基于翻轉(zhuǎn)課堂的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐*

郭心靈，邱 婷，楊俊杰

(信陽農(nóng)林學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

儀器分析是通過運(yùn)用各種儀器為生產(chǎn)和科研提供大量的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形貌和組成信息，是醫(yī)藥、化工、材料、環(huán)境、生物等科學(xué)研究和工業(yè)控制的“眼睛”。儀器分析課程注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力、理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和銳意進(jìn)取的創(chuàng)新能力，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的應(yīng)用型學(xué)科，對(duì)培養(yǎng)具有工程特色的應(yīng)用型人才發(fā)揮及其重要的作用[1]。但由于儀器分析是多學(xué)科融合的交叉學(xué)科，具有覆蓋范圍廣、知識(shí)點(diǎn)紛雜多，操作步驟多，結(jié)果分析復(fù)雜的特點(diǎn)，僅僅依靠有限的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期的效果[2]。因此，迫切需要探索構(gòu)建新的教學(xué)模式，最大限度的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、主動(dòng)探索的精神對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力至關(guān)重要[3]。

建構(gòu)主義理論倡導(dǎo)“以學(xué)員為中心，以學(xué)為主”，教師扮演引導(dǎo)者的角色，注重培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作交流和創(chuàng)新精神，強(qiáng)調(diào)知識(shí)內(nèi)化是學(xué)習(xí)者積極主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系的過程，而不是教育者“填鴨式”的灌輸[4]。建構(gòu)主義理論所倡導(dǎo)的理念和觀點(diǎn)與現(xiàn)階段國際上認(rèn)可的以學(xué)生為中心的教育教學(xué)理念不謀而合，符合儀器分析的自身特點(diǎn)所要求教學(xué)方法。在信息網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，如何有效的實(shí)施建構(gòu)主義教學(xué)模式？翻轉(zhuǎn)課堂是通過課前教師創(chuàng)建視頻和學(xué)生自主學(xué)習(xí)、課堂師生互動(dòng)交流合作解決難題、課后評(píng)價(jià)反思和創(chuàng)新拓展的教學(xué)模式。因此，探索一種基于翻轉(zhuǎn)課堂的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐是建構(gòu)主義下一種解決問題的有效途徑[5]。

1 儀器分析實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在“三多三少”的矛盾

由于各類儀器繁多，部分儀器價(jià)格昂貴，并且儀器更新?lián)Q代速度快，而學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在“三多三少”的矛盾[5]。即實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、班級(jí)實(shí)驗(yàn)人數(shù)多而教師少、基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多而綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)少。在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，為了盡可能讓學(xué)生接觸更多的儀器，教師往往設(shè)計(jì)一些基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，采取“保姆式”的教學(xué)方法，教師課前設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)前處理，老師在課堂上講解、示范，然后學(xué)生“機(jī)械式”的按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，抄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這種“等、靠、抄”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維的提高和訓(xùn)練。

1.2 學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力差

儀器分析包括光學(xué)、電化學(xué)、色譜、質(zhì)譜的十幾種分析方法，不同分析方法之間無明顯的聯(lián)系，保持相互獨(dú)立，并對(duì)初學(xué)者而言幾乎沒有知識(shí)鋪墊。儀器分析是一門理論內(nèi)容豐富、實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生不僅要掌握不同分析方法的晦澀難懂的理論知識(shí)，而且還要掌握不同樣品的前處理方法、選擇合適的方法、正確操作實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理分析等。學(xué)生僅僅依靠課堂教學(xué)無法掌握、理解、熟練應(yīng)用各種儀器分析方法。而且經(jīng)過高考高壓態(tài)勢(shì)下洗禮后，學(xué)生的目標(biāo)不明確、自主學(xué)習(xí)能力明顯下降，大學(xué)鼓勵(lì)學(xué)生自主發(fā)展和個(gè)性化發(fā)展，“保姆式”的教學(xué)方式明顯不適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

1.3 評(píng)價(jià)考核形式單一

實(shí)驗(yàn)考察上往往采取平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)與期末成績(jī)的加和，平時(shí)成績(jī)往往依出勤率為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，學(xué)生只追求實(shí)驗(yàn)報(bào)告的整潔和篇幅，甚至抄襲、篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以求高分，所以平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分值往往相差不大。學(xué)生往往通過考前突擊背誦，忽略了實(shí)踐的認(rèn)知過程。這種考核方式不能有效的反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，也不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性性。

2 翻轉(zhuǎn)課堂在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革與實(shí)踐

針對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在的上述問題，根據(jù)我校的實(shí)際情況，結(jié)合制藥工程中藥藥劑專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃和儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，初步嘗試將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于儀器分析實(shí)踐教學(xué)改革，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、課程實(shí)施、課程考核方式三個(gè)方面進(jìn)行如下改革[6]。

