“課堂、網絡、虛擬仿真”三維一體化儀器分析教學模式在食品專業的創新與實踐

董亮 紀超凡 林心萍 梁會朋 張素芳

摘 要：儀器分析課程是我校乃至全國各高校食品科學工程和質量安全專業一門基礎專業課程。該課程通過基礎理論知識的學習，使學生了解和掌握不同分析儀器抽象的理論。同時，實驗課程基于理論教學內容，通過實踐對基礎理論加深認識，培養學生的創造力。本文擬創建一種“課堂實訓+網絡多媒體+虛擬仿真”三維一體課程教學和實驗教學體系，充分整合本校現有的網絡平臺及虛擬仿真實驗平臺，結合實際操作講解，達到提高儀器分析教學質量的目的。

關鍵詞：儀器分析；教學模式；三維一體

Innovation and Practice of "Classroom，Network，Virtual Simulation"

Threedimensional Integrated Instrument Analysis

Teaching Mode in Food Specialty

Dong Liang Ji Chaofan Lin Xinping Liang Huipeng Zhang Sufang

National Engineering Research Center of Seafood，School of Food Science and Technology，

Dalian Polytechnic University LiaoningDalian 116034

Abstract：The instrumental analysis course is a basic professional course for food science engineering and quality and safety majors in our school and even in colleges and universities across the country.This course enables students to understand and master the abstract theories of different analytical instruments through the study of basic theoretical knowledge.At the same time，the experimental courses are based on the theoretical teaching content，deepen the understanding of basic theories through practice，and cultivate students' creativity.This paper intends to create a threedimensional integrated course teaching and experimental teaching system of "classroom training+network multimedia +virtual simulation"，fully integrating the existing network platform and virtual simulation experiment platform of the school，combined with the actual operation explanation，to improve the teaching quality of instrument analysis purpose.

Keywords：instrument analysis；teaching mode；threedimensional integration

儀器分析在食品、化工、材料和醫藥等領域的研究中起著極為重要的作用，是人類認識世界的“眼睛”和基礎，是對物質分子結構進行分析和鑒定最主要的分析方法。儀器分析包括理論和實驗教學兩個部分，是我校乃至全國各高校食品科學工程和質量安全專業的一門基礎專業課程。通過該課程基礎理論知識的學習，學生可以了解和掌握不同分析儀器抽象的理論。同時，實驗課程基于理論教學內容，通過實踐對基礎理論加深認識，培養學生的創造力，增強學生就業競爭力。

1 儀器分析課程簡介及現狀

儀器分析作為化學及其相關學科的基礎課程，是一門要求綜合能力很強的應用型課程，它具有很強的理論性，又需要大量實驗作為支撐，對培養和儲備學生的科研能力具有重要的意義。目前，國內高校此門課程的設置主要包括理論教學和實驗教學兩部分，然而，現有的教學方式存在種種弊端，導致教學效果不理想，其主要體現在現有單一的理論教學手段不能滿足課程知識面覆蓋廣的要求以及實驗教學受到設備、場地、時間和空間的限制，導致理論教學與實驗嚴重脫鉤。此外，如何同時滿足理論和實驗教學的要求更是當前儀器分析課程教學改革的重點。現代網絡多媒體及虛擬仿真技術利用豐富的聲音、運動的圖像以及多彩的文字，直觀、生動地展現不同儀器分析的基本原理和實驗流程，可激發學生的好奇心和求知欲。同時，也可幫助教師更加方便及時地了解學生實驗中出現的問題，從而更有針對性地進行指導。因此，網絡和虛擬仿真在實驗教學中有傳統教學無法比擬的優勢。本課題旨在利用我校所購買的泛雅網絡平臺及我校2017年引進的虛擬實驗平臺，創建一種“課堂實訓+網絡多媒體+虛擬仿真”三維一體課程教學和實驗教學體系，該模式的探索有望提高學生對基礎理論的熟悉和實踐程度，為造就創新性人才打下堅實的基礎。

2 現階段儀器分析教學中存在的主要問題

現階段儀器分析理論教學和實踐中面臨著諸多的問題，現總結如下：

2.1 理論教學手段單一導致教學效果低下

傳統的儀器分析教學的重點主要放在分量較重的儀器構造、工作原理、公式推導和數據計算等過程中。這種教學方式最突出的問題就是知識的學習很大程度上依賴于枯燥無味的教材，學生接受知識的途徑少而效率低，因此普遍表現為教師“死灌”、學生“死學”。其次，教學的課堂氣氛也比較死板，常常是教師一人“獨唱”，學生學習的主觀能動性和積極性大大降低。

