“線上”+“線下”混合式儀器分析實驗教學模式的建立與運行*

王會鎮，郭蕓蕓，賴鑫悅，勾 雪

(1 西華大學理學院，四川 成都 610039；2 西南科技大學材料與化學學院，四川 綿陽 621010)

隨著科技的發展，尤其是信息技術的進步，計算機在教學中的應用越來越廣泛。具體到實驗類教學領域，虛擬仿真技術的應用越來越深入，在教學方面發揮了巨大的作用，并得到了廣泛好評。在高等教育中，實驗課程是重要內容，是理論與實踐聯系的中間環節，具有無法替代的地位。具體到化學領域，實驗課程起到了課堂理論和生產實踐的銜接功能，更是理論結合實際過程中不可缺少的一環。虛擬仿真化學實驗在教學和科研領域的應用價值越來越被教育和科研工作者清晰的認識到，并且迅速被各大高校接納，受到廣大師生的歡迎[1-3]。化學實驗類課程傳統上是在專用的化學實驗室開展，由于化學實驗的特殊性，容易受到場地、儀器的限制，如果不提前加以練習，熟悉相關操作，還可能存在高溫、爆炸、毒害等危險。因此化學類實驗課程對虛擬仿真的需求更加突出。國內諸多高校已經根據自身需求建立了虛擬仿真化學實驗室。隨著信息技術的發展，以及高等教育改革的深入，化學實驗類虛擬仿真實驗建設將會獲得進一步的發展[4-7]。

儀器分析實驗課程屬于高校化學、醫藥、環境相關專業的基礎課程之一，其教學目標是讓學生掌握相關理論基礎、了解儀器結構，進而訓練學生掌握儀器基本操作、實驗數據處理等技能。培養能夠運用大型儀器設備進行相關領域分析檢測的能力。

近年來，各級教育主管部門都在不斷強調教育信息化的重要性。本著“以學生為主”的教育理念，我們將虛擬仿真技術引入儀器分析實驗教學中，對原有教學內容和教學模式進行了拓展與改進，不僅提升了實驗教學質量，而且有助于開展素質教育和培養創新型人才[8-12]。

1 原有儀器分析實驗教學存在的不足

傳統的儀器分析教學以驗證性實驗為主，隨著時代的發展，在教學方面表現出的問題越來越多，而儀器分析實驗作為化學實驗課程中不可缺少的環節，存在的問題尤為突出。

1.1 儀器分析實驗的理論課程內容略顯抽象

理論課堂教學后，有些同學對儀器的結構不能直觀的了解，對儀器的構造、原理和使用依然存在盲區，這就導致學生在使用大型實驗設備的時候，極易因操作不當造成儀器的損耗和破壞。另外，因理論課程內容空泛，學生對儀器的具體操作流程依然停留在“霧里看花”的狀態。這樣的結果會導致學生的實驗操作只是機械地模仿，而不能理解原因，直接影響教學效果[13-14]。

1.2 儀器價格昂貴、結構復雜、配套數量少、維修維護難度高

在教學經費無法大幅增加的情況下，大型設備數量較少，難以充分保障每位學生在實驗課程中的實際操作機會和訓練時長。這些大型儀器由于耗材成本高，儀器配置數量有限，很難滿足學生從頭到尾全流程操作儀器，部分實驗項目只能讓學生動手操作一個環節。導致實驗教學效率偏低，學生無法真正掌握實驗技能，教學效果達不到理想狀態。

1.3 實驗課時數少，實驗場地有限

由于傳統教學體制的延續，受限于學校整體培養計劃，儀器分析實驗課程教學課時設置依然在遵循傳統模式。但隨著科技的發展，各種儀器分析技術日新月異，即使傳統的設備，其使用方法也在不斷進步。另外由于課時數限制，部分先進的、復雜的儀器分析實驗項目未能開設實驗教學課程，不利于學生掌握最新相關實驗技能。這些因素都導致我們現階段的儀器分析實驗課程落后時代，無法滿足培養創新型、應用型人才的需要。

