集了本學(xué)院的最新研究成果和國內(nèi)外科學(xué)前沿信息以及粵港澳大灣區(qū)發(fā)展的最新動態(tài)，實現(xiàn)國際與本土的交融。

采用雙語微課的形式對規(guī)范操作進(jìn)行信息化建設(shè)，將復(fù)雜操作和說明直觀化，建立其零存整取式的口袋中的教學(xué)素材資源庫，由于學(xué)生可以反復(fù)觀看這些實驗操作，不僅掌握了專業(yè)英語，且不斷強(qiáng)化了學(xué)生的實驗技能，規(guī)范了學(xué)生的實驗操作。以分析化學(xué)實驗課程為例，我們根據(jù)學(xué)生需求構(gòu)建了實驗操作視頻庫(附有英文字幕) (圖7)，圖7中顯示了我們自已制作的“分析天平的使用”的短視頻，通過掃描二維碼，學(xué)生能自主清晰地進(jìn)行規(guī)范化使用學(xué)習(xí)。這些視頻庫近兩年在我?；?、食品、環(huán)境等專業(yè)的分析化學(xué)實驗教學(xué)中進(jìn)行運用，取得了明顯的效果。通過將實驗規(guī)范操作內(nèi)容碎片化，并通過改編的電子講義的超鏈接功能，使學(xué)生在預(yù)習(xí)時通過簡單的點擊就可以全面和方便地找到本實驗需要預(yù)習(xí)的操作規(guī)范內(nèi)容。極大地提高了學(xué)生預(yù)習(xí)的針對性和效率。從實驗完成情況看，學(xué)生操作的規(guī)范性有明顯提高，達(dá)到了預(yù)期目的[9]。這些視頻庫在今年疫情期間進(jìn)行線上實驗課教學(xué)時，也發(fā)揮了積極作用。

圖7 實驗操作視頻庫及分析天平的規(guī)范化操作視頻及二維碼

由于各個高校購買實驗儀器存在差異性，且實驗項目的內(nèi)容設(shè)置方面也各有不同，加上本校理工科均有內(nèi)外招生生源的特殊性，因此，我們結(jié)合本校的化學(xué)實驗開設(shè)情況，圍繞課程具體實驗項目信息化建設(shè)的宗旨，在繼承紙質(zhì)版實驗教材的優(yōu)點、保留其經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了教材信息化、可視化、廣度化、雙語的改造和創(chuàng)新，形成特色的開放式電子教材(講義)，努力提升港澳臺僑學(xué)生的知識儲備。

課程電子教材(講義) (中英雙語版)中每個實驗項目主要圍繞實驗?zāi)康摹⒃砗喗?、實驗?nèi)容重點難點、注意事項、課后習(xí)題等內(nèi)容進(jìn)行篩選、系統(tǒng)設(shè)計和圖文并茂的雙語編寫，在此基礎(chǔ)上結(jié)合二維碼技術(shù)進(jìn)行了以下幾方面創(chuàng)新：1) 安全教育：引入實驗相關(guān)的實驗安全和環(huán)保的文本、圖片或者視頻等的鏈接；2) 操作演示：引入實驗規(guī)范操作的雙語微課；3) 關(guān)鍵現(xiàn)象：引入實驗的關(guān)鍵現(xiàn)象的圖片、視頻、動畫等鏈接；4) 疑難解析：引入疑難解析的鏈接；5) 知識拓展：引入實驗相關(guān)的虛擬仿真實驗和科研前沿新知識、概念介紹、名人簡介和特色成果等鏈接。通過上述動靜結(jié)合的方式，將傳統(tǒng)的紙質(zhì)版實驗教材建設(shè)成信息化、可視化的雙語動態(tài)教材。如無機(jī)化學(xué)實驗中的“納米硒的制備”創(chuàng)新實驗的講義[10,11]，通過講義中簡明扼要的文字描述以及增加的熒光分光光度儀等操作演示、實驗中的疑難解析、納米硒前沿和學(xué)院特色成果的知識拓展等二維碼鏈接，更能貼切滿足學(xué)生知識定制化的學(xué)習(xí)需求，體現(xiàn)學(xué)?！耙恢鞫嘣?，學(xué)術(shù)先導(dǎo)”的文化育人思路，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 交互式實驗教學(xué)信息平臺，實現(xiàn)教、管、學(xué)線上、線下的良好互動

