虛實結(jié)合模式在“現(xiàn)代儀器分析實驗”中的教學(xué)改革與實踐

樊強(qiáng)文， 任繪君， 武國蓉， 李建強(qiáng)， 楊水平， 羅明標(biāo)

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

“現(xiàn)代儀器分析實驗”是化學(xué)和相關(guān)專業(yè)的主干課程，該門課程承擔(dān)著提高學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識及實驗技能來解決實際問題的教學(xué)任務(wù)，對培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才具有重要促進(jìn)作用。然而，隨著國家需求的轉(zhuǎn)變和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的“觀摩式”教學(xué)存在的問題日益凸顯，已難以滿足時代的要求和實現(xiàn)培養(yǎng)理論知識與實踐技能并重的應(yīng)用型人才的目標(biāo)，因此亟須對“現(xiàn)代儀器分析實驗”的教學(xué)模式進(jìn)行改革探索。

1 “現(xiàn)代儀器分析實驗”教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

“現(xiàn)代儀器分析實驗”是操作性極強(qiáng)的一門課程，對幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握儀器結(jié)構(gòu)、工作原理、操作方法具有極其重要的作用。如今，儀器分析檢測已完全深入人們的日常生活中，在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、地質(zhì)等諸多領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。因此，對儀器分析檢測人員的需求日益凸顯，尤其是新冠肺炎疫情的突然爆發(fā)，為我國分析檢測人才的缺口敲響了警鐘。絕大多數(shù)高校都開設(shè)了現(xiàn)代儀器分析理論及實驗課程，以培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才。“現(xiàn)代儀器分析實驗”課程作為將儀器分析相關(guān)理論轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的橋梁，在本科實驗教學(xué)中發(fā)揮著不可替代的作用[1，2]。然而，在以往傳統(tǒng)的“現(xiàn)代儀器分析實驗”教學(xué)中，全國各類院校都面臨著諸多共性問題，使得該課程的教學(xué)流于表面，無法實現(xiàn)對知識點的深入講解，教學(xué)質(zhì)量大打折扣[3，4]?？傮w來說，當(dāng)前“現(xiàn)代儀器分析實驗”教學(xué)主要存在以下三方面的問題[5-7]。

1.1 儀器設(shè)備相對欠缺

近幾年來，由于高校招生規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大以及教學(xué)經(jīng)費(fèi)和教學(xué)場地等因素的限制，導(dǎo)致現(xiàn)代儀器分析設(shè)備人均數(shù)量嚴(yán)重不足，極大地制約了學(xué)生操作能力及專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)。以東華理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)“現(xiàn)代儀器分析實驗”課程為例，該門課程開設(shè)了原子吸收、原子熒光、紅外光譜、氣相色譜和高效液相色譜等儀器分析實驗，人均設(shè)備數(shù)量無法滿足正常教學(xué)的需要。為了在有限條件下提升教學(xué)質(zhì)量，盡可能地使學(xué)生在課堂上的收獲最大化，教師通常采用分組模式分批教學(xué)。盡管如此，由于每個小組的學(xué)生較多，能深入接觸及使用儀器的時間極其有限，這導(dǎo)致學(xué)生無法發(fā)現(xiàn)在使用儀器過程中可能遇到的問題，使動手能力及發(fā)現(xiàn)和解決問題能力的培養(yǎng)大打折扣；同時，由于實驗課程學(xué)生的自由度相對較大，在分組式教學(xué)過程中，教師也較難照顧到每一位學(xué)生，使得學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量降低，這與該門課程的教學(xué)任務(wù)背道而馳。

1.2 設(shè)備維護(hù)成本高

由于儀器分析實驗的特殊性，使用的設(shè)備大都是大型精密儀器。這類儀器對使用者都有一定的技術(shù)要求，而且對配套設(shè)施、運(yùn)行環(huán)境要求比較嚴(yán)苛，若操作不當(dāng)，難以保證其穩(wěn)定地運(yùn)行，也較容易引發(fā)儀器故障。例如，在教學(xué)過程中較常見的問題是學(xué)生的進(jìn)樣方式不對，導(dǎo)致進(jìn)樣針變形甚至斷裂；進(jìn)行高效液相實驗時，若樣品未經(jīng)濾膜過濾，將固體雜質(zhì)連同測試樣品載入進(jìn)樣系統(tǒng)，易導(dǎo)致色譜柱和管路系統(tǒng)堵塞。然而，像這種精密儀器的維修周期較長，且成本過高，這勢必導(dǎo)致實驗成本的增加，而且也影響正常的教學(xué)安排。

