線上線下混合式“儀器分析實驗”課程實踐與思考
——以氣相色譜實驗為例

邵偉，張萬群，胡萬群，李維維，盛翔，柯玉萍，楊凱平，孫晴，朱平平

化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術(shù)大學)，合肥 230026

受新型冠狀病毒疫情的影響，今年春季學生無法返校，各大高校利用各種遠程教學工具，開展了線上教學活動。相對于理論課，實驗課線上教學活動的開展較有難度。

中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心(以下簡稱“中心”)建有基礎(chǔ)化學實驗、儀器分析實驗、綜合化學實驗三大實驗教學平臺。儀器分析實驗教學平臺本學期承擔化學院與少年班學院大三年級本科生的“儀器分析實驗[1]”課程。該平臺利用自主開發(fā)的大型儀器虛擬仿真資源，結(jié)合線上直播課，順利開展了線上教學與實驗；在九月學生返校之后又開展了線下實驗，通過線上線下結(jié)合的方式，不僅順利完成了實驗教學任務(wù)，而且有效拓展了實驗教學內(nèi)容。

1 “儀器分析實驗”線上教學活動

疫情期間線上課程的安排主要是以直播課結(jié)合虛擬仿真實驗的方式進行(圖1)：首先由教師以直播課的形式為學生講解實驗原理，分析實驗中可能出現(xiàn)的問題，接著學生完成虛擬仿真實驗，并下載虛擬實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告。根據(jù)教師們各自的要求，還會補充實驗小測，或者文獻調(diào)研等任務(wù)以加深學生對實驗的理解。

圖1 “儀器分析實驗”線上課課程安排

本學期儀器分析實驗線上教學部分有四個班級同時開設(shè)實驗，每周完成一個實驗項目，即由一名教師分別對每個班級開設(shè)直播課堂，采取小班教學、互動課堂的方式以保障教學效果。

1.1 線上直播課

課程組使用教務(wù)處提供的Blackboard實驗平臺結(jié)合Classin互動課堂直播工具，有效地實現(xiàn)了直播展示、課堂提問、課堂討論等功能，課堂氣氛活潑，互動效果良好(圖2)，且課堂內(nèi)容可以回看(線上課程發(fā)布于中國科學技術(shù)大學Bb+網(wǎng)絡(luò)教學平臺(https://www.bb.ustc.edu.cn/，課程號：019029))。

圖2 (a) 教師展示氣相色譜柱；(b) 同學回答問題；(c) 利用虛擬仿真軟件進行實驗教學；(d) 課后屏幕上部分師生合影

在線教學前，在Blackboard教學平臺發(fā)布微課和實驗操作視頻等學習資料，要求學生課前自學。在氣相色譜直播課中，教師現(xiàn)場向?qū)W生展示色譜柱，并利用仿真的氣相色譜模型讓學生了解儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理，并演示儀器的基本功能；以隨機提問的方式，通過“氣相色譜柱為什么要設(shè)計成毛細管柱？”“為什么液相色譜柱不能設(shè)計成毛細管柱？”等十余個問題，促進與學生之間的互動，活躍課堂氣氛。這種“以問代講”的形式能夠更好地啟發(fā)學生思考，使學生更深刻地理解儀器的工作原理[2]。

1.2 虛擬仿真實驗

本次線上課程所用虛擬仿真軟件并非公司采購，而是由儀器分析課程組有經(jīng)驗的一線教師貼合課程建設(shè)的需要，自主設(shè)計實驗開發(fā)完成。內(nèi)容涵蓋儀器介紹、實驗原理、樣品制備、儀器參數(shù)設(shè)置、樣品測試、數(shù)據(jù)分析等完整的實驗流程。經(jīng)過反復(fù)討論修改，確保每個實驗環(huán)節(jié)的科學性和合理性[3]。依照“虛實結(jié)合”的原則，所有實驗素材及實驗數(shù)據(jù)均從真實儀器上獲得，保證學生能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)順利完成實驗報告。虛擬仿真軟件曾獲高等學校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)成果獎一等獎，并發(fā)布于中國科學技術(shù)大學虛擬仿真實驗教學項目平臺http://xnfz.cmet.ustc.edu.cn/virexp/ (圖3)。

圖3 虛擬仿真軟件部分操作界面截圖(1–9)；成果獎證書(10)

在完成虛擬實驗之后，學生需要使用獲得的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，提交實驗報告。并且根據(jù)教師布置的任務(wù)，設(shè)計下一階段真實實驗的實驗方案。

1.3 學習平臺與其他教學資源

師生的良好互動對于實驗教學的順利開展尤為重要。在教學過程中，課程組綜合利用了教務(wù)處開發(fā)的多種網(wǎng)絡(luò)平臺：Blackboard網(wǎng)絡(luò)教學平臺用于發(fā)布課程資源，進行學生網(wǎng)上測試，教師批改作業(yè)；Classin直播工具用于遠程互動式教學；虛擬仿真平臺(學校自建)用于完成在線虛擬實驗；QQ群用于課后討論(圖4)。

