大型分析儀器實驗精準教學體系建設與實踐

叢培盛， 柴曉蘭， 朱仲良， 鄧子峰

(同濟大學 化學科學與工程學院，上海 200092)

大型分析儀器實驗精準教學體系建設與實踐

叢培盛， 柴曉蘭， 朱仲良， 鄧子峰

(同濟大學 化學科學與工程學院，上海 200092)

為解決大型實驗儀器教學中儀器少、場地狹小、學生人數多的問題，達到提高儀器實驗教學質量、提高學生動手能力、創新能力、協作能力的目的，提出“理論理解—微課建設—精準深化—自測驗證—創新提高”的精準教學法，并通過建設相應的教學管理網站(http://cal.tongji.edu.cn/chemweb)予以實現，實現了儀器實驗教學的全過程管理，對學生從技能培養向思維過程培養的轉變起到推動作用。這種教學管理模式可實現：①保證實驗關鍵知識點的普及；②保證大型儀器實驗課的有效開展；③有效提升學生的學習自主性，提高求知欲和創新能力；④為學生的成績評定提供了全過程的數據支撐。

精準教學； 創新能力； 全過程管理； 微課

0 引 言

大型儀器分析實驗受場地、數量、價格等限制，在高校中順暢開展高質量教學不易。但由于大型分析儀器集化學原理、前沿測量技術、計算機自動化于一身，是材料、化學、藥物、生物、環境等學科的重要檢測驗證手段，所以廣受重視。為提高學生的實踐、科研創新能力，近20年來，為適應社會發展的需要，我國很多高校進行了大量的投資，購進了大量的大型分析檢測儀器。雖然硬件跟上國際步伐，但相應的管理制度、教學模式沒有完全跟上。常見的現象是，很多先進儀器購進高校后，在實驗教學中的作用只是用來給學生作演示，學生操作很少，而且除了實驗教學課外，學生幾乎再難接觸儀器。由于儀器少，學生多，空間狹小，上課時往往只有前排學生看清教師的具體操作過程，導致大型儀器實驗變成了一個走馬觀花的過程，學生很難掌握儀器的詳細操作，更別提熟練應用及創新。

美籍科學家倪軍接受“實驗室研究與探索”雜志的采訪，在談論中美教育的差異時談到[1]，中美一流大學的生源素質差異不大，但本科4年后，兩者的差距就被拉大了，這種差距主要表現在，我國畢業生動手能力、創新能力較差，欠缺解決問題的實際能力。但這種能力又很難僅通過課堂教學獲得，需要通過加強實驗教學來補充。

我國高校在近20年的教學改革中非常強調創新能力的培養[2-4]，基于信息化手段改進教學法[5]、建設電子教學資源是很多教育工作者采取的主要策略[6-8]。歐美高校在創新型人才的培養策略上都特別重視實驗技能的培養[9]，在我國高等教育深化改革、提升學生創新能力的實施過程中，理工各學科都在強調實踐技能培養，提出了多種強化實驗的教學模式[10-15], 高效教學的實現手段[16]，值得我們借鑒并在實驗教學勇于開拓實踐。與之相適應的是，在我國，企業對化學專業的畢業生的大型分析儀器操作能力提出了越來越高的要求。從近10多年來我校化學系本科、碩士畢業生的就業去向來看，熟練掌握操作大型分析儀器是非常受企業歡迎的一項基本技能。因此，大學化學專業儀器分析實驗教學的改革就變得非常迫切。

1 精準教學體系的實現

1.1 微課建設，提高儀器使用效率

如何在狹小的空間、有限的儀器數量、學生人數多、教學課時不多的情況下，圓滿完成實驗教學任務？最傳統的實驗教學中，采用學生圍繞教師，在儀器前講解的方式，學生實驗前感性認識少，實驗中進展效率低。也有部分高校采用了視頻教學方式，讓學生事先預習，但視頻往往都較長、缺乏精準度，觀看時容易走神，學生的學習積極性不高。而且缺乏針對教學視頻交互手段，無法多方面收集教師、學生的意見等，這是需要進行教學改革的部分。所謂精準教學，是指在上述條件不變的情況下，采用有效的技術和過程監督手段，高效率地完成實驗教學。我們采取的策略是：將整個實驗劃分為3～5個片段，每個片段針對一個小主題，制作成3～5 min的短視頻，使學生可以精準掌握每個步驟的操作要點，提高學習效率。

