新工科背景下環境類儀器分析課程改革探索與教學效果分析

曾映旭 秦玉春 劉瑞娜 齊丹

摘 ?要：在新工科課程建設背景下，文章結合環境類專業碩士研究生的人才培養目標，以現代儀器分析課程為例，探討線上線下混合式教學模式的改革實踐與教學效果。研究分別選取2019級和2020級環境類專業碩士研究生作為對照組和實驗組，前者采用傳統教學模式，后者采用混合式教學模式;課程結束后進行期末考核及匿名問卷調查。基于此，建立了以教師和學生為主體的教學效果評價體系，包括教學內容、教學方法、教學管理、教師素養、學習動力、學習價值、學習成績、學習參與度的多維度、多指標體系。結果顯示，實驗組93.1%的學生對混合式教學模式持較高認可態度，且其學習價值、教學內容、教學方法、教師素養和教學管理方面中的大部分指標滿意度高于對照組（P<0.05）;兩組學生的期末測試成績無顯著差異，但實驗組的過程性考核成績高于對照組;改革后的教學模式更好地發揮了學生的主觀能動性，總體上達到了提升教學效果的目的。

關鍵詞：新工科;儀器分析;混合式教學;教學效果

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0126-05

Abstract： In the context of new engineering course construction and in combination with the training objectives of environmental master students， this paper investigated the educational reform practice and teaching effect of the online to offline blended teaching mode using modern instrumental analysis course as an example. In the study， environmental master students of 2019 and 2020 were selected as the control group and experimental group respectively. The traditional teaching mode was adopted for the former， while the blended teaching mode was used for the latter. The final assessment and anonymous questionnaire survey were conducted at the end of semester. By taking both the teacher and the students as the evaluation subjects， the teaching evaluation system was established using a multi-dimensional and multi-index system， including teaching content， teaching method， teaching management， teacher quality， learning motivation， learning value， learning achievement， learning participation. The results showed that 93.1% of the students in the experimental group hold high recognition attitude towards the blended teaching mode， and their satisfaction with most of the indicators involved in learning value， teaching method， teaching content and teaching management was significantly higher than those in the control group（P < 0.05）. There was no significant difference in the final test scores between the two groups， but the experimental group achieved higher performance in process evaluation than the control group. The reformed teaching mode gives better play to students' subjective initiative and enhances the teaching effect on the whole.

Keywords： new engineering; instrumental analysis; blended teaching; teaching effect

為應對新一輪科技革命和產業變革所面臨的新機遇、新挑戰，服務“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大倡議實施，教育部高等教育司于2017年發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]強調，需深化工程教育改革，探索工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，培養引領未來技術與產業發展的多元化、復合型、創新型工程科技人才。這對我國傳統工科教育提出了新要求、新挑戰，迫切需要工科各專業持續深化教育改革創新，助推工程教育強國建設，為我國未來技術產業發展提供人才支撐[2-3]。

現代信息技術的蓬勃發展為新工科建設背景下的教育教學改革提供了新契機。目前“互聯網+教育”模式已成為新工科教育改革中的重要探索方向。近年來，MOOC（Massive Open Online Course，大規模開放在線課程）、SPOC（Small Private Online Course，小規模專有在線課程）、翻轉課堂、線上線下混合教學模式等新型教學模式不斷涌現，極大地促進了傳統教育教學模式的革新[4-8]。其中，混合式教學模式融合了線上學習和線下面授教學的優點，通過運用現代信息技術及數字化教育資源，根據學生認知規律、學情特點及培養目標要求，設計多種教學活動方式，以增強學生主觀能動性，激發其學習興趣和積極性，進而達到提升教學質量和教學效果的目的[7-8]。本文擬以環境類專業碩士研究生的現代儀器分析課程為例，探討基于超星學習通平臺的線上線下混合式教學模式的改革實踐及教學效果，為探索新工科背景下現代儀器分析課程的教學改革提供參考。

