基于特殊情況的儀器分析實驗教學模式研究*

袁 婷，韋 波，施少君

(常熟理工學院材料工程學院，江蘇 常熟 215500)

2020年初，一場突如其來的新冠肺炎疫情在全球蔓延，全國各省市自治區啟動重大突發公共衛生事件一級響應，導致多地大學無法如期開學。為了保證疫情防控期間正常的教學進度和教學質量，教育部要求采取政府主導、高校主體、社會參與的方式，共同實施并保障高校的在線教學，實現“停課不停教、停課不停學”[1]。在此號召下，全國高校紛紛開展在線教學，采用各種遠程教育方式保障理論教學的穩步進行。

實際上，除本次的新冠肺炎疫情外，還存在不少類似的特殊情況。2003年“非典”疫情席卷全球，多所大學的正常教學進度被打亂。2014年埃博拉病毒在非洲爆發，造成尼日利亞、利比里亞等非洲多國教育停滯。此外，一些國家局勢緊張、學生抗議活動等情況造成的大學停課、教育停擺現象也時有發生。雖然可以借助網絡、教學平臺和多種媒體開展理論教學，但是對化學專業的實驗教學卻造成了嚴峻的挑戰[2]。目前，多數高校的化學類實驗教學主要采取的還是面對面、手把手進行教授，這不僅存在地點上的局限，對實驗設備要求也較高。加上化學類實驗設備普遍都是專用實驗器皿、設備或大型檢測儀器，要做到臺套數滿足學生數要求非常困難。特別是在地處中西部欠發達地區的高校，大型設備的購置經費問題突出，也很難完全滿足化學學科實驗教學需求。

在高等教育中，實驗教學是化學專業教學環節里的關鍵組成部分，如何在社會沖突或自然災害造成的臨時性停課、經費條件不足、設備臺套數不夠等特殊情況下保證教學質量是現代教育改革中必須考慮的部分。本文以化學專業基礎必修實驗——儀器分析實驗為例，探討了特殊情況下化學專業實驗教學的主要困難，并針對性地研究了實驗教學改革模式。

1 特殊情況下化學專業實驗教學的主要困難

1.1 實驗教學面授條件不足

儀器分析實驗目的是學習化學定量分析和儀器分析的基本技能和分析方法。因此教師要在專業的化學實驗室為學生講授實驗目的原理、儀器的操作以及在實驗過程中需要注意的事項等。這種教學模式需要教師、學生、設備三方面條件同時具備，缺一不可。但是在社會沖突或自然災害發生時，學校往往采取臨時性停課的措施，教師和學生無法集中，以面授方式進行實驗教學的條件產生缺失。此外，即使在正常情況下，由于儀器分析實驗往往涉及色譜、質譜、光譜等大型儀器，極易存在實驗教學師資不強、實驗教學的可重復率較低以及設備購置經費不足等問題。經常會出現僅僅老師演示、學生并未實際操作或者數名乃至十余名學生操作一臺設備的情況，一些高校因為未購置相關設備而取消部分實驗項目的現象也時有發生。在這些特殊情況下，實驗教學的條件無法得到滿足，嚴重影響了學生對化學專業理論知識的理解以及創新能力的培養。

1.2 線上實驗教學資源不足

近年來在信息技術的飛速發展下，不少高等教育正向著數字化轉變，慕課、微課等在線課程的建設和實施也已廣泛深入地開展了多年。這次疫情中，教育部要求面向全國高校全天候免費開放了全部優質在線課程和國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺[3]。但在這些在線課程中搜索發現，用于化學專業實驗如儀器分析的資源非常有限。這是因為實驗教學長期以來主要采用面對面授課形式，線上教學的優勢和潛能并未得到充分重視。不少學校投資數百萬甚至上千萬建立的優秀化學實驗測試平臺僅用于本校有限學生的實驗教學和教師科研，用于建設實驗在線課程項目的寥寥無幾。這就導致一來本校師生資源有限，大型儀器設備平臺不能物盡其用，大型儀器開機維護費用高卻無人使用；二來大型設備儀器原理、操作和維護手段復雜，遇到實驗師資變動等特殊情況時平臺的持續利用效率也會降低。而在中西部偏遠高校中，大型設備如電感耦合等離子體光譜儀、氣象色譜儀等動輒數十萬數百萬，學校很難具備相應的儀器分析手段。這使得有條件的高校不能充分發揮平臺優勢，而條件欠缺的高校無法共享到這些有限的資源，在疫情等特殊情況下更是顯得捉襟見肘。