精準教學模式使學生在時間花費大大減少的情況下快速掌握實驗要領，保證實驗進行時，每個學生都以較高的效率操作儀器，達到提高儀器使用率的目的。以一臺大型光譜分析儀器ICP-AES(電感耦合等離子體)為例，實驗過程表明，在一次安排9名學生的情況下，2 h內可保證每位學生都親自動手實際操作儀器，鍛煉動手能力，加深對實驗的理解。

1.2 實現過程管理，保障實驗順利展開

儀器實驗教學能否順利進行的一些很重要因素，包括學生對實驗原理的理解、對儀器操作的感性認識、對實驗目的和要求的基本理解。精準教學為順利開展實驗教學提供了必要條件，但要保障實驗教學有質有量，還必須有相應的管理措施。關鍵在于，教師如何督促學生進行自主性學習、如何發現學生進行了自主性學習、學習的質量又如何？為了達到該目的，利用信息化教學跨地域、時域、快捷特點，在信息化教學平臺中建立了題庫管理系統、出題系統、微課學習統計、自主測試自動閱卷的過程管理系統。在實驗進行的前一周，教師通過教學網站下達微課預習及自測指令。學生通過實驗講義、微課的學習后可以自行測試自己對實驗的掌握情況，并完成教師布置的小測驗。在進入實驗室后，教師可以一鍵式查閱學生微課的學習次數、學習時間、實驗內容測試是否完成、何時完成及得分情況。將這些具體的學習過程數據化，作為學生實驗課程成績考評的一部分。這種過程管理制度，使教師能夠很好地掌握了學生的實驗自主預習情況，學生課前預習的習慣逐步養成，保證了實驗的順利開展。

1.3 自主開放實驗，提高創新能力

在教學安排中，通過學期的前12周儀器實驗教學，學生基本掌握了教學規定的各種大型儀器的用途、實驗原理、操作技巧等內容。但這些規定的實驗內容，都是經教師嚴密設計，適合鍛煉學生的實驗操作技能。學生的實驗過程，是一種對實驗設計的簡單重復，難以增強學生對實驗的深刻理解、提高創新能力。

提高學生協作、創新能力的有效方式是讓學生根據自己掌握的知識去解決身邊常見的實際化學分析問題。為此，安排每個教學學期的最后4周，作為學生自主開放實驗周。在這期間，學生通過自由組合，形成一個小組，自定實驗主題，選擇學期實驗課中的一種大型儀器展開實驗分析，方案經任課教師認可后即可實施。這是一種充滿趣味、生活結合實驗課程的學習方式，深受學生們的好評。多年來，同學們將自己生活中化學分析的主題幾乎挖盡了，包括同濟校園內“三好塢”水、“四平路”土壤中重金屬離子的測定；各種花草香氣成分的測定；不同品牌茶葉香氣成份測定；蔬菜農殘熒光光譜的測定、寶石礦物的成分的拉曼光譜測定，等等，都成了學生實驗主題。在這些自主實驗中，往往會碰到實驗教學中想象不到的困難，與教學安排中的情形完全不同。解決這些困難，需要實驗小組自行查閱相關文獻、摸索實驗條件、完成數據分析，因而對學生解決實際問題能力的鍛煉非常有效。部分學生由此而喜愛上了儀器分析，成為指定儀器的小專家。

1.4 微課競賽，提高對儀器操作的理解

微課在實驗精準教學中起到了非常重要的作用，他可使實驗教學的質量長期保持穩定，不會因為任課教師的變動、上課時點變化而產生較大波動。但微課的建設費時且需要視頻制作的技術和經驗，雖然教師對課程的理解及教學上的思考比學生精準的多，但卻不一定能制作出優質的微課。學生思維活躍、激情，充滿時代氣息，在經過實驗培訓及自選實驗的磨練后，完全有能力根據實驗的課程要求制作出優良的精準微課。基于此，每年實驗教學完畢后，發動學生參與大型儀器實驗的微課建設成為同濟大學化學系一項必備項目。通過這樣的比賽，我們較快、較高質量地建立了各種大型儀器實驗微課，包括拉曼光譜、氣(液)相色譜、熒光光譜、電感耦合等離子體、安捷倫紫外光譜計等大型實驗儀器。

微課的建設，對學生而言是一個再鍛煉的過程。因為建設優秀的微課，前提就是對儀器的操作要求達到非常熟練的程度，對儀器操作的每個細節、先后次序、故障處理都有深刻的理解。所以，這樣的比賽很自然地就起到了提高學生對儀器操作理解的目的。

