儀器分析實驗翻轉課堂教學模式改革實踐

薛 也，熊 峰，袁卉華

（南通大學 生命科學學院，江蘇 南通 226019）

隨著科技進步和工業制造能力的提升，新型分析儀器種類日益繁多，功能日益強大，分析領域也逐漸細化。儀器分析實驗是面向化學類、生物技術類、環境科學類本科學生開設的實用型課程，兼顧科學理論和實踐，對于學生未來從事科研或生產工作都具有重要作用。實際教學中發現，學生在完成前導課程學習的基礎上，依然存在理化知識基礎不牢，對儀器分析實驗課程不夠重視或有畏難情緒，理解儀器分析原理存在困難，無法做到全面掌握實驗操作技巧等問題。面向生物技術專業學生的教學實踐表明，將翻轉課堂教學模式引入儀器分析實驗教學，有利于提高學生參與儀器分析實驗課程的積極性，提高課程教學質量。

1 生物技術專業儀器分析實驗教學存在的問題

1.1 學生基礎無法適應課程難度

生物技術專業主干課程為生物化學、細胞生物學、分子生物學等概念型課程，因而學生的物理化學基礎主要集中在與生物分子結構、功能和相互作用相關的生物化學知識，以及在生物技術領域中應用的相關技術原理和方法。比如，生物化學著重于蛋白質、核酸等生物大分子的結構、功能和相互作用原理，以及生物化學反應所涉及的動力學和熱力學。分子生物學技術著重于DNA 的雙鏈結構、堿基配對規則，以及PCR 等實驗技術的原理和參數控制。而儀器分析更加側重于數學、物理和工程類的原理，儀器分析理論多涉及復雜的數學建模和公式推導。比如，色譜分析是通過物質在固定相和流動相之間的分配行為實現分離和定量的方法，色譜法中的塔板理論和速率方程理論涉及流體動力學、傳質過程及分離效率等物理原理。在色譜分析中，學生需要理解如何選擇柱填料并優化條件、流速和保留時間的關系等數理概念。學生在這些領域的基礎普遍較為薄弱，部分學生對涉及數學推理和物理理論的內容存在排斥心理，進而因缺乏興趣或無法看到課程與生物技術專業的直接聯系而感到困惑或失去學習的動力。

1.2 硬件條件無法滿足實驗操作需要

儀器分析實驗是一門實用性很強的課程，是科研和生產工作中的“眼睛”和“耳朵”[1]，涉及多種定性和定量分析方法。課程內容設置多以化學學科內容為基礎，需要使用一些精密、昂貴的儀器，比如傅里葉變換紅外光譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀等。由于昂貴的價格和維護費用，一般學校擁有這些儀器的數量有限，且多用于研究生的科研工作，由專業人員專門使用和維護。一般而言，相比有限的儀器設備，學生人數多且課時量少，無法確保每一位同學都有充足的時間接觸和操作實驗儀器。

1.3 教學方式和教材選擇增加教學難度

基于現有的實驗硬件條件，儀器分析課程多以常規實驗授課方式進行，即課堂上首先進行實驗講解和演示，說明操作方法和技巧、注意事項等，其后安排學生分組實驗，最后開展實驗總結與討論。這種教學方式較為適合具有扎實課程基礎的學生，而對于數學物理知識相對欠缺的生物技術專業學生來說，以這種教學方式進行儀器分析實驗授課一定程度上增加了學習難度。此外，市面上現有儀器分析實驗教材多與化學或化學工程類專業內容結合較多，而與生物專業內容聯系不多。即便是一些生物類儀器分析教材，與生物相關的具體內容仍然有限，與專業匹配度不足也增加了教學的難度。

2 翻轉課堂模式的實施要點

翻轉課堂特點是將基礎知識的學習前置，課堂上開展更為深入的學習和探究。隨著信息技術的發展和互聯網的普及，曾經制約翻轉課堂教學模式施行的技術問題已不存在。實施翻轉課堂教學模式的優勢日益凸顯。第一，有利于個性化學習。學生可以根據自身的學習基礎和學習習慣，自主預習和學習。同時，還可根據學習需要多次觀看教學視頻或閱讀材料，從而加強理解和記憶。第二，有利于提高學習主動性。課前自主學習需要學生獨立思考并解決相應問題，基于自主學習，學生對知識的掌握程度和思考深度都會有所提高，有利于參與課堂上的討論與合作，提升解決問題和團隊協作的能力，學習的主動性也大大增強。第三，有利于提高教學質量。學生帶著問題進入課堂，課堂參與度的增加有利于強化課程要點，教師可對學生仍存在的疑惑，進行有針對性的指導和解答，保證取得更好的教學效果[2]。

儀器分析實驗實施翻轉課堂，任課教師可將經過精心篩選的教學資源分享給學生，讓他們在課前熟悉實驗原理、實驗儀器的結構、實驗的操作流程和技巧，從而讓學生在課堂上做到心中有數，提升學習效率和學習質量。實踐表明，翻轉課堂實施有助于解決生物技術類專業儀器分析實驗教學現存的問題。一可彌補數理知識欠缺的問題。課前學習可幫助學生了解相關基礎知識，理解儀器分析實驗原理中的重點和難點，將復雜的抽象問題通過視頻形象化，強化學生理解復雜問題的能力。二可彌補儀器少、分配不均，人均操作儀器時間短和對儀器不熟悉等問題。采用直觀的視頻資源或模擬實驗幫助學生突破實驗理論性強、抽象性概念多、操作復雜等難點。運用在線資源突破時空限制，可彌補課堂時間短及資源有限的問題[3]。三可解決學生學習積極性弱的問題。翻轉課堂形式更為靈活，可通過最新的專業案例，幫助學生充分認識儀器分析實驗課程與生物領域科研、工作密不可分的關系，從而激發學生學習的熱情和動力。