2.1 精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了提高儀器分析教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和實(shí)踐創(chuàng)新能力，我們將建構(gòu)主義理論應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，充分發(fā)揮了學(xué)生的在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，體現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的自主學(xué)習(xí)過程，重視學(xué)生互助協(xié)作、交流互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行盡心設(shè)計(jì)和合理安排。

(1)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，增加學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)時(shí)間24學(xué)時(shí)，建立翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生提自主學(xué)習(xí)、交流互動(dòng)的學(xué)習(xí)平臺(tái)。教師引導(dǎo)學(xué)生做好課前知識(shí)內(nèi)化、課后知識(shí)鞏固和拓展創(chuàng)新，課堂上由教師指導(dǎo)、師生互動(dòng)交流、并由獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程；

(2)由于實(shí)驗(yàn)室大型儀器昂貴，儀器有限，為了使每一位同學(xué)都有機(jī)會(huì)參與實(shí)驗(yàn)過程，獨(dú)立操作，我們按20～30人的行政小班進(jìn)行上課，分為三大組，每個(gè)大組做會(huì)用到不同儀器的不同的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)大組再分為2～3人的若干個(gè)小組協(xié)作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。這種“大組輪轉(zhuǎn)-小組協(xié)作”的方式很好的解決了儀器少人員多的問題，避免實(shí)驗(yàn)“等、靠、抄”的現(xiàn)象，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能[7]。

表1 儀器分析實(shí)驗(yàn)課設(shè)項(xiàng)目

(3)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排上共設(shè)置12個(gè)實(shí)驗(yàn)，涵蓋電位滴定儀、紫外、紅外、原子吸收、氣相色譜、液相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用等大型儀器的操作和應(yīng)用，包括基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的三大模塊[8]。基礎(chǔ)模塊通過視頻教學(xué)課件和動(dòng)畫模擬軟件使學(xué)生掌握儀器的基本原理、基本構(gòu)造，然后，由教師邊規(guī)范操作儀器邊講解注意事項(xiàng)，隨后，學(xué)生單獨(dú)操作儀器，掌握操作要領(lǐng)和排除常見問題的方法；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過視頻教學(xué)-教師指導(dǎo)-學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的方式，使學(xué)生掌握儀器的基本操作過程、實(shí)驗(yàn)樣品處理以及數(shù)據(jù)分析和處理的能力。綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)通過文獻(xiàn)調(diào)研+視頻教學(xué)+教師指導(dǎo)+學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成實(shí)驗(yàn)的方式，使學(xué)生強(qiáng)化理論知識(shí)，具備解決實(shí)際問題的綜合應(yīng)用能力和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐創(chuàng)新能力；

2.2 精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂模式

圖1 基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施過程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下，將翻轉(zhuǎn)課堂具體應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程[10]。具體實(shí)施過程見圖1。

2.2.1 課前知識(shí)傳遞與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)課前實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)、制作PPT、錄制微視頻、設(shè)計(jì)自測(cè)練習(xí)和思考題等教學(xué)資源，并將教學(xué)資源上傳至翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)平臺(tái)；學(xué)生根據(jù)教師下達(dá)的任務(wù)制定學(xué)習(xí)計(jì)劃、學(xué)習(xí)教學(xué)資源、完成在線測(cè)試，通過查閱資料、小組交流討論完成思考題和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。其次，教師通過微信群、QQ和翻轉(zhuǎn)課堂平臺(tái)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、參與討論過程，并對(duì)學(xué)生的疑問給出解決問題的指導(dǎo)性意見。最后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組交流討論形成實(shí)驗(yàn)方案。

2.2.2 課中學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)與互助討論

課堂上教師根據(jù)學(xué)生的線上線下反饋情況講解重難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)操作中的注意事項(xiàng)。并對(duì)組織學(xué)生探討實(shí)驗(yàn)方案的可行性，由每個(gè)小組推薦一位代表匯報(bào)本小組的實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施過程，師生共同參與實(shí)施方案的提出疑問進(jìn)行討論，最終教師進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定實(shí)施方案。然后學(xué)生由學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作過程，觀察并探討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析推算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2.3 課后評(píng)價(jià)反饋與拓展創(chuàng)新

