基于微課和虛擬仿真實驗平臺的翻轉課堂在儀器分析實驗教學中的應用探索

張偉 宋懷慶

1.西南科技大學分析測試中心 四川綿陽 621010；2.西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010

儀器分析是采用比較復雜或特殊的儀器設備，通過測量物質的某些物理或物理化學性質的參數及其變化來獲取物質化學組成、成分含量及其化學結構等信息的一類分析方法。儀器分析課程是全國普通高等院校化學類相關專業的核心課程之一，具有十分重要的地位。課程的目標是通過理論與實踐的教學過程，重點培養學生運用所學分析方法和儀器解決生產實際和科學研究中遇到問題的能力。儀器分析實驗作為儀器分析課程的重要組成部分，可以通過全面系統、規范化的實踐操作加深學生對各類儀器分析方法基礎理論知識的理解，在學生掌握儀器分析的實驗操作技能、正確記錄并處理實驗數據的基礎上，培養學生認真嚴謹、實事求是的科研態度，提高學生的科研創新意識，有利于更好地適應社會發展和人才培養的需求。

1 儀器分析實驗教學中存在的問題

目前，儀器分析實驗教學中主要存在以下幾方面的問題：(1)教學模式單一。儀器分析實驗課的教學多以“教師講解+演示、學生觀摩+驗證”的形式為主。進入實驗室后，一般先由教師講解儀器基本原理、構造和基本操作規程等，然后演示既定的實驗操作。整個實驗課中，學生自主操作儀器的機會偏少，實驗結束后很難真正掌握儀器實操過程中的關鍵知識點和基本技能。(2)教學內容陳舊。目前，多數學校的儀器分析實驗課都是依附其理論課完成，各章節實驗之間缺乏內在聯系，內容重復、陳舊，且脫離生產、生活實際。教師設計的實驗也多以驗證性實驗為主。學生在學習過程中缺少自己獨立的創新和思考，缺少團隊之間的協作。(3)知識內化效果差。對于學生來說，實驗開始前需要實驗預習，實驗結束后需要提交實驗報告。目前的教學模式下，大部分學生只是通過照書本簡單抄寫實驗目的、實驗原理和實驗步驟完成實驗預習工作，沒有融入理論課的基礎知識，預習效果較差。在完成實驗報告環節，學生套用模板和公式，這種情況下完成的實驗報告基本是千篇一律，毫無創新。實驗做完了，學生卻不能熟練掌握儀器的基本原理、構造和操作規程，乃至對數據處理也一竅不通，知識內化效果很差。

鑒于上述存在的三點問題，我們也在積極思考：如何在有限的學時內，成功構建理論知識和實驗技術之間的聯系，讓學生切實的在儀器分析實踐領域受益呢？早在2010年我國出臺的教育規劃《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》中已經明確指出，堅持教育教學與生產勞動、社會實踐相結合。開發實踐課程和活動課程，增強學生科學實驗、生產實習和技能實訓的成效。因此，結合課程特點與社會發展需要，探索適合儀器分析實驗的新型教學模式，對于最大限度發揮學生主觀能動性、有效培養學生的自主學習能力、提升學生的實踐創新能力和主動探索精神至關重要。

2 翻轉課堂教學模式在儀器分析實驗教學中應用的優勢

翻轉課堂，又稱“反轉課堂”或“顛倒課堂”，經過二十年的發展與變革，已經成為融合網絡、媒體與傳統教學的新型教學模式，成為目前高校教學改革的一個重要研究方向。它是通過逆向安排知識傳授和知識內化，倡導以學生為主導，教師輔助，重新編排教師和學生課堂教學內容和性質的新型混合式教學。教學流程是教師首先在網絡教學平臺上發布電子教材，學生選擇時間自主完成課前預習；課堂上教師通過答疑、與學生互動等引導學生完成知識內化和鞏固；課后學生及時處理實驗數據并完成實驗報告。這種教學模式打破了傳統教學過程中教師主導課堂傳授和學生被動接受知識的模式，重組了教學流程與教學結構，具有獨特的特點和優勢。首先，翻轉課堂教學模式要求學生課前自主預習。學生預習的資料由教師在課前的網絡教育平臺上以微課形式發布，這樣學生就能不拘泥于空間、時間和途徑完成課前的自主預習工作，有利于調動其積極性和主動性。另外，利用網絡技術，教師還可擴大教學信息量，例如，將國家精品在線開放課程、慕課等優質成品教育資源分享給學生，這些資源可供學生拓展更廣的知識面。其次，翻轉課堂采取的是以學生自主學習為主，教師課堂講解為輔的教學結構，它可以將教師從“滿堂灌”的講授角色中解放出來，從而有更多的時間去解惑學生的疑問、講授知識運用、組織同學交流互動等，這會更加有利于幫助學生完成知識內化過程。而學生在課堂上的交流互動、團結協作，也進一步增強了他們的團隊意識和解決問題的能力。

目前，我校已經建成完整、系統的網絡教學系統，這為翻轉課堂的開展提供了平臺保障。我校分析測試中心還建有虛擬仿真實驗平臺，其中包含光譜分析、色譜分析、電化學分析等多個模塊，學生可在課前進入虛擬仿真實驗平臺學習儀器分析基本原理、了解儀器基本構造、熟悉儀器設備的使用、虛擬完成實驗過程。網絡教學系統結合虛擬仿真實驗環境，可為儀器分析實驗教學開展翻轉課堂教學模式提供平臺基礎和資源保障。

