多維度染整線上實驗教學的設計與實踐

楊 卓，樊 吉，鄭亞雯，劉保江

（東華大學化學與化工學院，上海 201620）

0 引言

全球正處在信息化高度發展的時期，信息技術已融入我們生活的方方面面。在“互聯網+”時代，傳統的教學模式正在發生變化，以前教育需要空間和時間的集中和固定，而在互聯網+時代，通過多媒體的通信功能，可以打破地域的限制，建立個性化教學模式。2012 年教育部頒布了《教育信息化十年發展規劃（2011 -2020 年）》，確立了我國教育信息化發展的戰略。但信息技術在革新教學模式、重構教學管理以及開展個性化學習等方面沒有得到充分彰顯，信息平臺建設和數字資源開發尚顯不足［1-2］。

2020 年隨著全球疫情的爆發，教學模式發生了極大的轉變，所有的課程都由線下轉為線上，在一段時間里線上教學成了教學的常態。公共衛生事件給教學帶來了極大的挑戰，但也使教育信息化迎來了發展的契機。疫情幾年我們積累的大量線上教學的經驗，看到信息化在課程表現形式、教學組織形式，教學評價等方面發揮的作用，當然也存在很多不足，尤其是針對實踐類課程。很多人認為，線上實驗如同紙上談兵，缺乏與實物的真實互動，無法達到實驗教學目的［3-4］。誠然實驗教學不同于理論教學，不僅強調對科學知識、原理的理解和掌握，更強調動手能力的培養，以及知識、技能的實際運用［5-6］。

那么，在信息化技術高速發展的今天，完全線上實驗課程是不是真的不能實現呢？希瑟·塔夫脫（Heather R.Taft）是在線教學領域的資深實踐者，在疫情前就一直從事在線教學工作，他認為許多實驗室課程的線上化都是可以實現的。只要調整教學的目標，找到匹配的教學資源，就可以很好地實現線上教學，并保證教學質量。染整線上實驗教學經過幾年的不斷建設，在設計線上教學的同時，將居家自主實驗融入其中，將理論和實踐有機結合，形成包含實驗視頻，居家自主實驗，虛擬仿真及線上討論多維度的線上實驗教學體系。該教學模式通過線上自學-自主實驗-實驗分析-討論反饋形成完整的實驗教學閉環過程，并結合虛擬仿真技術實現了實驗室和實際生產的貫通。

1 國內外線上實驗教學現狀

隨著互聯網技術的進步，近10 年來，在線教育得到了長足的發展。但在高校，線上教學主要作為課堂理論教學的輔助手段，并以視頻課件為主流［7］。而實驗教學，由于強調動手能力的培養，因此多以線下為主。自2017 年，國家開展了虛擬仿真實驗教學項目，很多高校開始積極開展虛擬仿真實驗建設，但這類實驗主要應用于現實環境無法操作或很難開展的實驗，更多是作為實驗教學的輔助，不能完全替代實驗教學。2020 年由于新冠疫情的影響，所有的教學活動都轉移至線上開展，這給我們研究和發展線上實驗提供更多的樣本，也為線上實驗教學的發展給予了經驗。

1.1 國內線上實驗教學的現狀

2020 年疫情期間，由于時間緊任務重，我國大多數高校的實驗課程普遍以實驗教學視頻+線上直播上課+虛擬仿真實驗的形式開展［8-9］。教學中通過實驗操作視頻幫助學生了解和掌握實驗過程，在有條件的情況下引入虛擬仿真實驗，彌補實操的不足。但也有少部分實驗教學采用了工程軟件和家庭實驗的形式開展。如華南理工大學的電子電工線上實驗課程［3］利用電路仿真軟件Multisim 替代線下實驗真實的元器件，實現學生對各種電路的設計及仿真。吉林大學的大學物理線上實驗課程中的綜合實驗部分［10］，采用家庭自主實驗，即教師郵遞實驗材料包，再利用學生手邊材料自主設計實驗方案，教師直播講解實驗內容并進行糾錯。而化學類線上實驗由于其特殊性，普遍還以視頻教學輔以虛擬仿真為主。