1.4 教學模式不容易轉變，教學條件、課程培養目標、教學計劃仍停留在傳統軌道上

目前的培養方案中，大多數儀器分析實驗課程以驗證性實驗為主，以完成實驗流程操作為主要手段，以完成實驗報告為考核方式。現階段，綜合性和創新性實驗開設較少，實驗過程無法精準考核，難以體現實驗課程的特點。另外，傳統課堂模式，儀器分析實驗內容單一，過程簡化，與實際應用存在差距，降低了學生的學習興趣，不利于培養學生獨立思考、創新性思維的能力[15-16]。

2 儀器分析虛擬仿真實驗教學的優勢

虛擬仿真化學實驗通過模擬真實實驗室場景，具有突破實驗場地限制、拓展實驗范圍等諸多優點。通過凝練實驗重點、突出實驗細節，同時滿足多人在線操作，極大提高授課效率。

(1)方便學生課前預習，對于剛接觸儀器分析實驗課程的學生來講，大型設備是一個非常陌生的事物。在進入大型儀器實驗室之前，可以在虛擬仿真實驗平臺上熟悉儀器結構和實驗原理，多次模擬儀器操作過程，可以使學生通過虛擬仿真單元操作建立一定的流程概念。還可以大幅增加實驗分組，使學生通過身臨其境般的模擬操作，大幅提升學生的實驗技能。

(2)改善實驗教學條件，突破時空限制，提供開放式實驗環境。從教學條件上來講，在實驗教學中引入虛擬仿真技術，使實驗內容通過虛擬教學環境得以展現，既克服了儀器設備數量不足的問題，又打破了教學時空的局限，延伸了實驗教學的廣度和深度。拓展學生視野，突破傳統實驗教學硬件和場地的限制，增加更多的實踐場景，充分達到教學實踐相結合的目的。將虛擬仿真實驗技術與創新型、探索型實體實驗有機結合，挖掘實驗關鍵點，放大真實實驗不易觀察到的細節，最大程度發揮實驗教學作用。

(3)將虛擬仿真技術引入儀器分析實驗課程中，這是實驗教學的一次深化改革，是對“智能+教育”人才培養模式的探索和推進。通過一種全新的模式，延伸實體實驗范疇，將實驗室無法實現的場景模擬呈現。通過增加由于多種限制因素平時不易接觸的實驗環節，優化實驗流程和結構，豐富實驗教學內容，使儀器分析實驗更加貼近實際。通過虛擬仿真實驗平臺，我們將現實不易操作的環節以動畫的形式呈現，大大拉進了該實驗與實際應用的距離，激發了學生興趣，提高了教學效果。

(4)增加教學內容的完整性，多數儀器分析實驗課程包括樣品制備(采集)、儀器開機、樣品檢測、數據處理、儀器關機、報告撰寫這六大環節。其中樣品檢測和數據處理環節屬于基礎性實驗內容，為線下儀器分析實驗課程授課重點。但是具體到實驗項目，受制于實驗條件，這些步驟通常無法全部呈現。而虛擬仿真實驗項目恰好解決了這一問題。通過虛實結合與互補，可以提前感受全流程實驗細節，多次演練，激發學生的專業學習興趣和創新實踐能力，獲得更廣闊的專業視角、更先進的知識體系。

3 “線上+線下”混合式儀器分析實驗教學實施方法

我們利用“西華大學化學虛擬仿真實驗平臺”構建了多個實驗項目的“線上”+“線下”混合式教學新模式，并取得了良好效果。

圖1 西華大學化學化學虛擬仿真實驗平臺框架Fig.1 Framework of virtual simulation experiment platform for chemical in Xihua University

3.1 多媒體課堂講解理論

課堂理論講解是傳統儀器分析實驗的重要組成部分，教師根據教學目標的要求，對涉及的儀器分析實驗理論部分進行講解，對儀器構造、運行原理、使用方法、數據處理等進行重點介紹。原先課堂以課本為主、PPT為輔，內容抽象學生理解吃力。現階段我們結合多媒體課堂的特點以及網絡視頻資源，將理論知識變得生動形象，充分調動學生學習的積極性，主動融入到授課過程中。培養學生主動學習的能力，加強師生互動，整體提高儀器分析實驗的課堂理論教學效果。