一、現代儀器分析課程特點與現狀

現代儀器分析是環境類專業碩士研究生必修的專業基礎課，是培養新工科背景下復合型專業人才的重要課程之一。課程主要介紹光譜、質譜、色譜、電化學分析法等多類儀器分析技術，并涉及儀器構造、檢測原理、分析技術及統計學等知識，具備典型的多學科知識交叉及跨領域技術融合的特征。同時，由于各種新型儀器技術方法發展迅速，使得該課程具備明顯的前沿性和發展性，教學內容亟待更新。在傳統教學模式下，該課程的教學主要采取單一的課堂講授方式。由于課程教學內容龐雜，且各儀器技術間聯系不夠緊密，教師往往需在有限的學時內輸出大量教學內容，導致學生被動輸入知識，學習負擔較重;加之儀器理論知識抽象，儀器構造復雜，因此學生對儀器構造及原理缺乏感性認識，理解不透徹，知識難以內化，導致其學習興趣和動力不強，最終的教學效果也差強人意。在考核評價方面，傳統教學模式主要以作業和考試作為考核手段，注重結果性評價而忽視了過程性評價，難以全面客觀地反映學生在整個學習過程中的情況[9-10]。可見，傳統教學模式制約了學生的主觀能動性，難以激發學生的學習興趣和潛能，難以達到新工科人才綜合素質及專業能力的培養要求。因此，探索新工科建設背景下現代儀器分析課程的教學模式改革對于培養多元化、創新型并具備多學科交叉知識的應用型工程人才具有重要意義。

二、基于混合式教學理念的線上線下課程教學改革

現代儀器分析課程線上線下混合式教學模式的構建主要以超星學習通平臺及相關數字化教學資源為支撐，從課前預習準備、課堂面授教學、課后鞏固練習及課程考核評價四個方面開展改革。課程架構設計如圖1所示。

（一）課前預習準備

混合式教學中課前階段的教學活動均采用線上模式開展。首先教師基于超星學習通平臺引進優質數字化課程資源進行開發，建立SPOC課程，創建線上教學環境。根據學情特點及環境類專業碩士研究生的培養目標要求，對課程內容進行整合優化，構建適合環境類專業碩士研究生的現代儀器分析課程新體系。教學內容按各儀器分析法的共性特點及環境分析領域應用情況，分為四大教學板塊：（1）分子光譜分析法：紫外及可見吸收光譜分析、紅外吸收光譜分析、激光拉曼光譜分析;（2）原子光譜分析法：原子吸收光譜分析、原子發射光譜分析、原子熒光光譜分析;（3）電化學分析法：電位分析法和離子選擇電極、電解和庫侖分析法;（4）色譜和質譜分析法：氣相色譜、高效液相色譜、質譜分析法、色譜-質譜聯用技術。

教師通過學習通平臺在課前發布課程微課資源及多媒體課件資源，設置討論主題，發布預習任務單;學生登錄平臺獲取學習資源及任務清單，自主觀看微課視頻，學習課程多媒體課件，并針對教師提出的重難點問題查閱資料，參與平臺上的討論交流。期間，教師通過平臺關注學生的學習進度及互動討論情況，提前了解并歸納學生在課程學習中存在的一些共性問題。課前采取“以任務為驅動、以問題為導向”的教學法可有效激發學生的學習興趣和潛能，進而轉變為以學生為中心的教學模式。

（二）課堂面授交流

混合式教學中的課堂教學通過線上線下模式同時開展。基于平臺上的學習反饋情況，教師借助多媒體課件、動畫演示、儀器原理視頻等資源，在課堂上有針對性地進行重難點剖析和知識點梳理，幫助學生完成知識框架的構建，促進學生對知識的內化。同時，教師通過線上平臺實時發布多種貫穿于課堂教學的活動，引導學生參與課堂教學環節，例如提問搶答、隨機選人、主題討論、問卷投票、隨堂測試等。課堂活動均可基于平臺建立相應的激勵機制，以激發學生的主觀能動性，提高其課堂參與度，并檢驗學生對知識的理解吸收情況，進一步培養其應用相關知識解決問題的能力。教師通過實時關注學習活動的反饋情況，針對課前及課中學生反映的疑點難點，與學生面對面探討交流，及時答疑解惑。此外，教師定期在課堂布置項目任務，設計一些環境領域的實際應用問題，例如如何通過儀器分析法檢測新型環境污染物微納塑料及現有儀器檢測法的優缺點;學生以團隊的方式分工合作，小組成員可通過查詢文獻資料、探討儀器分析方案、制作小組匯報PPT，以課堂匯報的方式呈現小組成果，并與同學互動交流;所有學生通過線上問卷調查參與評分，最后教師進行點評、總結和評分。