2.2 儀器設備數量無法滿足要求

近年來，我國高校的招生規模不斷擴大，雖然實驗室建設規模也在擴大，但現代儀器設備人均臺數仍顯不足。由于受到經費、實驗室場地、儀器數量限制，實驗教學一般需要進行分組教學，每個實驗小組的人數較多，學生動手的機會少，大部分學生只能觀摩，綜合性、設計性、創新性實驗沒有條件實施，極大地制約了學生創新意識、創新能力的培養。

2.3 高危險長時程的實驗無法開出

一些有毒有害的實驗如病毒、放射性物質實驗等危險程度高，因擔心學生獨立操作對健康與安全有較大影響，所以需要專業的老師指導才能完成，因此開設面臨較大風險。此外，一些生物化學實驗周期長、操作難度大、實驗成本高，由于受學時的限制，短期內無法完成，學生很難理解這樣的實驗過程，限制了教學效果。

2.4 儀器更新慢致實驗和理論脫節

現代科技發展迅猛，新型儀器不斷推出，但由于缺少場地、經費等原因，高校中普遍存在大型儀器更新慢、少數先進儀器無法購買、教學中只能開出部分或無法開出新儀器實驗課的情況，導致實驗教學和理論教學脫節。

2.5 現代儀器設備不適合廣泛開放

現代儀器分析實驗課程使用的大都是價格昂貴的大型精密儀器設備，使用和維護成本較高，對使用者操作技術的要求很高，對配套設施、運行環境要求嚴格，需要細心操作，定期進行檢測、調試、清潔、保養。如果廣泛開放使用，難以保證大型精密儀器的安全使用，并可能對儀器的靈敏度、精密度、穩定性等產生影響。

3 “課堂、網絡、虛擬仿真”三維一體化教學模式的構建

針對上述儀器分析教學中的各種問題，如何同時滿足理論和實驗教學在新形勢下的要求是當前儀器分析課程教學改革的重點。近年來，依托于計算機的多媒體網絡平臺及虛擬仿真技術的應用和發展為傳統的理論和實驗教學提供了新的方法和平臺，與傳統教學方法相比，具有許多不可比擬的優勢。首先，聲音和影像疊加的動態系統能將抽象的理論教學內容直觀化、生動化，可有效地吸引學生的注意力，調動學生的積極性和主動性，有利于學生對所學知識的快速掌握和深刻記憶；其次，多媒體網絡及虛擬仿真技術可突破理論和實驗教學在時間與空間上的局限，充分延伸課堂教學內容，展現在傳統的教學模式中無法實現的教學過程；再次，多媒體網絡及虛擬仿真技術具有互動性和可重復性，能夠更加靈活和具體地動態演示實驗流程，可以幫助學生提前預習課堂教學的內容，同時可以幫助教師更好、更有效地進行課堂指導，有效彌補傳統實驗教學方法的缺憾。鑒于此，本文旨在創建一種“課堂+網絡多媒體+虛擬仿真”三維一體化儀器分析理論和實驗教學新模式。通過課堂講授、泛雅網絡平臺、虛擬仿真實驗平臺和實際操作演練三者結合，探索出一種“網絡多媒體+虛擬仿真”課前預習、“網絡多媒體+課堂授課”理論教學、“虛擬仿真”實驗教學的新型教學方法，提高學生對知識的掌握程度，為具有創新型、綜合型素質學生的培養打下基礎。具體思路如下（見下圖）：

構建思路圖

3.1 基于泛雅網絡平臺和虛擬仿真平臺，構建課前理論知識的預習學習新維度

通過學校泛雅網絡平臺和虛擬仿真平臺，制作并上傳關于儀器分析基本理論原理、相關實驗操作等視頻，以便學生在課前通過視頻對所要進行理論和實驗進行預習。

3.2 基于課程授課和泛雅網絡平臺，構建線上、線下理論教學模式新維度

探討采用單一的課堂授課，或單一網絡授課，或者二者結合的方式教學效果的影響，建立不同理論教學模式教學效果的評價體系。利用網絡平臺的管理功能，對學生的預習效果進行評定，根據完成情況和效果進行打分，納入平時成績，提高學生預習效率。