儀器分析實驗課程翻轉課堂模式實施過程分課前、課中、課后三個階段（如圖1）。

圖1 儀器分析實驗翻轉課堂模式實施示意

2.1 課前準備、任務布置及課前考核

任課教師在備課時，提前準備好與課程相關的文字資料和視頻教學資源，并在課前將這些資源發布給學生。通過課前導入教學視頻，幫助學生做好預習，更快融入課堂。隨著網絡和視頻技術的普及、教育部門的推動，教學視頻資源日益豐富，以中國大學MOOC 為代表的教學網站深受廣大師生歡迎[4]。經梳理，有一批教學資源可用于課前自主學習環節[5]（如表1）。這些視頻資源涵蓋了光譜法、色譜法和其他分析技術的實驗內容，無論在知識點的深度和廣度，還是在思政教育方面，都有高質量的保證。

表1 可用于儀器分析實驗翻轉課堂教學的視頻資源

教學資源的篩選應考慮多種因素：一是時長合適，不過度占用學生課前時間；二是難度適中，能兼顧學生的基礎和教學的目標；三是形式多樣，能吸引學生的興趣。此外，為考查學生課前學習的效果，應根據課前教學資源的核心知識點，設置課前考核作業。作業內容應能覆蓋課程資源主要知識點，根據知識點特征設置題型，可以是選擇題，也可以是具有啟發性的問答題，以讓學生了解自己課前學習的成效。

2.2 課中強化

課堂上以實際操練為主。任課教師首先講解實驗原理、實驗目的和需要注意的問題，接著進行實驗操作演示，最后布置預留問題。在學生操作時，任課教師在教室巡視，回應學生實驗操作過程中可能出現的問題并根據學生操作的熟練程度評估其課前預習效果。在學生完成實驗操作后，任課教師講解學生操作過程中存在的問題，并針對關鍵步驟進行提問，學生經小組討論得出答案，最后任課教師進行總結。此環節實施過程中，教師需要留意部分表現不佳的學生，因為他們極有可能并沒有在課前認真預習或者自身基礎知識掌握不牢。為了防止這部分學生“掉隊”，需要進行額外的訓練和指導。教師還需對學生回答預留問題的表現、實驗操作的熟練程度及參與團隊合作的活躍度進行打分，作為考核學生課堂表現的依據。

2.3 課后考核

實驗報告可作為課后考核的主要依據。除了實驗報告中的常規部分，重點要增加反思性和開放性問題的比重，以達到檢查學生深度學習效果的目的，從而評估翻轉課堂教學模式在儀器分析實驗教學中的作用。

3 翻轉課堂的實施案例——以“高效液相色譜分離提純青蒿素”實驗教學為例

以“高效液相色譜法分離青蒿素”實驗教學為例，在實驗課開始的前一周，任課教師先篩選課前學習資料，包括視頻和圖片等。該實驗的重點和難點是確定最佳實驗參數，前提是理解液相色譜的工作原理，在理解塔板理論和速率理論的基礎上掌握色譜基本分離方程各部分的實際意義[6]。

課前，給學生的學習材料應難度適中，如果視頻內容僅涵蓋這部分公式推導的過程，則難度較大，學生不易理解消化，故應選擇以動畫展示色譜分離過程，具體展示影響色譜分離過程的關鍵要素，幫助學生將色譜基本分離方程各部分與其具體物理含義聯系起來，進而掌握選擇最佳分離參數的思路和方法。動畫應能化抽象為具體（如圖2），例如，液相色譜的分離柱具像化為圓柱形通道，固定相具像化為大小均一的球形顆粒，以三種不同顏色顆粒間的距離表示三種不同組分的分離度，其中，1#色顆粒與固定相具有最大的親和力，2#色顆粒與流動相具有最大的親和力，故2#色顆粒移動速度最快，1#色顆粒流動速度最慢。2#色顆粒具有最小的相對保留值，3#色顆粒次之，1#色顆粒具有最大的相對保留值。具像化的視頻可以形象展示色譜分離過程、影響因素和衡量指標，更利于學生理解。課前考核題目可設置開放性試題，如三種不同組分的相對保留值如何排序，或決定不同組分的相對保留值的因素有哪些，幫助學生鞏固自學的知識。

圖2 三種不同組分在液相色譜柱中的分離過程示意

課中，教師首先通過提問評估學生課前學習情況。然后，以屠呦呦發現青蒿素的過程和意義導入，既引入思政元素，又可引起學生對實驗任務的興趣[6]。任課教師演示實驗并強調注意事項后，安排學生分組實驗，在此過程中，任課教師注意觀察學生的動手操作能力、組織協調能力等，并根據實驗進度和效果，選擇同學進行提問并做記錄。實驗結束后，需對學生的操作和表現進行點評。

課后，任課教師根據學生實驗報告中的實驗記錄、實驗反思和問題回答對學生進行課后考核，發現問題，可依托網絡平臺繼續提供學習資源和幫助。

4 結語

在傳統的儀器分析實驗課堂中，學生需要在短時間內學習和消化大量的新知識，部分學生存在一定的畏難情緒，教學效果受限。引入翻轉課堂教學模式，學生在課前通過視頻等資料提前預習重點和難點內容，能夠將抽象的名詞和理論與實際的儀器結構和操作方法聯系起來，提升學習效果。采用綜合的評價體系，以翻轉課堂所涉及的課前預習賦分、課堂表現評級、實驗報告和期末考試成績綜合評價學生知識點掌握情況和綜合應用能力，更為全面客觀。實踐證明，該教改模式可激發學生的學習興趣，提高學習成效，并提升學生綜合運用分析手段解決實際問題的能力。