（三）課后鞏固練習

課后鞏固階段主要通過線上模式開展。教師通過平臺布置課后任務單，學生可根據個人學習情況進一步復習SPOC微課視頻及多媒體課件，通過課程作業及單元測驗鞏固所學知識。學生還可通過線上平臺與教師和同學交流課程問題，同時教師在線上跟蹤學生學習及作業測驗情況，完成相應單元的過程性考核，及時進行教學總結及反思，進一步優化課程教學質量。

所構建的混合式教學模式在學時有限的情況下，通過線上平臺輔助線下課堂教學的方式，實施了“以學生為中心，以教師為主導”的教學理念，充分調動了學生的學習積極性，避免了傳統教學模式中學時不足、學習被動、學生參與度不高的缺點，也克服了線上課程學習氛圍不足及情感交流缺失的局限性，促進學生有效完成課前預習、課堂教學及課后鞏固三個環節，從而達到從淺層次知識點的簡單輸入轉變為思維能力養成及自主學習能力培養的高階目標。

（四）課程考核評價

新工科課程改革對研究生人才綜合素質及專業能力的培養提出了更高的要求。改革后的混合式教學模式強化了過程性評價考核指標的比重，通過平臺評分、教師評分及師生互評的方式，建立了一種多維度的考核評價體系，以全面客觀地反映學生在整個課程學習過程中的情況。基于學習通平臺的學習分析技術可獲取多種線上考核數據作為過程性考核指標，包括微課觀看、課件學習、討論交流、隨堂測試、課后作業、單元測試等指標。同時融合小組成果匯報評分、課堂問答討論評分及期末閉卷考核，形成最終的考核成績。

三、傳統教學模式與混合式教學模式的教學效果比較分析

（一）研究對象與方法

本文以資源與環境專業碩士2020級的31名學生作為實驗組，采用上述方法構建的線上線下混合式教學模式，采取多環節、多維度的過程性和結果性評價考核體系;選取資源與環境專業碩士2019級的24名學生作為對照組，采用傳統教學模式，即基于多媒體教學的面授模式，并以考勤、作業和閉卷考試作為考核評價手段。兩組學生均采用相同教材，并由相同教師授課。

所有學生均完成了現代儀器分析課程的學習任務，并進行了考核內容和難度一致的期末閉卷考試，完成了內容一致的教學效果匿名問卷調查評價。調查內容包括教學方法、教學內容、教學管理、教師素養、學習價值及學習動力六個方面共15項，以及針對現有教學模式的建議。問卷調查采用李克特（Likert）量表的五級評分標準進行賦值，即非常同意（5分）、同意（4分）、一般（3分）、不同意（2分）、非常不同意（1分）。

（二）兩種教學模式的教學效果比較分析

基于教學效果問卷調查結果、學習成績和參與度指標，以教師和學生為評價對象，構建教學效果評價體系，包括教學內容、教學方法、教學管理、教師素養、學習動力、學習價值、學習成績、學習參與度等一系列評價指標（表1）。2019級和2020級現代儀器分析課程的各項教學效果評價指標的均值、標準差及P值如表1所示。