圖4 教學平臺的使用

除直播課之外，對于實驗中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，課程組還制作了其他課程資源供學生探索，如氣相色譜實驗拍攝制作了微課視頻(圖5)，制作了“氣相色譜相性50問”(圖6)供大家討論。

圖5 氣相色譜實驗課程微課

圖6 某位同學對于“氣相色譜相性50問”的解答(節(jié)選)

2 “儀器分析實驗”線下教學活動

秋季學期學生返校后，學生到實驗室補做了真實實驗。由于課時的限制，教務(wù)處要求所有學生實驗必須要在四周內(nèi)完成。課程組采取每個下午開設(shè)兩組實驗課，以小循環(huán)的方式開展實驗。由于學生經(jīng)過在線教學，對實驗流程有了一定的了解，線下實驗在要求學生提前預(yù)習的基礎(chǔ)上，進入實驗室后即可省略講解過程，立刻開始實驗，節(jié)省實驗時間。

真實實驗和虛擬實驗內(nèi)容有所不同，對于氣相色譜實驗，虛擬實驗開設(shè)的是“外標法測定飲料中香蘭素含量”的實驗項目，側(cè)重標準曲線法的掌握；而真實實驗開設(shè)的是“內(nèi)標法測定蘑菇醇的含量”項目，側(cè)重認真細致的實驗習慣的培養(yǎng)，對內(nèi)標法和外標法(圖7)優(yōu)缺點的認識，以及誤差的分析。所有樣品要求學生進入實驗室自己配制，每個實驗全部完成大約需要兩個課時的時間。由于真實實驗只要求補交實驗參數(shù)、實驗數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，大部分同學能夠在實驗現(xiàn)場完成。

圖7 學生實驗數(shù)據(jù)：內(nèi)標與外標標準曲線

3 虛實結(jié)合的“儀器分析實驗”教學效果總結(jié)

本實驗有著清晰的評價標準，通過色譜保留時間的重復(fù)性，可以衡量學生進樣手法是否規(guī)范；通過標準曲線的線性，可以衡量學生溶液配制過程是否規(guī)范；通過外標曲線的線性還可以衡量學生每次取樣是否準確和進樣操作是否規(guī)范；通過學生的計算結(jié)果，可以衡量學生是否真正掌握內(nèi)標法的原理及計算過程。

在本次實驗過程中，絕大部分學生做出的內(nèi)標標準曲線線性擬合度達到本實驗的最低要求(R2>0.999) (圖8)，說明絕大多數(shù)學生對內(nèi)標法掌握較好，標準溶液配制過程規(guī)范認真。而同一組溶液做出的外標標準曲線線性較差，由于本實驗為兩人一組，通常是兩人輪流進樣，說明學生之間的取樣量重復(fù)性較差，且進樣技術(shù)有待加強。大部分學生測出的未知樣濃度在誤差范圍內(nèi)，少數(shù)偏差比較大的情況來自于計算錯誤，或是對于溶液稀釋過程沒有清晰的理解等等。

圖8 氣相色譜實驗學生真實實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果統(tǒng)計

通過本次虛實結(jié)合的氣相色譜實驗，學生對于上學期所學的儀器知識有了進一步鞏固，對于氣相色譜的測試過程有了充分的了解，對于內(nèi)標法與外標法的優(yōu)缺點更是留下了深刻的印象。本次實驗由于時間的限制，偏重于定量分析，但是在虛擬實驗中，我們設(shè)計了多組不同參數(shù)的平行實驗，有部分學生嘗試并總結(jié)出了儀器參數(shù)(柱溫、流速)的改變對于實驗結(jié)果的影響。本次實驗的時間跨度比較長(3–10月)，對于教師和學生的要求比較高，但總的來說，通過虛實結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ剑覀冞_到甚至超出了實驗課的培養(yǎng)目標。

4 虛實結(jié)合的“儀器分析實驗”教學活動反思

4.1 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，儀器分析實驗培養(yǎng)目標的轉(zhuǎn)變

現(xiàn)代科技極大地豐富了教學資源，包括各種圖片、視頻、動畫、微課、虛擬資源等等。在此背景下，作者認為對于儀器分析實驗課程而言，教學的目標已經(jīng)不僅僅限于訓練學生操作儀器的技能，而且要更進一步，培養(yǎng)他們解決問題的思路，如：1) 針對某一測試目標，如何選擇合適的儀器以及實驗方案來完成測試任務(wù)；2) 針對某一種儀器，清楚它的應(yīng)用范圍，如何進行測試以及如何優(yōu)化實驗方案；3) 針對實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，應(yīng)如何分析、采取什么方法去應(yīng)對，以減少結(jié)果的誤差；4) 實驗習慣與實驗意識的培養(yǎng)，如實驗中認真細致的習慣及實驗室安全意識等等。