2 精準教學體系的保障

2.1 加強信息化建設，為精準實驗教學提供數據支撐

高效精準實驗教學，離不開信息化管理的支持。基于多年來在信息化教學開發中積累的經驗，建設了信息化管理平臺(http://cal.tongji.edu.cn/chemweb)。開發系統采用免費開源的Web服務器Tomcat，Struts體系結構，非常容易在Windows系統中部署并在各高校實驗教學中推廣。系統提供了微課管理、播放跟蹤、對微課的討論評價、各實驗的題庫管理、出卷系統、基于序列比對的自動閱卷系統、基于各種過程數據的查詢系統，整個系統的各組成部分見圖1。信息化系統保證了教師對教學過程的快速跟蹤。在平臺的支持下，教師可以很方便地查閱學生參與實驗討論、自測得分、微課的訪問、實驗測試得分、實驗報告的提交及評閱意見等多方位的數據。這些數據，在實驗課程開展的課堂中，教師都可以通過校園網立即查詢得到，有效地保證了實驗教學的嚴密性。

圖1 精準教學信息化平臺系統組成

2.2 加強教學團隊管理，建設優質教學資源

精準教學體系的實施，需要優質教學資源的支持，這離不開教學團隊每位教師的大量教學投入，主要體現在優質微課和題庫建設需要花費大量的時間，并在平日教學中養成利用信息化教學的習慣。因此，加強教學團隊管理，使教師各司其職，認真負責建設部分資源，思想統一到堅持依靠信息化平臺提供的基礎數據對教學質量進行實事求是的評價，是保障精準教學改革實現的關鍵。學校多年來一直堅持通過教學改革立項促進各類教學改革，鼓勵各學科的教學團隊建設，為各類優質教學資源的建設提供有效保障。

3 結 語

大型分析儀器實驗精準教學體系的建設，圍繞突出儀器操作關鍵知識點及深化的教學法，①可以使教師加強實驗每個關鍵節點的教學，使實驗教學更加高效；②可使學生在課前在短時間內快速了解實驗操作的重點，做到有的放矢，事半功倍。體系中提供的過程管理；①可以有效敦促學生實驗前做好預習，對實驗過程、實驗的知識要點作全面的理解；②可以幫助教師全面了解學生的參與情況，認知缺陷，給學生做出較全面的成績評定。目前，同濟大學化學系的所有大型分析儀器實驗已經全部納入精準教學體系，取得了較好的效果，課程在強調學生技能培養的同時，對思維過程培養起到了啟示作用。受此帶動，一些傳統的化學實驗課程也逐步采用該管理模式教學，對化學專業學生動手能力的培養將起到良好的示范作用。

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The Development of Precise Teaching Pedagogics for Large Scale Analytical Instrument and Its Practice

CONGPeisheng,CHAIXiaolan,ZHUZhongliang,DENGZifeng

(School of Chemical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In large-scale analytical instrument teaching practice, the main scene graph is that many students stand around the only one machine and listen to the teacher’s speaking in a narrow room. In order to promote the teaching quality, enhance student’s practice ability, innovation ability and collaboration ability, we tried to establish a new pedagogics which is a closed ring of theory explanation—microlecture—accurate in-depth—self test assessment—innovation boosting. The pedagogics has been realized through a teaching management web site, and thus we groped a valid instrument teaching practice with supervisor state. We summarized the advantages of this supervisor state in three aspects: 1. The key points of the experiment can be popularized; 2. Large-scale analytical instrument teaching practice can be carried out effectively; 3. It promotes students’ learning autonomy, learning desire, innovation ability. 4. It provides full process data support for a fare judgment of the student's score.

precise teaching; innovation ability; full process management; microlecture

2016-09-10

同濟大學重點教學改革項目(1380104070)

叢培盛(1964-)，男，山東威海人，碩士，教授，從事生物信息學及教學方法研究，多次獲得上海市、同濟大學教學改革成果獎。

Tel.: 13601900495； E-mail：pshcong@tongji.edu.cn

朱仲良(1962-)，男，江蘇無錫人，碩士，教授，從事化學模式識別及教學方法、大型儀器分析。E-mail：zhuzl@tongji.edu.cn

O 6-31 ；G 424

A

1006-7167(2017)05-0268-03