基于課堂虛擬實驗室的《儀器分析》課程立體化教學模式研究

【摘要】針對目前儀器分析課程存在的問題，在充分調查學生對課程現狀的意見與建議后，應用CAI、網絡資源等多種現代教育技術構建課堂虛擬實驗室，將理論知識和實驗操作有機結合，形成《儀器分析》課程立體化教學模式，實現教學過程中真正的互動及各種教學資源的有效利用。

【關鍵詞】虛擬實驗室;立體化;教學模式

根據2010年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的精神，以就業能力為導向，強調知識與技能并重，優化現有教學體系，創新實踐育人模式成為了目前高校教育教學的重點。

《儀器分析》在高校教學設置中是一門具有實踐性的重要基礎和專業課程，在教學中需既重視理論知識的傳授，更重視實踐操作的培養。傳統的《儀器分析》課程教學模式以教師為中心，教學方法和手段單一，無法調動學生的積極性和主動性，不利于學生能力的培養和素質的提高。同時，由于經費和實驗空間的限制，大型精密儀器的購買和使用成為了高校實驗室建設的“短板”，因此，引入現代化的教學手段，整合教學資源，優化該課程的教學模式迫在眉睫。

虛擬實驗室的開發成為了高校儀器分析課程教學改革的方向之一。國內外多所大學如霍普金斯大學、上海交通大學、大連理工大學等都已對虛擬實驗室建設進行了研究，并建設了一些適合于藥學、化學專業的虛擬實驗室[1]。但基于課堂虛擬實驗室的《儀器分析》課程立體化教學模式研究尚未被提出，這值得我們深入研究和探討。

1.核心概念的界定

1.1 虛擬實驗室

虛擬實驗室亦稱為合作實驗室，最早由美國弗吉尼亞大學的Willian Wolf教授于1989年提出的，最初是為了方便不同實驗室的科研人員遠程協作或共享數據[2]。

虛擬實驗室的本質是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現實操作流程等，在計算機上所營造的可輔助或部分代替傳統實驗各個操作環節的虛擬實驗教學系統，是現有教學實驗室的數字化和虛擬化，是可為學生提供高仿真模擬度的、全程參與的操作平臺。

1.2 立體化教學模式

立體化教學模式是一種以課程為單元，以能力培養為軸心，以教學資源為平臺，動用所有教學元素的立體化、全方位的教學體系[3]。其中，教學資源立體化是指教學過程中紙質和數字化教學資源相結合;教學方式立體化是指采用啟發式、討論式、互動式、類比式等多方式完成教學過程;教學手段立體化是指在傳統課堂授課的基礎上，融合CAI（Computer Assisted Instruction，計算機輔助教學）技術、課堂虛擬實驗室、網絡資源等現代教育技術，多種手段相輔相成，最終形成教、學一體的格局。

2.課程虛擬實驗室的構建

目前我們自行開發軟件，構建“原子吸收”、“紅外光譜”課堂虛擬實驗室。該虛擬實驗室的構建包括以下板塊：儀器組成與構造展示板塊、儀器原理介紹板塊、實驗操作與模擬分析板塊，并在此基礎上探討建立《儀器分析》課程立體化教學模式。

2.1 儀器組成與構造展示板塊

“原子吸收”虛擬實驗室包含銳線光源、原子化系統（火焰、石墨爐）、分光系統、檢測系統等四大部分。“紅外光譜”虛擬實驗室展示傅里葉變換型紅外光譜，包括光源、邁克爾遜干涉儀、吸收池、分光系統、檢測系統等五大部分。當鼠標移動到相應系統時將每部分放大展示，并顯示文字說明，以便讓學生更好的了解儀器組成與結構。

2.2 儀器原理介紹板塊

此板塊主要介紹原子吸收光譜法和紅外光譜法。原子吸收光譜法主要介紹朗伯比爾定律、共振吸收線、峰值吸收法等基本理論，紅外光譜法主要介紹分子振動方式和紅外光譜產生的基本條件。主要是幫助學生強化記憶，促進實驗操作的完成。