1.3 實驗線上教學考核困難

長期以來，除對實驗教學的在線課程建設缺乏重視以外，實驗類線上課程的建設困難也是造成教學資源匱乏的重要原因之一。這主要是因為化學類實驗教學具有其特殊性，必須涉及到學生的實操以及部分團隊協作的項目等。線上網絡教學由于是遠程教育，學生以看和聽為主，對操作能力的培養就存在比較大的局限。而在考核指標上，實驗教學與理論教學也存在較大差異。理論課程的考核主要以考試形式進行，線上課程的相關設置完全可以滿足要求。實驗課程的考核一般以學生的實操能力為基礎，同時考察學生的學習態度、團隊協作能力、創新能力等，這些考核指標在網絡課程中難以體現，這也是對實驗教學線上課程的巨大挑戰。此外，實驗教學的線上課程要求教師同時具有較高的操作能力和信息技術水平，教師信息技術素養和信息化教學水平的不足也直接影響了實驗課程的線上教學效果。

2 特殊情況下化學專業實驗教學模式研究

面對特殊情況下進行實驗教學的種種問題，本文以儀器分析實驗為例，積極開展了在特殊情況下化學專業實驗教學模式的探索和研究，以保障特殊情況下化學專業實驗教學的順利進行。

2.1 線上線下混合，創造實驗教學條件

實操動手是化學類實驗課程的必要環節，掌握實驗研究的基本手段和方法，具有一定的實驗技能和動手能力是理工科學生必備的專業基礎。因此，如果完全照搬理論課程的線上教育方案將無法完全滿足實驗教學需求。雖然在科技飛速發展的今天，AR 增強現實、VR虛擬現實等前沿技術已逐漸被開發，但應用于實驗教學還需要時間和科技的積累，目前很難實現全民普及。因此，現今乃至未來的幾十年內，線上和線下的混合才是解決特殊情況下實驗教學條件不足的實際途徑。

線上教學主要進行實驗室的個人安全防護、危險化學品泄漏處理等基礎知識的學習，“電化學電致發光測定氨基酸含量”、“氣相色譜的定性和定量分析”、“離子選擇性電極法測定天然水中氟含量”等認知型實驗基本原理的預習，以及大型設備如紫外可見分光光度計、氣相色譜儀、原子吸收光譜儀、紅外光譜儀等測試實驗的觀摩這幾個方面。線下教學主要就包括簡單認知型實驗的實操部分如紅外壓片、電位滴定、調節溶液的pH等。待疫情等特殊情況結束以后，學生返校對基礎實驗操作進行練習即可，而基礎化學實驗室大部分高校都具備。值得注意的是，實驗教學的考核評價模式也需要有相應的改變。線上教學要根據實驗慕課的學習情況、模擬操作的結果、線上討論及作業完成等情況來考察，同時綜合線下的實驗操作能力進行學生考核評價。這也有助于學生對系統實驗方案、目的及原理的理解，加深對專業知識的鞏固，避免了學生在實驗課程中只是一味地機械模仿和重復，更注重對學生實驗綜合素質的評價，實現全方位考核。通過虛實結合的實驗教學和評價模式，可以充分發揮學生的自主學習能力，同時培養學生的實踐能力[4-6]。