根據單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗得知，除學習成績外，其余指標均不符合正態分布，因此采用Mann-Whitney U檢驗比較非正態分布的教學效果評價指標的差異顯著性。結果顯示，以教師為評價對象時，混合式教學模式下教學內容、教學方法、教師素養和教學管理中的大部分教學效果評價指標相比傳統教學模式得到顯著提升（P<0.05）;其中差異最為顯著的五項指標依次為教學方法的創新性（P<1E-7）、教學拓展學科新發展和新成果（P<1E-6）、教學中采用過程評價手段調動學習積極性（P<1E-5）、教學過程安排合理（P<1E-5）及教學理論聯系實際（P<1E-5）。以學生為評價對象時，2019級和2020級的學習成績分別為77.85±10.03和78.50±10.57，成績經檢驗符合正態分布，且Levene方差齊性檢驗判定方差齊，因此采用獨立樣本t檢驗比較兩種教學模式下學習成績的差異，結果顯示兩組成績差異不顯著（P>0.05）;但混合式教學模式下學習價值、學習動力及學習參與度指標相比傳統教學模式均顯著升高，其中學習價值項的差異最為顯著（P<1E-7），即混合式教學模式下學生認為所學課程知識的應用價值相比傳統教學模式更大。此外，混合式教學模式下學生的自主學習動力相比傳統教學模式更強（P<1E-4），學習參與度更高（P=0.001），且93.1%的學生對混合式教學模式持較高認可態度，說明混合式教學模式有助于增強學生的主觀能動性，調動其學習潛能和積極性。

采用兩種教學模式下的教學效果評價指標建立正交偏最小二乘法-判別分析（Orthogonal projections to latent structures-discriminant analysis， OPLS-DA）模型（圖2），基于交叉驗證的方差分析（CV-ANOVA）顯示該模型為顯著模型（P<1E-7）。OPLS-DA模型得分圖顯示，兩組學生的教學效果評價情況具有良好的分離效果，且幾乎所有樣本均在95%置信區間內（圖2）。變量投影重要性分析（variable importance in projection， VIP）結果表明對模型分類情況貢獻較大的教學效果評價指標依次為學習價值、教學方法創新性、教學拓展學科新發展和新成果、教學過程安排合理性、教育教學能力、教學理論聯系實際及學習動力（VIP>1）;說明相比傳統教學模式，這些教學效果評價指標在混合式教學模式下得到顯著提高。

根據表1所建立的教學效果評估體系對教學效果進行量化，結果顯示傳統教學模式下該門課程的教學效果總評得分為71.6，而混合式教學模式下其教學效果總評得分為84.8，改革后的教學模式總體上達到了提升教學質量和教學效果的目的。

四、結束語

新時代新工科建設的戰略實施亟待基于現代教育技術賦能的教學模式革新。本文探討了利用現代信息技術及數字化教育資源進行環境類專業碩士研究生的現代儀器分析課程的教學改革，構建了該課程的混合式線上線下教學模式，并基于教學效果匿名問卷調查、學習成績及參與度等建立了以教師和學生為評價主體的多維度教學效果評價體系。結果表明，混合式教學模式相比傳統教學模式顯著提升了包括教學方法、教學內容、教學管理、教師素養、學習價值、學習動力在內的多個參數指標，最終量化的教學效果總評得分也顯著增高，總體達到了提升教學效果和教育質量的目的。利用新工科教育理念及現代信息技術助推教學改革，有助于促進人才培養從初階的知識收獲向高階的能力發展和素質養成轉變，也有助于實現培養多元化、創新型并具備多學科交叉知識的應用型工程人才的目標。

參考文獻：

[1]教育部高等教育司.關于開展新工科研究與實踐的通知（教高司函[2017]6號）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2]吳愛華，楊秋波，郝杰.以新工科建設引領高等教育創新變革[J].高等工程教育研究，2019，61（1）：1-7.

[3]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4]王穎，張金磊，張寶輝.大規模網絡開放課程（MOOC）典型項目特征分析及啟示[J].遠程教育雜志，2013（4）：67-75.

[5]賀斌，曹陽.SPOC：基于MOOC的教學流程創新[J].中國電化教育，2015（3）：22-29.

[6]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究，2013，19（1）：58-64.

[7]姚林香，周廣為.高校SPOC混合教學模式的設計和教學效果分析[J].教育學術月刊，2018（12）：92-100.

[8]陳明，桑小雙.高校學生對混合教學模式改革課程認知及滿意度的實證研究[J].現代遠距離教育，2018（5）：57-64.

[9]黃麗婕，安書香，黃崇杏，等.輕工類儀器分析教學改革探索[J].高教學刊，2019（1）：116-118.

[10]郭明，夏琪涵，周建鐘，等.混合式教學在“儀器分析”課堂教學中的應用探討[J].化學教育（中英文），2019，40（6）：30-35.