3.3 基于虛擬仿真平臺，構建實驗教學模式新維度

補充和完善現有的虛擬仿真平臺，學生可以通過瀏覽平臺發布的實驗操作視頻，以及利用虛擬仿真平臺操作其他綜合性更強的實驗案例，達到對自身技能的提高，完成相關的實驗教學。

4 “課堂、網絡、虛擬仿真”三維一體化教學模式的實踐

依據上述構建思路并結合我校網絡資源，在我校食品相關專業進行新教學模式的實踐。理論教學部分一方面通過網絡平臺和虛擬仿真平臺讓學生在課前通過視頻對所要進行理論進行預習，另一方面通過課堂講授和泛雅網絡平臺，單獨線下或線上或者線上和線下相結合的方式，探討不同授課方式的教學效果并建立相應的評價體系。在實驗教學中，部分學生可以通過瀏覽虛擬仿真平臺發布的實驗操作視頻完成實驗教學相關的學習。同時，定期在網絡平臺上發布拓展知識，并開設虛擬實驗平臺上綜合性強的實驗課，以促進學生知識創新綜合能力。

具體研究實施過程包括以下步驟：

（1）在網絡課程平臺及時補充課堂上難以展現的儀器分析基本理論知識，給出系統完善的儀器分析課程知識體系；展現食品生產分析檢驗所要使用到的儀器的種類、結構、原理和一般操作過程。同時，完善網絡平臺的管理功能，對學生對預習效果進行評定，根據完成情況和效果進行打分，納入平時成績，提高學生預習效率。

（2）通過完善實驗仿真平臺不同儀器操作流程，視頻演示不同儀器的原理和精準操作過程，使抽象的知識具體化，使實驗教學過程更有效；通過視頻展示食品生產分析檢測過程中不同儀器的操作過程，更直觀地說明不同儀器的生產應用，使整個實驗教學過程像看動畫或做游戲的方式呈現在學生的面前，提高學習興趣和效率。同時，構建平臺的實驗評分標準，進一步完善仿真平臺的管理功能。

（3）通過網絡課程平臺的互動交流模塊，實現師生快速有效問答交流，實現教學質量的快速有效評估。

本研究的關鍵點在于利用課堂授課、網絡資源平臺、虛擬仿真平臺實驗操作三者有機結合，創建一種“課堂+網絡+虛擬仿真”三維一體的儀器分析教學模式，使學生在理論課上課前實現充分預習，課上有目的性地尋求老師指導，課后自由安排時間拓展創新性、綜合性的相關知識；實驗課學習以像看動畫或做游戲的方式完成，寓教于樂，全方位激發學生興趣，增強學習的互動性。通過對以上教學模式的實踐，有效地提高了儀器分析課程在我校食品專業的教學效果，從學生的反饋效果來看，有效地激發了大多數學生對科學研究的興趣。同時，有效地解決了目前教學中的困難，保證了正常教學的進行。

結語

本研究創建了一種適合食品相關專業的“課堂+網絡+虛擬仿真”三維一體化模式下儀器分析教學體系。課前，教師通過泛雅網絡平臺上發布相關儀器原理、實驗操作等視頻，學生通過視頻和虛擬仿真實驗平臺對所要進行的實驗進行預習和演練，通過圖文、聲影、動手，全面調動學生積極性，加深知識理解；課上，教師采用現場教學法，針對學生提出的重點問題和關鍵步驟進行講解和演示，可節約大量寶貴的課時，針對性更強地解決學生的疑問，同時還可充分調動學生的積極性；課后，教師可通過發布拓展延伸的實驗操作視頻，學生可通過虛擬仿真平臺復習實驗或操作其他綜合性更強的實驗案例，以提高自身的技能，探索出一套新的教學模式，增強學生感性認識，培養學生動手能力，提高授課效率，節約實驗經費，為造就創新性人才打下堅實的基礎。

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基金項目：本文為2021年度“紡織之光”中國紡織工業聯合會高等教育教學改革研究項目《“課堂、網絡、虛擬仿真”三維一體化儀器分析教學模式創新與實踐》（2021BKJGLX298）的研究成果

作者簡介：董亮（1981— ），男，遼寧沈陽人，博士，副教授，研究方向：食品風味化學。