多元混合式教學在儀器分析實驗課程中的實踐

王京，李琰，南晶，李一峻，邱曉航，丁飛

化學國家級實驗教學示范中心(南開大學)，天津 300071

現代分析測試是從事化學、化工、生物、醫藥、食品、環境等領域科學研究和生產實踐不可或缺的關鍵環節，由于其應用的廣泛性和技術的先進性，儀器分析實驗已成為高等院?；瘜W及其相關專業的基礎課程之一[1,2]。教育部《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》提出，著力提高教育教學質量，加強課程體系整體設計，通過實施國家級和省級一流課程建設“雙萬計劃”，提高課程建設高階性、創新性和挑戰度。鼓勵和引導學生刻苦學習，提高學生自主支配學習的時間比例，引導學生多讀書、深思考、善提問、勤實踐，激發學生學習潛能和學習興趣[3]。儀器分析實驗應聚焦學生“學以致用”能力的培養，通過理論知識的學習，掌握儀器操作方法，并能預判和解決實驗過程中所遇到的問題[4]。但是，受實驗課時、儀器種類、儀器數量、實驗場地等限制，學生實驗參與度不高，學習缺乏積極性，教學效果難以進一步提升[5–7]。

化學國家級實驗教學示范中心(南開大學)根據儀器分析實驗的課程特點，積極探索和改革教學模式，逐漸摸索出一套多元混合式教學課程體系。這種多元混合式教學不僅僅體現在線上線下混合式教學模式，還包含了在教學內容方面，在常規實驗的基礎上增加了虛擬仿真實驗和自主創新設計實驗，在教學方法上增加了翻轉課堂和問題導向學習法(Problem-Based Learning，PBL)的授課方式。經過4年摸索和實踐，該教學模式有效激發了學生學習的興趣和主動性，得到了廣大師生的認可，同時收獲了一批優秀的創新實驗項目作為實驗教學改革的儲備，取得了較好的教學效果[8–13]。

1 傳統實驗教學中存在的主要問題

1.1 學生實際操作不充分

儀器分析實驗課時為64學時，單次實驗為4學時，傳統實驗教學中學生課前預習是根據實驗講義撰寫預習報告，往往是大篇幅的抄寫，預習效果差，導致課上理論講解占用了大量時長，實驗操作時長被迫壓縮。此外，實驗室空間有限，大型儀器設備價格昂貴、數量少，往往只能多人共用設備輪流進行實驗，實驗設計不得不壓縮操作內容，導致學生等待時間長，實驗感受不佳，影響學習熱情。

1.2 實驗項目固定，實驗內容陳舊

現代科技進步日新月異，分析測試儀器更新迭代迅速。但是高校往往由于經費、場地等限制，儀器更新緩慢。在實際教學過程中，實驗項目只能圍繞現有的儀器開設，經常會出現一種設備開設兩個實驗內容的情況，造成知識內容重復。實驗內容多依附于理論教學，內容陳舊，與科研熱點和生產生活脫節，難以激發學生學習的興趣。

1.3 教學方法較為單一

儀器分析實驗涉及化學、物理學、數學等多學科和儀器操作、分析方法等眾多知識內容，教學難度大，通常的授課模式為教師講授和演示，學生按照規定的操作方法和參數，進行實驗操作?！皾M堂灌”的授課方式忽略了學生的個性化差異和需求，學生在實驗過程中依葫蘆畫瓢，很難形成系統的知識體系，無法對實驗過程中可能出現的問題進行預判，出現問題也不懂得怎樣解決。這種“教”大于“學”的教學方法，抑制了學生學習的主動性，對于創新能力和綜合素質的培養十分不利。

2 教學課程體系設計與實踐

2.1 多平臺線上線下混合式教學模式

隨著新時代新技術的不斷發展，線上教學手段不僅在理論課程中得到了廣泛應用和認可，在實驗教學中也發揮出獨特優勢。本課程使用的線上平臺包括長江雨課堂、虛擬仿真實驗室和飛書交流平臺。

長江雨課堂是一款線上線下相結合的移動交流教學助手，目前我校已普及長江雨課堂的應用。長江雨課堂可以在課前、課中、課后三個環節完成線上、線下的相互交融，具體實施方案如圖1所示。課前，教師將實驗相關的課件、視頻資料、網絡資源、檢測習題上傳到平臺，學生利用空余時間在線上進行學習和習題檢測，完成實驗預習的內容。教師通過后臺數據掌握學習時長和進度，綜合評定預習成績。學生也可以對上傳課件進行標注反饋給教師，在討論區提出問題并開展討論。這使得學生和教師在課前就建立了有效溝通渠道，教師可以有針對性地在課堂進行重點講解。在課堂教學中，利用長江雨課堂平臺發布課堂檢測習題和投票，使得每個學生都能參與到課堂互動中來。課后作業由學生在線下完成，再拍照上傳，教師在線批改返回給學生，學生修改后可以再次補充提交。教師通過后臺大數據的反饋能夠掌握學生的學習情況，并進行評估和總結，在后續課程中調整課程設計，優化教學方案。