3.2 虛擬仿真軟件練習

大型精密儀器技術含量高、結構復雜，很難觀察到儀器內部，學生無法清晰了解儀器構造及工作原理。虛擬仿真實驗很好的解決了這些問題，儀器拆解模擬動畫實驗可以形象地展示工作原理，配合虛擬仿真軟件操作視頻，重點環節加強練習，提高學生的學習興趣和教學效果。學生分析問題和解決問題的能力得以全面提升，有利于培養高技能的創新型人才。

3.3 線下實驗操作

通過多媒體課堂理論講解，學生對將要開展的實驗項目有了較為清晰的認識。之后學生自行進入虛擬仿真實驗平臺，可以反復進行演練，模擬實驗操作流程，對課堂知識的充分消化。虛擬仿真平臺演練結束后，學生對將要開展的實驗有了清晰完整的認識。進入實驗室后，由老師針對儀器進行一次現場講解，之后學生分組進行實驗。

3.4 “線上+線下”混合式實驗報告撰寫

通過多媒體課堂理論講解+虛擬仿真軟件練習+線下實驗操作，學生對實驗課程的掌握基本做到了全面覆蓋。傳統的實驗報告只包含理論部分和實驗過程及處理，針對簡單的實驗尚可，但是遇到復雜的綜合性實驗就顯得過于抽象。因此我們開發了新型的“線上+線下”混合式實驗報告。將傳統報告中無法呈現的部分：如儀器細節，原理展示等以圖片的形式呈現，讓實驗報告變得生動、形象，大大提高教學效果。

圖2 “線上+線下”混合式儀器分析實驗教學流程圖Fig.2 “Online+Offline” mixed Instrument Analysis experiment teaching process

以化學專業現代儀器分析實驗“苯甲酸紅外吸收光譜的測定”為例，該實驗具有很強的實用價值，是一門較為綜合的實驗課程。但是用到的“傅里葉變換紅外光譜儀”屬于大型精密設備，單價高、結構復雜，無法將儀器的內部構造真實呈現在學生面前。在傳統的課堂中，僅限于PPT展示，教學效果略顯不足。為此我校構建了該課程的“線上”+“線下”混合式教學，結合計算機技術，發揮虛擬仿真實驗具有的交互性、開放性的特點，可以提供在線學習、實踐和探索，完美呈現儀器內部構造及機理。使不同的人群在不同時間、不同地點均能夠享受到優質的教學資源。為課程提供安全、可靠、經濟和可多次練習的實驗場景。

圖3 “苯甲酸紅外吸收光譜的測定”虛擬仿真實驗界面Fig.3 The interface of virtual simulation experiment

4 虛擬仿真實驗管理

在該平臺的使用中，我們充分貫徹“以學生為中心”的實驗教學理念，安排適宜的實驗教學內容，堅持開放的運行模式，取得了顯著效果。充分考慮到了不同年級、不同時間、不同地方學生的需要，搭建了資源共享的虛擬仿真實驗平臺。為所有老師及學生提供了賬號，可以隨時隨地進入平臺練習，真正打破了時間和地域的限制，方便學生利用課余的碎片化時間來進行學習，充分發揮了“以學生為主體”的教學理念。同時，我們還將虛擬仿真教學資源向社會開放，對于有需求的個人和團體，只需經過申請由平臺管理員建立賬號，即可進入平臺進行學習，真正做到了教學資源的開放共享。

5 結 語

將信息技術融入到傳統教學中的“線上”+“線下”混合式教學模新式是創新型人才培養的關鍵。我們基于本校化學虛擬仿真實驗平臺，改革傳統教學理念，融合信息化技術，構建了儀器分析實驗課程的線上線下混合式教學模式。在運行中，堅持平臺開放，資源共享，堅持“以學生為主”，利用在線平臺內容的完整性、形式的生動性等特點，將虛擬仿真和現實操作有機結合，打破了傳統教學模式的局限，增加了學生的學習主動性和積極性，使儀器分析實驗課程的“線上”+“線下”教學模式更加完善。