1.2 國外線上實驗教學的現狀

與國內相比，國外的線上實驗教學起步更早，形式更加豐富一些。Kelley［11］調研了疫情期間不同國家（包括美國、澳大利亞、德國、墨西哥、斯洛伐克、西班牙和英國等國家）化學類實驗的相關教學情況，其中采用家庭實驗教學占29.7%，實驗視頻教學占50.5%，虛擬仿真實驗教學占45.1%，討論式教學占比36.2%（由于其調研的課程并非采用單一模式授課，因此這里的總占比大于100%）。可見除了常規的實驗教學視頻和虛擬仿真實驗，很多老師還采用了家庭實驗和討論式的教學模式。泰國國王科技大學的分析化學課程［12］，利用番石榴葉的天然提取物作為鐵離子的螯合劑，進行比色實驗，實驗中學生利用實驗包在家完成實驗，然后利用手機自帶的圖像處理程序（如ISO 的Pixel Picker和Android 的Color Grab）評估顏色強度。美國摩西山大學［13］開展了“廚房里的化學”實驗課程，通過食物的烹飪開展14 個實驗，包括，牛奶中乳糖的分離，不同乳化劑對油的乳化的效果，手持折光儀分析果汁和飲料的總糖濃度等。除此之外，還有很多高校利用無毒的化學材料替代傳統實驗中的化學品，使學生在家開展實驗，如自己搭建簡易的蒸餾設備，從芳香植物中提取精油的實驗［14］，用層析紙和染料進行層析實驗，及CaCl2溶解熱焓計算［15］等。

雖然線上教學是疫情時期的無奈之舉，但也使大家認識到，線上教學絕不是一時之需，而是一種新的教育理念，是隨著信息技術的發展而產生的一種順應時代的新的教學方式。

2 染整線上實驗教學的設計與實施

2.1 線上實驗教學內容的設計

在線教學是利用互聯網等現代信息技術進行教學，但科學理論的建立和發展離不開科學實驗的佐證。因此即使是線上實驗，也應想辦法讓學生從實踐中獲取知識。染整實驗包含：①線上自學環節。通過視頻微課和操作演示視頻自學實驗內容；②自主實驗環節。根據實驗要求，自主準備實驗材料和工具，居家完成實驗，或通過虛擬仿真完成實驗；③撰寫報告環節；④線上討論環節。每個環節建立與理論概念、實驗實踐、探索分析、思維開發相對的教學目標，具體如圖1 所示。

圖1 染整線上實驗教學設計

自學環節，主要是掌握基本理論、基本實驗方法和檢測手段。由于單純的線上教學，學生無法真實操作實驗設備獲得數據，缺少感性認識。因此在自學環節后，緊接著是自主實驗環節。每個自學的實驗內容均對應一個自主實驗環節。該環節主要以建立理論知識和實際應用之間的聯系，深化對理論知識的理解，培養學生實驗設計和動手能力。如“溫度、電解質對直接染料上染纖維素纖維的影響及皂洗和摩擦牢度的測定”實驗對應的自主實驗為“植物染料的提取以及溫度、電解質對其上染纖維素纖維的影響”。兩個實驗均包括溫度、電解質濃度對染色的影響，但是實驗對象不同，前者為合成直接染料；后者為天然有色分子，但獲得的實驗現象和結論是一致的。實驗后，學生將實驗過程、現象、分析、結論等用科學的語言表達形成實驗報告，鍛煉學生的文字表達能力，和抽象思維能力。課后針對學生實驗現象，及報告中的問題，開展集中的討論，一方面發現實驗中的問題和不足，另一方面開拓學生的思路，提高實驗分析能力。