圖1 長江雨課堂混合式教學

自2013年教育部大力推行虛擬仿真建設以來，將虛擬仿真實驗技術應用于儀器分析實驗教學的實例層出不窮[14–16]。虛擬仿真實驗最大的優勢在于突破了時間和空間的限制，極大縮短了建立實物和獲取培訓環境的時間，而且一套虛擬仿真系統可以多人同時、單人多次使用，實現了在更短的時間內用更低的成本培養更高素質人才的目標。虛擬仿真實驗可以高度逼真地模擬實驗操作的流程，使學生獲得生動直觀的感性認識。軟件自動對實驗操作進行記錄，生成實驗報告和成績，方便學生回溯實驗過程。虛擬仿真項目的交互性操作還為學生提供了試錯的機會，有助于消除學生對儀器的陌生感。相較于傳統的教學模式，虛擬仿真實驗是更為開放自由的，更容易激發學生學習的積極性，學生的實踐動手能力得到提高。

飛書是保障高效協作的辦公工具，整合即時溝通、工作日歷、視頻會議、云文檔、工作臺等功能于一體。在開展自主創新設計實驗時，需要團隊分工合作完成實驗項目，利用飛書平臺可以建立工作群組，創建共享文檔，上傳參考資料，召開視頻會議同時記錄會議紀要。其中共享文檔用于記錄實驗操作步驟、現象、數據分析和實驗結論，相當于網絡電子實驗記錄本，為高效完成團隊工作提供技術支持。

2.2 三位一體實驗教學內容，適應時代發展

儀器分析實驗課程設置了17個實驗項目，其中常規實驗14個，虛擬仿真實驗2個，自主創新設計實驗1個，具體實驗項目如表1所示。

表1 儀器分析實驗項目列表

2.2.1 持續更新常規實驗項目，拓寬知識領域

現代科技進步日新月異，分析測試儀器種類不斷細化，功能更加豐富。近年來，實驗室應對實際科研需求購置了圓二色光譜儀、拉曼光譜儀、X射線衍射儀和熱分析儀，并且配套設計了相應實驗項目(表1，序號6、7、12、14)應用于本科實驗教學，除了基本的分析檢測技術內容，還增加了Origin作圖、數據擬合、數據庫檢索等知識點。與此同時，對原實驗項目進行內容改革，刪減重復的知識內容，將學科發展、科研熱點、交叉學科應用引入實驗教學。在“火焰原子吸收光譜法測定鈣”的定量分析中增加了標準加入法和標準曲線法的比較，并且增加了化學干擾的相關實驗內容。在“ICPOES全譜直讀光譜法檢測生物樣品”中添加了樣品前處理的過程，并且對比了不同的觀測方向對樣品信號和背景信號的影響。在“核磁共振波譜法測定乙酰乙酸乙酯互變異構體的相對含量”實驗中增加測定某功率下90°脈寬的內容，并詳細介紹定量檢測時需要注意的功率、脈寬、采樣中心、脈沖間隔等參數的設置。近五年內，實驗項目更新率達到41%，同步更新了實驗教材《儀器分析實驗(第二版)》，在拓寬課程廣度的同時適當加深課程深度，更加貼合科研工作的基礎性需求。

2.2.2 引入虛擬仿真實驗教學內容，互補線下教學

儀器分析實驗課程設置了兩項虛擬仿真實驗，分別為“某化合物的核磁共振全分析實驗”和“ICPOES的工作原理及生物樣品的檢測”，見圖2。軟件建設采用實驗室真實儀器建模，利用透視效果還原儀器內部構造和工作原理，通過第一視角的3D動畫方式模擬了樣品在儀器中的演變過程，幫助學生更加直觀地理解儀器構造和工作原理。除了儀器的模擬操作，軟件還建設了儀器維護、儀器部件拆卸、故障排除、多種核磁共振實驗、未知化合物圖譜解析、微波消解樣品前處理等模塊，將在真實實驗室無法開展的實驗內容移至虛擬仿真軟件，幫助學生擴展知識層面。教師可以通過后臺數據觀察學生容易出錯的操作步驟，在真實實驗中加以強調，既提高了教學質量也減少了儀器故障率。

圖2 虛擬仿真軟件建設

2.2.3 開展自主創新設計實驗，提升學生的創新意識和實踐精神

自主創新設計實驗不同于常規實驗和虛擬仿真實驗，不屬于驗證性實驗，而是由學生自主選題、設計、完成實驗。自主創新設計實驗同步于常規實驗，在提前自主深入學習的基礎上，圍繞一、兩種儀器開展實驗，教學實施方案如圖3所示。自主創新設計實驗需要8～12人組建團隊，通過文獻檢索、實驗設計、實際操作、數據處理，形成實驗報告。授課教師的主要任務是指導學生學習儀器相關知識、提出有效建議、規范實驗操作和確保實驗安全，并不過多干預學生，將主動權交給學生，允許學生試錯，促進學生思考解決問題。實驗結束后授課教師對工作進行系統梳理，總結工作特色和不足，完成實驗成績評定，將新的知識內容反哺到常規實驗教學中。