學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行互動(dòng)交流和歸納總結(jié)，探討實(shí)驗(yàn)中需要改進(jìn)的地方和不足之處。教師根據(jù)學(xué)生的反饋情況和課程實(shí)施中遇到的問題及時(shí)進(jìn)行疏導(dǎo)和調(diào)整方案，并啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)際藥品生產(chǎn)和藥材種植過程面臨的問題主動(dòng)探索、解決現(xiàn)實(shí)問題。利用課余閑暇之余，教師帶領(lǐng)學(xué)生深入中藥材種植基地和藥品生產(chǎn)企業(yè)一線參觀學(xué)習(xí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有利于學(xué)生拓寬思路，也利于幫助企業(yè)和用戶解決現(xiàn)實(shí)面臨的問題，實(shí)現(xiàn)企業(yè)、種植農(nóng)戶、學(xué)校三方共贏。比如：迷迭香中含有大量的揮發(fā)油成分，迷迭香中抗氧化成分達(dá)50%，但其色素難以脫去，其抗氧化成分利用率低，如何高效提取及應(yīng)用其脂溶性氧化劑和水溶性氧化劑是企業(yè)所面臨的問題。

2.3 注重實(shí)驗(yàn)過程考核 建立多元化實(shí)驗(yàn)考核體系

傳統(tǒng)的重結(jié)果輕過程的實(shí)驗(yàn)課程考核方式不利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況不能起到有效的反饋?zhàn)饔谩Ｒ虼耍覀兓诮?gòu)理論，重視翻轉(zhuǎn)課堂在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施過程，構(gòu)建線上與線下相結(jié)合、過程考核與目標(biāo)考核相結(jié)合、基本實(shí)踐操作與創(chuàng)新能力相結(jié)合的多元化實(shí)踐考核評(píng)價(jià)體系。此評(píng)價(jià)體系貫穿課程實(shí)施的全過程，既有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性、加深知識(shí)的掌握程度，又有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神、提高創(chuàng)新應(yīng)用能力[11]。具體考核辦法見表2。

表2 儀器分析實(shí)驗(yàn)課程考核評(píng)定

3 教學(xué)效果調(diào)查與評(píng)價(jià)

通過此次儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生的知識(shí)掌握程度、自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新技能等方面有了很大的改觀。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合成績(jī)相比去年的學(xué)生成績(jī)有了明顯提高，82.9%學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、小組討論、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以及課后拓展等各個(gè)考核環(huán)節(jié)表現(xiàn)優(yōu)秀。通過課外拓展活動(dòng)中，將實(shí)驗(yàn)拓展活動(dòng)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結(jié)合解決現(xiàn)實(shí)問題，提出很多值得進(jìn)一步探究的課題。

評(píng)判實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果的優(yōu)劣必須要以學(xué)生的評(píng)價(jià)放在核心位置。因此，在2017級(jí)制藥工程中藥藥劑專業(yè)142名學(xué)生中對(duì)此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如表3所示。評(píng)價(jià)項(xiàng)目依托人才培養(yǎng)計(jì)劃和課程培養(yǎng)目標(biāo)，客觀全面地考察學(xué)生對(duì)此次教學(xué)改革的滿意度。從調(diào)查表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示超過80%的學(xué)生對(duì)此次教學(xué)改革表示非常滿意。此次教學(xué)改革在培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)方面都取得了普遍認(rèn)可和肯定。

表3 教學(xué)效果情況反饋表

4 結(jié) 語

儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐，有效改善了儀器分析實(shí)驗(yàn)室“三多三少”的局面，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力得到明顯提高，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神明顯增強(qiáng)，多元化實(shí)踐考核評(píng)價(jià)體的建立對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)揮積極地反饋和促進(jìn)作用[12]。但在教學(xué)改革實(shí)施過程中存在一定的挑戰(zhàn)和困難：高質(zhì)量的翻轉(zhuǎn)課堂平臺(tái)建設(shè)需要投入很大的時(shí)間和精力，并要求教師能夠熟練運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段；雖然采取“大組輪轉(zhuǎn)-小組協(xié)作”的方式緩解了“儀器少學(xué)生多”的局面，但同時(shí)開展幾組不同的實(shí)驗(yàn)，教師難以對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組都指導(dǎo)到位；有少部分同學(xué)不完全適應(yīng)新的教學(xué)模式，自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性差，不善于交流討論，在一定程度上削弱了教學(xué)效果。因此，在以后的翻轉(zhuǎn)課堂平臺(tái)建設(shè)上需要考慮成立專業(yè)制作技術(shù)團(tuán)隊(duì)，完善翻轉(zhuǎn)課堂平臺(tái)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)題庫、交流互動(dòng)參與度等功能來實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效監(jiān)控和適時(shí)引導(dǎo)；在實(shí)驗(yàn)課堂中配備一名實(shí)驗(yàn)員，與專業(yè)教師相互協(xié)作與學(xué)生加強(qiáng)深度交流互動(dòng)、指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。結(jié)合建構(gòu)主義理論和課程培養(yǎng)目標(biāo)，建立更加科學(xué)合理、動(dòng)態(tài)管理的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是一項(xiàng)長(zhǎng)期復(fù)雜的系統(tǒng)工程。