操作者通過鼠標完成虛擬儀器中光路的動態演示，可以直觀了解實驗原理。同時，軟件中集成“原子吸收”、“紅外光譜”操作的演示視頻，能夠讓學生對不清楚的操作進行自學。

2.3 實驗操作與模擬分析

“原子吸收”虛擬實驗室中包括“火焰原子吸收光譜法測定水中的含鈣量”的模擬實驗分析過程。“紅外光譜”虛擬實驗室包括“未知試樣（C8H10）的定性分析”、“未知試樣（C7H9N）的定性分析”兩個模擬實驗分析過程。該板塊為驗證性實驗，學生通過計算機操作，模擬實驗過程，完成定性或定量分析，進一步理解儀器工作原理。

在完成實驗操作中，關鍵操作步驟設有陷阱，只有當學生嚴格按照操作規程完成，該實驗評分才為滿分，否則，軟件會自動減分，并在實驗結束告之操作不當的步驟。如此，學生可以反復練習，直至最終掌握儀器的使用流程。

同時，在“原子吸收”虛擬實驗室中存入常見元素如鎂、鈣、鋅、銅、鉛等分析線數據，“紅外光譜”虛擬實驗室中存入常見有機物的紅外吸收光譜圖，學生自主選擇實驗項目，完成分析測定，為開展綜合性、設計性實驗奠定基礎。

3.《儀器分析》課程立體化教學模式的探索與實踐

3.1 《儀器分析》課程的特點及傳統教學模式存在的主要弊端

《儀器分析》課程是我校環境工程、化學工程與工藝及無機非金屬材料工程專業開設的一門重要專業基礎課程。課程主要內容是利用現代分析儀器，根據物質的物理和物理化學性質進行定性、半定量和定量分析，主要包括光學分析法、色譜分析法和電化學分析法。

在《儀器分析》課程的傳統教學中，通常采用“傳授—強化—記憶”的教學模式進行，并且理論教學與實驗教學是在不同時間、空間獨立進行的。該模式中，教師占主導地位，教學內容是單向信息傳輸[4]，能使學生在短時間內接受大量的信息。但傳統模式中教學形式單一、理論與實驗教學不同步[5]、實驗儀器不足、實驗教學以示教為主、學生動手機會少，導致學生無法有效掌握專業技術知識，嚴重影響了該課程的教學效果，不利于培養學生的創新思維和解決實際問題的能力，并在一定程度上影響教學質量的提高和人才的培養。

3.2 《儀器分析》課程立體化教學模式的調查

Tyler（1949）曾指出：學生的“需要”與“興趣”是教育目標的主要來源之一[6]。因此，以學生需求為導向，滿足學生求知，提高授課效果，優化教學模式是非常重要的。我們設計了“《儀器分析》課程教學現狀問卷調查表”，在充分了解學生對課程現狀的意見與建議后，確定立體化教學模式的構建。

3.3 《儀器分析》課程立體化教學模式的構建

在課堂教學模式的研究中，基于本專業培養計劃和該課程教學大綱，將板書、CAI技術，實驗視頻、課堂虛擬實驗室等教學手段相結合。利用板書提高教師即興講解的闡述效果;利用CAI技術和實驗視頻提高視聽效果，增加課堂信息量;利用課堂虛擬實驗室演示儀器裝置、原理及使用方法，與學生互動，使理論和實踐操作的學習同步，促進專業知識的掌握。同時采用啟發式、討論式、互動式、類比式等立體化教學方式，引導學生發現問題、解決問題，進而理解相關的原理和概念。

在課內實驗教學模式的研究中，將傳統實驗與課堂虛擬實驗室有機結合，發揮各自優勢，提高學生自主學習的能力。主要體現在以下幾方面：①預習實驗。為解決傳統實驗預習停留在對單純文字的理解這一問題，要求學生在預習時，自主觀看并運行虛擬實驗室，使其明確實驗目的、理解儀器工作原理。②虛擬實驗與現場實驗同步。借助虛擬實驗室，先對學生進行示教實驗，如看完原子吸收實驗教學軟件，即刻將學生帶入實驗場地，對實物進行觀摩學習。這時教師重點介紹儀器的工作原理，再進行儀器基本操作，加深感性認知。③實驗和規范操作同步。教師完成示教后，以虛擬儀器代替傳統實驗儀器，可安排學生直接在計算機上完成實驗操作，不熟悉的部分還可反復運行，規范并強化實驗操作。