2.2 網上教學資源建設

線上實驗課程的設計不能簡單地將原有的線下課程資源照搬到網絡上，應根據線上教學特點，結合教學目標，既要保證課堂的效率，又要助力于學生的深度參與，可以在兼顧教學要求的前提下應適當增加實驗挑戰性、復雜性。線上實驗教學資源主要包括實驗教學視頻、操作演示視頻兩部分。由于網上實驗教學不同于線下實驗，一方面線上教學，教師和學生之間缺少面對面的真實交流，學生注意力難以控制；另一方面線上實驗，學生缺少真實操作體驗。因此我們要充分利用多媒體技術，將文字、聲音、圖像、視頻、動畫等融入教學視頻，提升學生的學習興趣和熱情，促進其對知識的理解和掌握。操作演示視頻的制作要遵循短小精悍的原則，視頻時長最好控制在3～7 min，如果實驗內容過多，可以分段展示。由于學生無法真實進行實驗操作，線上演示視頻應具有類似培訓的效果。確保當學生進入真實場景后，可以跟著視頻獨立完成實驗操作。因此線上實驗教學視頻應力求簡潔明了，重點出圖，而不要設計過于復雜的實驗過程。

下面以“溫度和電解質對直接染料上染纖維素纖維的影響及皂洗和摩擦牢度的測試”為例介紹線上資源的建設。線上資源包括實驗教學視頻和實驗操作視頻，其中教學視頻主要包括兩個理論要點，即溫度和電解質效應，兩個實驗要點，即染色工藝曲線繪制和染色工藝參數的計算。實驗后，學生應能根據工藝曲線明確染色流程，設計直接染料染色工藝，并明確染色的影響因素。在講解理論要點時，可在講解過程中插入短視頻、圖片和趨勢圖等，幫助學生建立感性認識和理論知識之間的聯系。在講解實驗要點時，可借助手繪板，邊繪制曲線、計算邊講解，有助于學生跟隨老師思路，防止走神。該實驗常規的線下實驗，包括兩個不同溫度的染色實驗和兩個不同電解濃度的染色實驗，及色牢度測試，實驗后學生通過不同溫度和電解質對染色結果影響，掌握溫度和電解質對直接染料染色的影響以及色牢度的測試方法。但是4 個染色實驗采用的流程是一樣的，如果線上實驗我們也錄制4 個實驗視頻，則顯得過于乏味，會使學生失去學習的興趣。因此該實驗的操作視頻，主要包括四部分內容，即直接染料的染色的操作視頻，染色后織物k/s值的測試操作視頻，皂洗牢度操作視頻，摩擦牢度的操作。其中第1 個視頻主要掌握染色的基本操作，后面3 個視頻掌握基本的檢測方法。實驗后，提供織物表面k/s的隨染色溫度及電解質濃度變化的曲線，要求學生根據曲線對結果進行分析。

2.3 家庭自主實驗的設計

家庭實驗的設計要有兩個基本點，一是實驗安全性；另一個是實驗可操作性，即所用化學品必須安全且對環境友好，實驗材料和工具應容易獲得，最好是家中常用或容易買到且便宜的日常材料。基于這兩點，自主實驗材料和工具均采用家庭日常使用的物品，或者網上可以買到的材料，如染料可用食用色素或天然植物替代，其他化學品也均為食品級材料，如玉米淀粉，食用檸檬酸，食用明礬，食用鹽、醋等等，實驗材料可以采用家里不用棉T恤，羊毛衫等等。我們設計6 個家庭自主實驗，分別是“植物染料的提取以及溫度、電解質對其上染纖維素纖維的影響”“活性染料的軋染工藝設計”“pH值對植物染料上染羊毛的影響”“天然染料媒介染色及其色牢度”“淀粉糊、海藻酸鈉糊料的制備及性能檢測”“天然染料的對纖維素纖維織物的直接印花”。除了“活性染料的軋染工藝設計”中的染料由教師提供外，其他染色的材料和實驗工具均由學生自己準備。