微信公眾平臺通過發(fā)布文字、圖片、語音、視頻等內(nèi)容來傳遞各種信息，非常適合用于構(gòu)建一種互動教學(xué)模式，提升教學(xué)的針對性和交互性[12]。針對內(nèi)招生和港澳臺僑學(xué)生不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格，我們通過微信平臺將實驗室管理、教學(xué)實驗室安全和課程的資源信息庫有機(jī)結(jié)合起來，將信息化技術(shù)與實驗課堂教學(xué)深度融合，以發(fā)揮其能力和素質(zhì)導(dǎo)向型教學(xué)作用為目標(biāo)，提高了教學(xué)效率，培養(yǎng)了學(xué)生信息化思維以及信息整合能力，同時根據(jù)課程內(nèi)容，適時推送相關(guān)數(shù)據(jù)庫的信息，拓展學(xué)生的視野，大力推進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)授課教師、實驗教師、學(xué)生之間的良好互動。

2017年起，我們先后建起了分析化學(xué)和儀器分析兩個實驗微信公眾平臺(圖 8)，分析化學(xué)微信公眾平臺由基本信息、實驗講義和操作規(guī)范三部分組成[9]，在使用中，不斷完善、推陳出新。

圖8 分析化學(xué)和儀器分析實驗課的微信公眾平臺

課前，通過公眾平臺的基本信息和推送實驗室管理信息庫中的實驗室百科和秒懂儀器的趣味小視頻，使學(xué)生在短時間內(nèi)對于實驗用到的知識有所了解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，然后再推送相關(guān)的實驗規(guī)范操作的微課、電子教材，使學(xué)生能夠自主地進(jìn)入實驗課預(yù)習(xí)。隨后，我們推出實驗課程的禁界線(實驗注意事項)和警鐘長鳴小視頻，以提高學(xué)生的安全意識。在學(xué)生對實驗有所了解后，進(jìn)行實驗室風(fēng)險評估二維碼的推送，學(xué)生只有完成了實驗前風(fēng)險評估才被允許進(jìn)入實驗室。

課中，學(xué)生由于前期預(yù)習(xí)中已經(jīng)較好地掌握了實驗內(nèi)容，教師可以縮短講解時間，大部分時間由學(xué)生獨立操作，在實驗中遇到不懂的操作時，通過發(fā)布在微信平臺、或貼于儀器上的二維碼，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)，教師由知識的傳授者變成學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。實驗過程中，實驗管理者可以將實驗室管理規(guī)則發(fā)布在平臺上，提醒學(xué)生注意遵守，并發(fā)布針對課程產(chǎn)生的化學(xué)廢液的相關(guān)處理知識，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和實驗室安全文化，學(xué)生則可以隨時將實驗儀器、試劑等問題向?qū)嶒灩芾碚叻答仯瑢嶒炛谐霈F(xiàn)的異?，F(xiàn)象發(fā)到微信公眾平臺，師生一起交流討論，從而找出解決問題的方案，在實驗即將結(jié)束時，實驗管理者巡視實驗室的廢液、衛(wèi)生和實驗室環(huán)境，把出現(xiàn)的問題發(fā)布在群里，督促學(xué)生即時整改。

課后，學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對實驗進(jìn)行總結(jié)和反思，教師將報告中出現(xiàn)的問題發(fā)布到微信公眾平臺上，提醒學(xué)生在后續(xù)的實驗中注意，從課程信息庫的智高點中選取相關(guān)知識，作為學(xué)生更深層次的拓展學(xué)習(xí)，從而引導(dǎo)學(xué)生的認(rèn)知以點成線、成面、由淺入深，螺旋式上升，實踐了“興趣培養(yǎng)–思維開發(fā)–自主協(xié)作學(xué)習(xí)”分層教學(xué)模式和“實驗室安全–基礎(chǔ)技能–綜合應(yīng)用–探索創(chuàng)新”梯度式實踐教學(xué)體系的融合，實現(xiàn)教、管、學(xué)，線上、線下的良好互動。

利用微信公眾平臺輔助實驗教學(xué)的改革方式已在近兩年我校應(yīng)化、化工、材料、食品，環(huán)境等專業(yè)的分析化學(xué)實驗和儀器分析實驗課程教學(xué)中進(jìn)行運用，取得了明顯的效果。

4 小結(jié)與展望

通過對化學(xué)類實驗課程進(jìn)行的全方位、多維度、多層次的系統(tǒng)信息化構(gòu)建，重塑了實驗課堂教學(xué)流程，探索出一套具有僑校特色的交互式實驗教學(xué)信息化系統(tǒng)，在圍繞以學(xué)生為中心開展的一系列實驗教學(xué)信息化建設(shè)中，涌現(xiàn)出一些新思路、新方法、好作品。但也存在不足，實驗教學(xué)團(tuán)隊信息技術(shù)的綜合運用能力還有待進(jìn)一步提升，實驗室信息化設(shè)備還需要完善。隨著5G高速率、低時延及大連接的全新時代的到來，高教信息化建設(shè)將進(jìn)入全新階段，會面臨新的變革和挑戰(zhàn)，我們有信心迎難而上。