通過虛擬仿真實驗構(gòu)建“儀器分析”課程線上教學(xué)平臺的思考

斯琴朝克圖，章愛群，李國元，姜益泉

(湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

現(xiàn)代儀器分析法在自然科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中占有極其重要的地位，是自然科學(xué)工作者必須掌握的重要手段，“儀器分析”課程在筆者所在學(xué)校藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)與工程、生物工程、農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專業(yè)本科生的教學(xué)工作中占有十分重要的地位，是基礎(chǔ)課程之一。隨著技術(shù)的進步，高等院校的諸多學(xué)科發(fā)展過程中都需要儀器分析提供各種信息數(shù)據(jù)。虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。[1]2018年5月，教育部經(jīng)研究決定開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作。建設(shè)模式包括：突出以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實驗教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運行模式、敬業(yè)專業(yè)的實驗教學(xué)隊伍、持續(xù)改進的實驗評價體系和顯著示范的實驗教學(xué)效果。[2-3]

原子熒光光譜法(AFS)是原子光譜法中的一個重要分支，是介于原子發(fā)射(AES)和原子吸收(AAS)之間的光譜分析技術(shù)。硒是重要的生命微量元素，我國存在不同程度的硒攝入量不足的人口數(shù)約有7億多，為滿足需要，市面上富硒食品種類繁多。國標(biāo)GB 5009.93-2017即氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HG-AFS)是精確度最高，檢測時間最快的硒檢測方法。通過虛擬仿真原子熒光光譜儀，建立植物硒測定方法，檢測植物樣品硒含量實驗操作過程，突破了條件的局限性，為學(xué)生了解原子熒光光譜儀的基本原理、操作流程提供了輔助工具；突破時間的限制性，使學(xué)生全面快速的學(xué)習(xí)實驗相關(guān)的指標(biāo)與評價方法；掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性范圍、檢出限、準(zhǔn)確度與精密度建立硒測定的有效方法，學(xué)習(xí)植物樣品的微波消解與趕酸，了解儀器最佳工作條件，掌握硒測定的操作流程，熟悉檢測結(jié)果的統(tǒng)計方法，培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生具備良好的專業(yè)素質(zhì)、具有較強的分析技能、具備較強的綜合實踐能力。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的特點

通過氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀原理和植物硒測定方法研究虛擬仿真實驗，可以達(dá)到以下實驗教學(xué)目的：了解氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀的基本原理和結(jié)構(gòu)；了解和認(rèn)識氫化物發(fā)生技術(shù)的原理、優(yōu)點；掌握原子熒光光譜儀的操作技術(shù)；掌握原子熒光光譜儀測定硒的實驗評價方法；了解、認(rèn)識茶葉樣品特性，微波消解程序設(shè)定及操作。

虛擬仿真實驗教學(xué)方法包括案例教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂。 案例教學(xué)主要利用多媒體、三維建模、虛擬仿真等信息技術(shù)創(chuàng)建虛擬仿真實驗操作平臺，將氫化物發(fā)生原子熒光法測定植物硒(Se)的方法研究及應(yīng)用過程真實展現(xiàn)、輔助原子熒光光譜儀原理、結(jié)合原子熒光儀的自身儀器條件，儀器設(shè)備介紹使用，獲得樣品測定實驗結(jié)果，同時學(xué)習(xí)如何建立有效的硒測定實驗方法并進行評價。通過人機交互和文字、圖片等各種媒介，采用虛擬實驗材料進行各種實驗操作，從而達(dá)到理解實驗原理、了解儀器操作流程、熟悉實驗步驟、掌握硒測定實驗方法建立和評價，培養(yǎng)學(xué)生扎實的實驗技能、強化實驗應(yīng)用能力的實驗?zāi)康摹?/p>

利用虛擬實驗材料進行各種實驗器具使用操作，而后在線下進行進一步的探索、答疑、驗證、訓(xùn)練；課程前后均可反復(fù)進行在線考核。從而達(dá)到掌握原子熒光光譜儀使用流程，熟悉測定方法的建立與評價，并培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)分析技能、儀器使用能力、理論理解能力的目的。這樣的實驗教學(xué)方法，儀器針對性強，方法應(yīng)用性廣，成本低、危險小、周期短且易重復(fù)。運用線上線下、智能化、個性化、泛在化的實驗教學(xué)新模式，豐富了教學(xué)手段。系統(tǒng)具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，能夠進行在線考核，創(chuàng)新了評價體系。微波消解和趕酸過程在實際操作中危險高、耗時長，虛擬仿真安全低價，縮短時長。案例分析、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法有利于推進探究式教學(xué)方法的普遍運用，凸顯學(xué)生綜合設(shè)計與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的深度和廣度。