下面以“植物染料的提取以及溫度、電解質對其上染纖維素纖維的影響”和“天然染料對纖維素纖維織物的直接印花”為例，介紹家庭自主實驗的開展。“植物染料的提取以及溫度、電解質對其上染纖維素纖維的影響”實驗包括3 部分的內容，染料的提取、不同溫度條件下植物染料對纖維素纖維的上染、不同電解質條件下植物染料對纖維素纖維的上染，以了解染料結構和上染性能的關系。實驗前學生需要準備有色植物如玫瑰花、洋蔥皮、梔子等。先用水萃取法提取植物中的有色成分，然后可用容器隔水加熱進行染色。染色中加入食用鹽觀察電解質對上染的影響，可用溫度計觀察溫度，通過煤氣火焰大小調節溫度在設計范圍。“天然染料對纖維素織物的直接印花”實驗前學生需要準備天然植物，食用淀粉或海藻酸鈉。在提取的天然有色溶液中加入淀粉或海藻酸鈉，其中淀粉可用隔水加熱的煮糊法調制，海藻酸鈉則可在室溫下直接攪拌成糊。印花時，用窗戶網紗布替代印花篩網，用A4紙雕刻花紋，用格尺或切面刀作為印花刮刀。印花時，將全棉織物，花紋紙，網紗布依次放好，然后在花紋一側倒上色漿，即可完成印花，然后將織物放入烤箱，100 ℃烘干，再放入蒸鍋，汽蒸10 min，汽蒸時需要注意防止水滴。如沒有烤箱，也可平放自然晾干。學生實驗效果如圖2 所示。

圖2 學生的自主實驗效果圖

相比常規的課堂實驗，家庭實驗由于實驗條件和選擇工具、方法不同，實驗結果會有一定的未知性，可以引發學生更多思考，加深對理論知識的理解。如有的學生采用化妝棉進行染色實驗，因為化妝棉中含有一些未去除雜質，且沒有經過絲光處理，染色效果很差，最終導致了實驗失敗。在分析原因的過程中，學生深刻理解了棉織退漿、煮練和絲光的意義，將染色和前處理的知識聯系在了一起；又如實驗中學生發現天然染料色牢度較差，不僅水洗褪色明顯，晾曬時也有明顯的泳移現象。這一現象在常規實驗教學中是觀測不到的，因為商品染料和纖維的親和力更高。這可幫助學生深入理解染料親和力這一抽象的概念，以及現代合成染料開發的意義；印花實驗中，由于窗戶網紗布較厚，會導致透漿量增加，這要求色漿應調制更黏稠，否則容易出現花紋滲化的情況，這也可以幫助學生深刻理解印花網板張力和開孔率的意義；家庭汽蒸過程難以避免蒸鍋內水滴滴落布面，形成印花疵點。而實驗室汽蒸機頂部有加熱管，可防止水滴滴落，一般不會出現印花疵病。可以幫助同學直觀了解印花疵病產生原因，以及染整設備結構設計的重要性。

家庭實驗通過準備實驗材料、搭建實驗設備，控制實驗過程，學生實驗參與度更高，實驗熱情更濃厚。而在課堂實驗中，由于實驗材料和設備都是統一的，實驗現象也是確定，因此學生更多的是被動的參與和接收。

2.4 虛擬仿真實驗的建設

染整是一個工程類學科，學生應熟悉實際的生產環節，并具備工程應用及開發的能力。但小樣實驗在模擬工業生產時，存在設備原理不一致，參數控制不精準，實驗過程不連續等問題，導致教學和實際生產脫節。為了使教學無縫銜接實際生產過程，利用虛擬仿真技術，構建三維設備模型，再現真實生產場景，幫助學生掌握設備內部運行原理，織物在設備中運行狀態等。通過人機交互，學生可在虛擬環境開展模擬生產，如設備選型，工藝設計，染色操作，故障處理等。

根據紡織品染色的兩種主要生產方式：間歇式和連續式，設計了兩套虛擬仿真實驗，分別是“紡織品氣（溢）流染色過程虛擬仿真實驗”（見圖3）和“紡織品全流程連續染色生產仿真實驗”（見圖4）。虛擬仿真實驗構建了高度仿真的3D 染整設備模型，該模型可實現自由拆解和染色原理動畫演示及生產工藝設計、運行及質量管控。該虛擬仿真實驗包括原理學習，染色工藝設計，生產仿真操作考核三部分內容，如圖3 所示。原理學習包括設備結構拆解及染色原理學習，幫助學生深入掌握設備構造及其運行原理，掌握小樣和實際生產之間的區別，為染色工藝設計打下基礎；染色工藝設計，包括參數設計、開機運行、故障處理等過程。加深學生對于單元機工作原理及染色原理的理解，掌握染色基本生產流程，染色中各參數的意義及設計原理。生產仿真操作考核，包含不同織物染色工藝流程設計，學生需要根據產品要求選擇設備，建立染色生產線，并設計染色工藝及參數，是對學生學習效果的綜合考核。