3 翻轉課堂在儀器分析實驗教學中的設計

針對儀器分析實驗教學中存在的問題，通過將微課模式和虛擬仿真實驗平臺有機結合，設計了適用于在我校相關專業中開展的儀器分析實驗翻轉課堂教學模式。下面以“原子吸收分光光度法測定食鹽中鋅、鐵、銅的含量”為例，講述翻轉課堂在儀器分析實驗教學中的設計。

圖1 儀器分析實驗翻轉課堂教學模式Fig.1 Flipped classroom teaching mode of instrumental analysis experiment

3.1 課前階段

教師根據不同實驗模塊的教學內容設計課前學習任務，共四個部分。(1)實驗安排及基礎知識。首先讓學生明確本次實驗目的、實驗原理和實驗步驟，然后布置學習任務單，將分析方法的基本原理、儀器基本構造和儀器操作規程等以微課形式上傳至網絡教學平臺，學生不拘泥于時間與空間限制自主學習基礎知識。(2)驗證實驗虛擬操作。學生在完成基礎知識學習后，可利用虛擬仿真實驗平臺結合儀器操作基本規程開展在線驗證性實驗操作，驗證性實驗內容是“測試水溶液中的鎂含量”。利用虛擬平臺，學生可實踐整個實驗流程：儀器開機、建立分析方法、配置標準溶液、建立標準曲線、測試未知樣品、獲取測試結果、儀器關機。(3)綜合實驗設計與思考。教師發布綜合實驗題目為“原子吸收分光光度法測定食鹽中鋅、鐵、銅的含量”，同時設置相關問題供學生思考，如測定食鹽中鋅、鐵、銅含量的實際意義、常用的測定方法、國標規定的測定方法等。學生根據所學知識，在調研文獻的基礎上以小組為單位完成實驗方案設計的撰寫。(4)師生互動。教師通過知識點測評了解學生的薄弱方面，對學生在自主學習中遇到的問題反饋及時解惑，并對學生綜合實驗設計方案進行監控審核。

3.2 課中階段

根據學生課前反饋，教師先重點講解儀器的操作規程及注意事項，剩余的時間留給學生實踐操作。依據實驗內容，學生首先需要完成驗證性實驗“測試水溶液中的鎂含量”，熟悉利用原子吸收光譜儀測試元素的流程，然后分組完成綜合實驗。學生按照已確定的實驗方案，分工完成溶解樣品、配置標準溶液、儀器準備、建立分析方法、建立標準曲線、測試食鹽樣品、數據分析與處理等內容。整個過程中，學生起主導作用，通過組內溝通、交流與協作完成實驗內容；教師起輔助作用，及時糾正、指導學生在實驗操作中的錯誤并解決遇到的難題。實驗完成后，教師通過課內觀察，針對實驗重點步驟和操作流程提問和總結，最終對學生操作實驗過程、實驗態度、實驗素養等多方面能力進行綜合評價。

3.3 課后階段

教師將要求學生再次對網絡教學平臺的基礎知識和虛擬實驗進行觀看學習，進一步強化知識內化。通過對整個實驗的復盤，學生能夠發現在自主學習和實驗階段存在的問題和不足，以便在后續學習中改進方法、提高效率。然后，學生按要求在規定時間內完成實驗報告。實驗報告除了包括實驗目的、實驗原理、主要儀器和試劑、實驗步驟、實驗結果等內容外，還需對自身利用翻轉課堂學習的情況進行總結。教師批閱實驗報告，將實驗報告中存在的通性問題通過網絡教學平臺與學生進行交流，將優秀的實驗報告進行展示。最后，所有教學過程完成，教師根據學生的反饋和表現及時整理翻轉課堂教學中出現的不足和需要改進的地方，積極調整、優化翻轉課程方案。另外，教師可利用課余時間、認知實習時間等帶領學生深入水質檢測中心、質檢所等參觀學習實踐經驗，這有利于學生思路的拓展和理論知識的應用實施。

3.4 多元化考核體系

在上述儀器分析實驗翻轉課堂教學模式基礎上，經過設計與調整，建立了新型考核體系：①課前階段：基礎知識學習(5%)、驗證實驗虛擬操作(10%)、綜合實驗設計(15%)，這部分主要考查學生自主學習的能力和自主設計實驗的實踐創新能力。②課中階段：自主完成驗證性實驗(10%)、綜合實驗準備(5%)、綜合實驗操作過程實施(20%)、實驗結束后的總結討論(5%)，這部分主要考查學生動手能力和綜合解決問題能力。③課后階段：實驗報告(30%)，主要考查學生的綜合應用能力。和傳統考核體系相比，這種既重視結果，更重視過程和能力的考核評定體系，可以更客觀、準確、科學地評價學生的實驗成績，更有利于引導學生知識、能力和素質的全面協調發展。

結語

將基于微課和虛擬仿真實驗平臺的翻轉課堂教學模式引入儀器分析實驗教學中，打破了傳統的單一教學模式，它將學生學習的重心從課堂引向課下，不僅突破了時間和空間的限制，使學生積極有效地利用課余時間，也提高了學生自主學習的興趣和積極性；將虛擬仿真實驗平臺和實驗模塊化設計融入儀器分析實驗教學，可以有效提升學生的實踐創新能力和解決實際問題的綜合應用能力。在全媒體時代的今天，開展翻轉課堂模式的儀器分析實驗教學改革，可以有效提升學生就業競爭力，也為進一步深化實驗教學改革提供參考。