要完成以上培養(yǎng)目標，需要教師在教學過程中循循善誘，讓學生“知其然且知其所以然”，通過設(shè)置系列問題，如：“氣相色譜柱為什么要設(shè)計成毛細管柱？這樣做有什么好處？既然有好處，為什么液相色譜柱不用毛細管柱？”“如果峰分不開怎么辦？如果還是分不開怎么辦？如果依然分不開怎么辦？”“哪一環(huán)節(jié)會產(chǎn)生誤差？如何減小誤差？”等，轉(zhuǎn)變原來手把手教的教學方式，引導學生思考，充分發(fā)揮學生的主動性，使用“以學生為中心，以學生自主探索為主”的思路來開設(shè)實驗課。

4.2 “智慧課堂”教學模式

在疫情發(fā)生之前，儀器分析實驗教學平臺已經(jīng)開始嘗試利用“智慧課堂”教學模式推進線上線下相結(jié)合的實驗課程建設(shè)。利用已有的虛擬仿真軟件，對原有的實驗內(nèi)容進行重新編排與設(shè)計，將實驗課上需要教師講解的內(nèi)容制作成微課供學生學習，提前通過虛擬仿真實驗讓學生了解實驗過程，教師不再手把手教學，而是讓學生自主了解實驗要用到的知識，自主完成實驗(圖9)，實驗成績方面也建立更為全面的評價體系，不以實驗結(jié)果作為單一的評價標準。

圖9 “儀器分析實驗”智慧課堂教學模式

智慧課堂的實施，使儀器分析實驗由原有的以教師講授為主、學生為輔的教學模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為中心的教學模式，大大提高了學生的學習自主性，也提升了他們分析解決問題的能力。

4.3 線上實驗課對教師和學生的要求

用“以學生為中心，以學生自主探索為主”的思路開設(shè)實驗課，意味著對于原有課程的延伸和拓展。要完成這一目標，對教師和學生都提出了挑戰(zhàn)。對于教師而言，首先要對原有的實驗進行重新編排，設(shè)計開放式的實驗路線；需要制作大量課程素材；要在整個線上線下課程期間積極與學生進行互動；要完善原有評價方案，從多方面對學生進行綜合評價。對于學生而言，除實驗課以外，也要花大量的時間完成各種測試、微課的學習，以及虛擬實驗、調(diào)研、討論等工作。

由于疫情期間學生時間相對比較充裕，所以本次在線實驗課程效果較好。通過實驗報告和測試可以看出，學生鞏固了上學期所學的理論知識；對于實驗的流程、思路和計算方法都有非常清晰的認識。虛擬實驗還實現(xiàn)了一些真實實驗在規(guī)定時間內(nèi)較難完成的任務(wù)，如：儀器參數(shù)的改變對實驗結(jié)果的影響，具有一定的優(yōu)勢。

4.4 線上實驗不能取代真實實驗

線上實驗?zāi)茉谝欢ǔ潭壬霞由顚W生對儀器的理解，使學生在走進實驗室之前就清楚實驗的基本操作流程，有助于讓學生在真實實驗中更關(guān)注如何解決實際問題，可以作為真實實驗一種很好的補充，以及在無法開展真實實驗的情況下作為一種很好的替代。但是作者認為，線上實驗依然無法取代真實實驗。

在本次實驗結(jié)束之后，我們對所有學生的實驗數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計，并探討了“如何正確對待科研工作中的挫敗感”這個話題?？梢钥闯?，即使我們在實驗中使用的儀器、移液槍、進樣針、樣品都非?？煽?，實驗方案也非常合理，仍然避免不了實驗中的各個細節(jié)出現(xiàn)各種問題，導致結(jié)果有一定誤差。以氣相色譜實驗為例，在溶液配制和進樣過程中，學生總會產(chǎn)生操作誤差，這是虛擬實驗中無法體驗的。因此，依照教學安排，學生最后依然需要回到實驗室完成真實實驗。

5 結(jié)語

在儀器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，儀器操作水平在學生科研能力的培養(yǎng)中也至關(guān)重要。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，學生更加容易獲取想學的知識，包括網(wǎng)上的各種資料、儀器公司的各種培訓課程等等，這些對于我們的儀器分析實驗教學提出了挑戰(zhàn)。因此，實驗教師也應(yīng)與時俱進，積極學習利用各種教育工具，對實驗內(nèi)容和實驗方法進行調(diào)整，以更好地完成課程培養(yǎng)目標。

本次疫情期間的線上教學是一次嘗試，也是一個挑戰(zhàn)。我們非常高興地看到，學生對于這種新的教學方式接納度很高，普遍認為儀器分析實驗很有趣，并且期待走進實驗室完成下一階段的真實實驗。實踐證明，虛擬實驗可以作為真實實驗的補充，也可作為在沒有條件開展真實實驗時的一種良好的替代方式。以中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心為主體的化學虛擬仿真實驗教學中心作為國家級虛擬仿真實驗教學中心，所建設(shè)的大型儀器虛擬仿真實驗資源已免費向社會開放，我們歡迎大家的使用，也很期待與同行們共同探討智慧教學的明天。