圖3 紡織品氣（溢）流染色過程虛擬仿真實驗

圖4 紡織品全流程連續染色生產仿真實驗

2.5 線上實驗教學實施及考核

以“印花糊料制備及性能檢測”為例，說明線上實驗教學的實施。該實驗的目的是掌握印花糊料的制備方法，及糊料基本性能的測定方法及糊料的耐酸堿穩定性。實驗對應自主實驗為“淀粉糊、海藻酸鈉糊料的制備及性能檢測”。印花糊料是印花色漿的重要組成部分，對印花效果起著關鍵性的影響，是印花實驗的重要內容。

實驗教學過程如下：發布教學信息。學生自主觀看教學相關視頻，掌握海藻酸鈉、淀粉和合成增稠的糊化過程及其成糊的制備方法，掌握糊料黏度、抱水性的測定方法，不同糊料結構和耐酸堿穩定的關系，及攪拌器和黏度計的使用。學生根據自主實驗內容，準備實驗材料，完成實驗。由于合成增稠劑屬于合成化學品，因此自主實驗對象為淀粉和海藻酸鈉。自主實驗包括：①淀粉和海藻酸鈉糊的制備，掌握天然糊料的糊化過程及制備方法。②天然糊料抱水性能的測定；③用食用醋，食用純堿，氯化鈉，乳酸鈣檢驗天然糊料分別在pH4，7，10 時耐酸堿性能和耐金屬離子的穩定，比較不同糊料的結構和耐化學品穩定性的關系；④利用乳酸鈣制備海藻酸鈉凝膠。實驗后，學生提交實驗報告，報告包括兩部分內容，自學實驗和自主實驗，自學實驗報告按照常規實驗報告格式提交，包實驗目的、原理、內容、結果與討論，自主實驗除常規報告內容外，則還需提交實驗設計思路，實驗過程、結果及其照片。教師批改報告后，開展線上討論。教師根據學生報告中的問題和實驗現象提出問題，交流發言、分析討論，教師再進行總結歸納。

實驗考核是對學生學習效果的反饋，可以讓學生發現學習中的不足，督促其發現問題并不斷進步。因此不能以單一實驗結果和報告作為評判標準，應建立過程考核，全方位評價學習效果。線上實驗考核一方面可以結合線上教學平臺的數據，另一方面通過實驗報告，家庭自主實驗和課堂討論多維度地對學生實驗情況進行考核。考核內容包括：自學實驗的完成情況，占比10%，考察學生的實驗態度和實驗的參與度；實驗報告的撰寫，占比35%，通過實驗報告撰寫的規范性，語言表達的科學性，數據分析合理性，考查學生數據分析和書面表達能力；自主實驗設計及完成，占比35%，通過實驗過程和結果，考查學生的實驗設計，問題分析和解決能力；線上討論，占比20%，考查學生問題分析及表達能力。

3 結語

線上實驗教學，強調了學生自我能動性，需要學生自主規劃學習時間，制定學習計劃，設計實驗方案，并獨立分析問題，成為學習的主體，有助于學生養成終身學習的習慣和能力。在家庭自主實驗靈活開放的是教學形式中，學生腦洞大開，充分發揮想象力和創造力，遇到問題，能夠主動思考解決方案，有效激發了學生好奇心和求知欲，培養了學生對技術好奇心，為后續的學習提供了動力。

線上實驗教學是一種新興的教學模式，通過合理設計實驗教學內容，并結合虛擬實驗和自主實驗，不僅能達到培養學生實驗技能的目的，還能提高學生學習熱情。隨著信息技術的發展，實驗教學可以不局限于一種教學模式，針對不同教學對象和教學目標，開展線上、線下多種形式的實驗教學。線上教學主要培養學生自學能力，提高學生學習興趣，掌握基本實驗檢測和實驗方法，因此比較適合初階的學習者，和跨專業的選修學生。而線下實驗則可以設計更多的高階實驗，培養學生科學研究的能力。豐富的實驗教學模式，不僅可以擴展教學方式，提高學習興趣，也可以緩解由于學時和場地的限制給實驗教學帶來問題。