1.3 考核方式單一

與理論課程的考核方式不同，實驗課程的考核應(yīng)該更注重過程的考核，例如，學(xué)生操作的規(guī)范性。傳統(tǒng)教學(xué)模式對學(xué)生成績的評價方式主要依賴于學(xué)生的預(yù)習(xí)報告與實驗報告，盡管通過實驗報告可以間接地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、數(shù)據(jù)記錄的規(guī)范性等，但是缺乏過程性評價，無法真正地實現(xiàn)對學(xué)生操作技能的考核。然而，實驗課程的關(guān)鍵任務(wù)之一就是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。很顯然，傳統(tǒng)的評價方式較為片面，不能全方位地考核學(xué)生對實驗?zāi)康牡恼莆粘潭取?/p>

綜上所述，“現(xiàn)代儀器分析實驗”的傳統(tǒng)線下教學(xué)模式，存在設(shè)備數(shù)量緊缺、設(shè)備維護(hù)成本高、授課形式單一等多方面問題，已難以滿足對當(dāng)代大學(xué)生培養(yǎng)的需求。因此，探索一種既可彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，又能充分調(diào)動學(xué)生積極性的教學(xué)模式具有重要意義。

2 虛擬仿真實驗輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點

虛擬仿真實驗教學(xué)主要通過多媒體、仿真軟件等設(shè)備得以實現(xiàn)，是國家大力提倡的一種新型教學(xué)方法。在虛擬仿真系統(tǒng)中，采用3D動畫模擬的形式將線下的大型分析儀器呈現(xiàn)在計算機(jī)終端，學(xué)生可參考軟件操作說明進(jìn)行儀器操作練習(xí)，進(jìn)一步熟悉專業(yè)基礎(chǔ)知識，而且通過線上的操作可實現(xiàn)線下教學(xué)不可能達(dá)到的目的，為提升學(xué)生的操作技能、實現(xiàn)教學(xué)實驗大綱所要求的教學(xué)目的具有積極的促進(jìn)作用[8-12]。具體而言，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到“現(xiàn)代儀器分析實驗”教學(xué)中有以下幾種優(yōu)勢[13]。

2.1 解決儀器設(shè)備緊缺問題

儀器設(shè)備不足是眾多普通高校面臨的難題，也是制約教學(xué)質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素之一。在虛擬仿真系統(tǒng)中，一臺終端電腦可同時安裝多種分析儀器仿真軟件。因此，通過增加終端電腦的數(shù)量便可有效地解決學(xué)生多與分析儀器臺套少之間的矛盾。同時，由于儀器操作練習(xí)均在線上進(jìn)行，這可有效地降低儀器損耗等相關(guān)問題，進(jìn)而降低實驗成本。

2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實驗以“以學(xué)生為中心”，能夠形象地模擬實驗教學(xué)模塊，讓學(xué)生最大限度地參與到實驗操作中，彌補(bǔ)學(xué)生的學(xué)習(xí)盲點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。高度仿真的虛擬環(huán)境，能夠客觀真實生動地展示儀器結(jié)構(gòu)、工作原理和實驗過程中的各種細(xì)節(jié)，這是線下實驗難以實現(xiàn)，甚至不可能實現(xiàn)的效果。學(xué)生能夠深入掌握分析儀器核心部件，而且通過反復(fù)操作，提前熟知實驗步驟，更有利于學(xué)生實際操作能力的提升。

2.3 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式對于理論知識和儀器結(jié)構(gòu)的講解抽象、枯燥，學(xué)生注意力難以集中。虛擬仿真平臺通過系列形象直觀的圖片和演示視頻，將這些知識點動態(tài)地進(jìn)行展示，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)法在學(xué)生眼中的刻板印象，可較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，從而大幅提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

由以上分析不難發(fā)現(xiàn)，將線上虛擬仿真與線下傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合可形成完美的互補(bǔ)效應(yīng)，即虛擬仿真軟件可完美地解決由于線下設(shè)備緊缺而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)深度不夠等問題，同時線下教學(xué)可解決線上教學(xué)無法實現(xiàn)實際操作環(huán)節(jié)的訓(xùn)練問題。因此，采用虛實結(jié)合的混合式教學(xué)模式開展儀器分析實驗教學(xué)實踐具有重要的實際價值。

3 虛實結(jié)合模式在“現(xiàn)代儀器分析實驗”中的教學(xué)改革與實踐

3.1 虛實結(jié)合，創(chuàng)新教學(xué)模式

采用“虛擬—過程性評價—真實—綜合性評價”的授課模式對“現(xiàn)代儀器分析實驗”課程進(jìn)行講授。通過虛擬仿真系統(tǒng)，課程學(xué)習(xí)基本可實現(xiàn)“一人一臺分析儀器”的教學(xué)目標(biāo)；在教師講解完課程內(nèi)容后，學(xué)生學(xué)習(xí)可自主地設(shè)置任意參數(shù)，多次反復(fù)地對仿真儀器進(jìn)行操作。通過線上的練習(xí)，學(xué)生不僅可熟練掌握每個參數(shù)設(shè)定值對實驗結(jié)果的影響，同時對儀器的熟練操作也起到了良好的訓(xùn)練作用。