2 教學(xué)效果對比

2015年教育部印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，指出轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵是明確辦學(xué)定位、凝練辦學(xué)特色、轉(zhuǎn)變辦學(xué)方式。學(xué)習(xí)氫化物發(fā)生原子熒光光譜儀原理、結(jié)合原子熒光儀的自身儀器條件，根據(jù)植物樣品特性，設(shè)定程序進行微波消解，使用原子熒光光譜儀，建立有效的硒測定實驗方法并進行評價，檢測植物樣品硒含量的實驗技能訓(xùn)練符合培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐應(yīng)用能力強、綜合素質(zhì)好，具有創(chuàng)新精神和社會適應(yīng)能力的高級專門人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

通過虛擬仿真實驗教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)υ訜晒夤庾V儀有較全面的了解，基本掌握儀器的使用方法。對設(shè)備操作時的工作參數(shù)選擇、方法可行性分析、樣品預(yù)處理及測定逐步深入并理解掌握，初步具備根據(jù)分析對象建立合適的分析方法及理解相應(yīng)問題的能力；并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理的有關(guān)方法，具有初步的數(shù)據(jù)處理能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)本實驗后，應(yīng)以專業(yè)理論為基礎(chǔ)，熟練掌握和利用此分析手段、方法進行樣品檢測，增強自身的運用能力。針對這一情況，本項目整合原子熒光光譜儀的基本原理、儀器設(shè)備及其基本結(jié)構(gòu)、方法學(xué)評價及樣品測試，制作了數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化分析測試模型，將該儀器的實驗教學(xué)變得更加生動、直觀、規(guī)范。在實驗中，學(xué)生要理解理論基礎(chǔ)知識，運用方法學(xué)中指標(biāo)評價新建立方法的優(yōu)劣，結(jié)合測試樣品特性，用合理的預(yù)處理手段得出分析結(jié)果，再根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行總結(jié)。

采用案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、演示、訓(xùn)練等多種教學(xué)方法，提高學(xué)生的參與熱情。虛擬仿真項目模擬老師在虛擬實驗平臺使用虛擬器具進行各種實驗操作，通過案例教學(xué)，學(xué)生既能學(xué)習(xí)儀器操作，也能學(xué)到茶葉樣品分析的樣品制備、微波消化、測試，讓學(xué)生不光是進行簡單測試，還有機會學(xué)習(xí)如何根據(jù)儀器設(shè)備條件建立分析方法、評判方法的優(yōu)劣程度等，可很大的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生對方法學(xué)評價的理解能力、儀器操作能力、樣品預(yù)處理能力、測試結(jié)果分析能力。

通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合。強烈激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，在線自助考核使學(xué)生明白自己的不足，可針對性進行改正，極大提高了學(xué)生的實驗操作的技能。[4]通過原子熒光光譜儀學(xué)習(xí)考核的同學(xué)，可預(yù)約開放實驗室進行實體儀器操作訓(xùn)練，虛實結(jié)合。此外，學(xué)生之間、師生之間可通過系統(tǒng)平臺，進行線上交流、答疑等互動。

多位一體，理論、操作與結(jié)果綜合評價。通過掌握原理、利用儀器、樣品分析更加全面地考核和評價學(xué)生。真實實驗中難以獲得的每個學(xué)生操作的不足、前后的進步等過程性評價，虛擬仿真通過自動考核系統(tǒng)就很便捷地得到了實現(xiàn)。利用虛擬方法的建立和虛擬樣品的分析結(jié)果進行綜合評價，教師可獲知學(xué)生的易犯錯誤等進行重點點評，學(xué)生可根據(jù)自己的錯誤進行針對性改正，此外，結(jié)合教師線下的實體模型操作考核，進行線上線下綜合評價。

虛擬仿真實驗過程中，教師要做好“以教師為主，到服務(wù)學(xué)生、服務(wù)社會”的轉(zhuǎn)變。只有角色轉(zhuǎn)變了，才能真正發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，強化交互，構(gòu)建支持多種模式的教學(xué)環(huán)境；學(xué)生要從“旁觀者”轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)者。虛擬仿真實驗教學(xué)需要營造的是一個以學(xué)生為中心的課程設(shè)計，注重學(xué)習(xí)情境，良好的互動性設(shè)計，能保障每一個功能模塊都能為教學(xué)和學(xué)習(xí)者提供高度的實用性和易操作性，應(yīng)避免那些華而不實、脫離在線學(xué)習(xí)需求的功能。

3 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)是教育部為推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)過程、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。作為中國“金課”建設(shè)的重要組成部分，虛擬仿真實驗教學(xué)項目按照先建設(shè)應(yīng)用、后評價認(rèn)定、持續(xù)監(jiān)測評估的方式，將有效推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)的新模式。虛擬仿真實驗教學(xué)有利于形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。[5]