2.2 遴選優質資源，加強線上課程建設

盡管網絡課程建設已經開展數年，但目前全國范圍內實驗課程的線上教學資源少之又少。在科技及信息技術迅速發展的今天，大部分家庭都能普及家庭電腦、網絡等常規設備，如果擁有成熟的教學軟件和網絡課程資源，通過線上直播授課、錄像授課、虛擬實驗室等方式，可以滿足特殊情況下實驗課程線上教學的需求。這就需要幾方面的共同努力：一是支持有條件的高校，充分利用其優質資源，加快開展相應實驗教學在線網絡課程的建設，建立內容豐富的實驗網絡資源庫，擴大實驗網絡資源的廣度，保障特殊情況下的基礎實驗教學能順利開展[7]。二是充分發揮實力雄厚的名校以及名師力量，推動經典和富有特色的實驗在線課程建設，形成優質精品實驗教學線上資源，加大實驗網絡資源的深度。三是鼓勵擁有優質網絡和實驗平臺的社會力量，積極開發各類配套實驗仿真軟件、虛擬實驗室、在線實驗平臺等網絡資源，構建虛擬實驗教學平臺，配合高校教師制定在線教學方案。通過高校、教師、社會力量的結合，有效拓展實驗教學線上內容的廣度和深度。線上課程是未來教學發展的一大必然趨勢，有效地實現了資源共享和能力提升。而教師通過線上課程的建設，可以加深對實驗教學及專業技能的理解和應用，同時在此過程中適應互聯網時代的知識傳播方式，緊跟時代步伐，對教師自身也是提高的良好契機。

2.3 加強課程設計，發揮科技平臺優勢

要充分發揮線上課程教育在化學專業實驗教學中的作用，就不能只是將理論課程線上教育的經驗及方案生搬硬套，簡單地把課程放在互聯網上，需充分考慮實驗課程的優勢與特點，加強課程設計，形成切實可行的實驗課程在線教學方案。從實驗課程的特點出發，全面統籌教學內容，提供差異化、個性化、智能化的教育，有效地利用這些各位平臺科技資源來提高實驗教學的質量和效率。如儀器分析實驗中的認知型實驗，可以由授課老師錄制實驗原理和目的等基礎知識的視頻，同時組織線上討論，討論內容可以包括實驗方案設計、實驗設備選擇、實驗團隊分工等，剩余簡單實驗操作待條件允許后分小組線下進行。觀摩性儀器分析實驗涉及到的大型儀器比較復雜，應由具備優質實驗平臺的高效及社會力量進行課程建設，組織專業人員錄制實驗儀器的內部結構及操作視頻，并以慕課的形式進行整理。將儀器背景知識、原理、操作步驟碎片化，一個知識點對應一個短視頻，學生可以利用手機、平板、電腦等工具隨時觀看，對不甚了解或者感興趣的模塊反復學習，滿足學生個性化需求[8-9]。

3 結 語

如今新一代信息5G網絡開始應用，可解決網絡接入和平臺穩定性、線上教育資源整合、在線教育平臺交互功能不足等問題[10]。直播平臺如QQ、ZOOM、釘釘等，最大限度地滿足教學需求。而一些頂尖科技如3D應用技術、AR增強現實技術、VR虛擬現實技術也已逐漸成熟，應及時開展這些新型科技在實驗教學中的模擬研究，可以極大地豐富教學應用模式和場景[8]。互聯網大數據分析，可以實時精準掌握每個學生的學習行為和學習情況，更有助于對學生進行個性化培養，針對性教育。

作為人才培養的重要環節，實驗課程是學生實踐與研究的基礎，也是從知識理解向科學研究的轉化。這次疫情給實驗課程的教學改革提供了一個很好的契機，倒逼高校和教師去思考如何開展特殊情況下的實驗課程教學。在疫情及各種特殊情況常態化的背景下，在線教學將是發展的大趨勢，成為與線下教學融合并行的教學方式，對傳統教育進行有效輔助和補充。其打破時間空間限制，實現優質資源共享，更有利于促進教育的公平化和全民化，讓即使處于特殊情況的學生也享受到學習權利。