顯然，若只依托虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與在真實環(huán)境下實際操作的效果必然存在某些差距，例如，學(xué)生無法遇到線下實驗存在的操作問題，無法直觀地感受由于實驗結(jié)果中的系統(tǒng)誤差。因此，線下的體驗式教學(xué)也尤為重要。兩者可形成良好的互補(bǔ)，學(xué)生既可體驗虛擬仿真實驗的全過程操作，又能親身感受真實實驗的實際操作過程，彌補(bǔ)虛擬環(huán)境的操作誤差，鍛煉自身的動手能力。實踐表明，學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真訓(xùn)練后，學(xué)生線下的儀器操作技能更加熟練，無須教師講解，就能獨立完成實驗教學(xué)內(nèi)容。

3.2 虛實結(jié)合，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

如今，高精密分析儀器的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，這要求學(xué)生既要會熟練地操作儀器，也要掌握儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而能夠正確地對儀器進(jìn)行維護(hù)甚至維修。采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，可基于上述要求對學(xué)生進(jìn)行全面的培養(yǎng)。以東華理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的儀器分析實驗中的高效液相色譜定性及定量分析為例，該實驗按照教學(xué)大綱共安排6學(xué)時。在實際教學(xué)過程中，虛擬仿真安排了3學(xué)時，其余學(xué)時為線下實際操作練習(xí)。

在虛擬仿真教學(xué)過程中，教師利用仿真軟件中“儀器分解”模塊，將高效液相色譜進(jìn)行拆解，并重點講解每個部件的作用，使學(xué)生對整臺儀器結(jié)構(gòu)有更深入的認(rèn)識。例如，對于進(jìn)樣系統(tǒng)中的“六通閥”部件，教師首先通過圖片和動畫展示相結(jié)合的形式對其工作原理進(jìn)行講解；然后借助仿真軟件中內(nèi)置的教學(xué)視頻講解儀器的操作流程，同時對使用過程中需要設(shè)置的參數(shù)以及每個參數(shù)的作用進(jìn)行同步講解，這些內(nèi)容的講解在傳統(tǒng)的線下教學(xué)環(huán)節(jié)中是難以實現(xiàn)的；最后讓學(xué)生自行練習(xí)仿真軟件的操作，要求操作過程中自行設(shè)置儀器參數(shù)，操作熟練之后，進(jìn)入“考試模式”進(jìn)行線上學(xué)習(xí)的過關(guān)考核，考核合格者方可進(jìn)入線下操作教學(xué)環(huán)節(jié)。

3.3 虛實結(jié)合，創(chuàng)新考核機(jī)制

考核制度是評價教學(xué)改革質(zhì)量的關(guān)鍵，新的教學(xué)模式必然伴隨著新的考核方式。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，評價學(xué)生的成績主要對實驗預(yù)習(xí)報告和實驗報告的規(guī)范性進(jìn)行打分，忽略了關(guān)鍵的實驗技能操作評價。在虛實結(jié)合教學(xué)模式下，教師重新擬定了考核方法，加大了對學(xué)生實操技能的考核。在新型考核方式中，課前，基于實驗內(nèi)容教師先發(fā)布1—2個思考題，課堂通過隨機(jī)互動和查閱預(yù)習(xí)實驗報告的形式，考查學(xué)生對理論知識的預(yù)習(xí)及運(yùn)用情況；課中，線上課程重點考察實驗操作合理性，線下除了考察學(xué)生的操作技能外，將學(xué)習(xí)態(tài)度等素質(zhì)指標(biāo)納入課程成績考核。課程采用理論知識課前預(yù)習(xí)(20%)、虛擬仿真操作(25%)、實操技能(25%)、實驗報告撰寫(30%)的考核比重，總成績?yōu)楦黜椃謹(jǐn)?shù)之和的方式綜合評價學(xué)生的最終實驗成績。該評價機(jī)制把整個實驗流程都納入了考核體系，能夠更客觀地反映學(xué)生對理論知識和操作技能的掌握情況以及反饋課程的教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過采用虛實結(jié)合教學(xué)模式對“現(xiàn)代儀器分析實驗”進(jìn)行教學(xué)改革，發(fā)現(xiàn)將虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)線下教學(xué)模式相結(jié)合，不僅有效地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中儀器設(shè)備不足、學(xué)習(xí)成效較差等問題，同時也極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性。此外，基于線上虛擬軟件拆分模塊和視頻教學(xué)資源，可有效地加深學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)及工作原理的認(rèn)識，同時通過線上的模擬操作訓(xùn)練，有效幫助了學(xué)生熟練掌握儀器操作規(guī)范，并且可獨立且快速地完成線下實驗內(nèi)容。盡管如此，虛實結(jié)合教學(xué)模式仍處于探索階段，相關(guān)教育者仍需在教學(xué)中不斷加以完善和創(chuàng)新，使之能夠盡早地實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。