圖3 自主創新設計實驗教學實施方案

以自主創新設計實驗“ICP-OES檢測茶水中的金屬含量”為例[10]，在課題立項之初學生通過文獻調研鎖定了3個目標物，分別為茶葉、塑膠跑道和海水。與授課教師討論后，首先排除了樣品前處理難度較大的塑膠跑道，考慮到茶葉種類較多，并且存在泡茶時間、次數等諸多變化因素可以提供豐富的研究方向，最終確定以茶水為檢測樣品開展研究。隨后學生提供“實驗設計方案”，授課教師進行審核并提出修改建議，從眾多的金屬元素中篩選出12個元素進行檢測，其中既包含了人體必需的部分元素，又包含了幾種常見的有害元素。實驗操作期間教師協助學生完成實驗內容，從元素特征譜線的選擇、儀器檢測方法的設定、標準曲線的線性及范圍等諸多方面進行把控，確保實驗數據的準確性。在學生最終提交實驗報告后，授課教師組織討論完成項目總結，并鼓勵學生進一步完善實驗數據后撰寫實驗教學文章。學生表示該實驗從設計、實施到撰寫雖然投入了大量的課余時間，但是經歷了一次完整的實驗項目，不斷地發現問題、解決問題，很有挑戰性，同時也完成了一件和生活緊密聯系的研究工作，可以給身邊的人提供有效建議，十分有成就感。

經過兩個實驗教學周期，已經完成28項自主創新設計實驗，選題大部分圍繞生活中的化學，食用油、茶葉、飲用水、可樂、咖啡、菠菜、青海湖鹽等紛紛進入了實驗室，充分調動了學生的積極性。自主創新設計實驗是將所學到的理論知識不斷鞏固并靈活運用于復雜問題的處理上，不僅訓練了學生的思考能力和實驗能力，同時也鍛煉了學生對知識的應用能力，提升學生的創新意識和實踐精神。

2.3 多種教學方法相結合，打造高效課堂

根據實驗項目各部分的特點，量身打造不同的教學方法。儀器分析實驗中分析原理部分由于理論性比較強，可以在充分預習基礎上采用翻轉課堂的教學方法，由學生以小組為單位進行講解，教師引領討論。對于應用性較強的儀器構造、儀器工作原理和實驗操作部分，更多的采用問題導向學習法。問題設計應緊密圍繞教學大綱中的教學目標來提煉，把多層面和多學科的知識點串聯起來，引導學生思考。多舉措并用的教學方法，旨在激發學生主動參與實驗教學的熱情，變被動接收為積極主動去梳理和構建知識網絡體系，提高教學效果。

3 實驗成績評價和課程建設成效

儀器分析實驗課程中常規實驗的成績由診斷性評價、形成性評價和總結性評價構成。在以往的儀器分析實驗中，實驗預習效果無從考證，診斷性評價缺失。實驗操作循規蹈矩，實驗結果趨同，實驗報告類似，形成性評價和總結性評價難以發揮作用，最終導致學生實驗成績無法反映學習效果。在采用線上線下混合式教學模式后，教師通過線上平臺可將教學過程數據化，完成診斷性評價。教師在線下課程中通過更多的師生交流觀察了解學生的特質、實驗技能、創新能力和科研素養，使得形成性評價更加真實可靠?？偨Y性評價主要依據實驗報告，通過統一實驗報告批改細則和標準，提高評價的準確性。虛擬仿真實驗成績為診斷性評價，源于線上平臺數據記錄。自主創新設計實驗則側重于形成性評價和總結性評價，如表2所示。對2019–2022年的學生實驗成績進行統計，實施教學改革之后的實驗成績梯度得到明顯優化，更加符合正態分布，如圖4所示。

表2 實驗成績評價體系

圖4 2019–2022年度學生實驗成績統計

經過數個教學周期近千人次的教學實踐，這種多元混合式教學模式取得了教師和學生們的普遍好評，在2021年9月被認定為天津市一流本科建設課程。并且通過自主創新設計實驗涌現出一批優秀的實驗項目可以作為“全國大學生化學實驗創新設計大賽”和實驗教學改革項目的儲備，同時部分優秀工作成果轉化為實驗教學論文[8–13]。

4 結語

在“四新”教育教學改革大背景下，儀器分析實驗立足于學生“學以致用”能力的培養，引導學生內化知識，培養分析和解決問題的高階思維與綜合能力。在儀器分析實驗課程中引入長江雨課堂、虛擬仿真實驗和飛書協作平臺，優化傳統實驗項目的同時增加了虛擬仿真實驗和自主創新設計實驗，授課過程中采用翻轉課堂和以問題為導向的授課方式，將多元化教學有機融合，充分調動學生學習的主動性，提升教師教學效果，提高學生學習效率。注重新時期學生的學習特點和學習興趣，真正做到與時俱進、因材施教是今后實驗教學中還需要繼續探索的方向。