在實訓教學模式的研究中，保留具有代表性的驗證性實驗項目，再利用虛擬實驗室的優越性，教師給學生劃定題目范圍或鼓勵學生根據熱門話題自擬實驗項目，按照真實儀器正常運

行的過程進行探索性仿真操作，逐步開展綜合性、設計性實驗。在這個過程中，使學生經歷完整的科研實踐體驗：查閱文獻-確定選題-設計實驗-操作實驗-處理數據-完成報告，培養學生獨立思考、自主學習和創新思維的能力，為今后走向工作崗位打下良好的基礎。

4.結論

虛擬實驗室在儀器分析課程立體化教學模式中的應用是一個全新的課題，實踐也表明，這種方式大大激發了學生的學習興趣，提高了課程的教學質量，但虛擬實驗室作為一種新型的教學手段，仍處于探索階段，尚有一些不足之處需要完善。

立體化教學模式的建立，是對現有教學觀念的突破，打破了理論課、實驗課、實訓課的界限，將理論教學和實驗操作教學融為一體，在實踐中教理論，在運用中學技術，實現教學過程中真正的互動及各種教學資源的有效利用。

參考文獻：

[1]鄧碧如.輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺建設探討[J].職業教育研究，2012（7）：172-173

[2]李育，趙靖霞，楊根金等.探討分析儀器虛擬實驗室的設計[J].中國醫藥科學，2012，2（23）：163-164

[3]唐文武，王漢青，王志勇等.立體化教學模式的構建與實踐——以創新能力培養為視角[J]湖南工業大學學報（社會科學版），2011，16（4）：105-107

[4]王大紅.高職“一體化”教學模式的探索與實踐——以《儀器分析》課程為例[J].武漢職業技術學院學報，2011，10（6）：72-76

[5]郝玉翠，艾智，孟麗軍.分析化學實驗教學改革與實踐[J].大學化學，2012，，27（4）：20-22

[6]徐勝臻，曹敏惠，陳長水等.構建農林院校有機化學實驗立體化課程體系的研究[J].實驗室科學，2013，16（6）：63-65

唐山學院教育科學研究基金項目：編號JG1402

??] ? ? ? ?]? @? ：black'gt;虛擬實驗室

虛擬實驗室亦稱為合作實驗室，最早由美國弗吉尼亞大學的Willian Wolf教授于1989年提出的，最初是為了方便不同實驗室的科研人員遠程協作或共享數據[2]。

虛擬實驗室的本質是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現實操作流程等，在計算機上所營造的可輔助或部分代替傳統實驗各個操作環節的虛擬實驗教學系統，是現有教學實驗室的數字化和虛擬化，是可為學生提供高仿真模擬度的、全程參與的操作平臺。

1.2 立體化教學模式

立體化教學模式是一種以課程為單元，以能力培養為軸心，以教學資源為平臺，動用所有教學元素的立體化、全方位的教學體系[3]。其中，教學資源立體化是指教學過程中紙質和數字化教學資源相結合;教學方式立體化是指采用啟發式、討論式、互動式、類比式等多方式完成教學過程;教學手段立體化是指在傳統課堂授課的基礎上，融合CAI（Computer Assisted Instruction，計算機輔助教學）技術、課堂虛擬實驗室、網絡資源等現代教育技術，多種手段相輔相成，最終形成教、學一體的格局。

2.課程虛擬實驗室的構建

目前我們自行開發軟件，構建“原子吸收”、“紅外光譜”課堂虛擬實驗室。該虛擬實驗室的構建包括以下板塊：儀器組成與構造展示板塊、儀器原理介紹板塊、實驗操作與模擬分析板塊，并在此基礎上探討建立《儀器分析》課程立體化教學模式。

2.1 儀器組成與構造展示板塊

“原子吸收”虛擬實驗室包含銳線光源、原子化系統（火焰、石墨爐）、分光系統、檢測系統等四大部分。“紅外光譜”虛擬實驗室展示傅里葉變換型紅外光譜，包括光源、邁克爾遜干涉儀、吸收池、分光系統、檢測系統等五大部分。當鼠標移動到相應系統時將每部分放大展示，并顯示文字說明，以便讓學生更好的了解儀器組成與結構。

2.2 儀器原理介紹板塊

此板塊主要介紹原子吸收光譜法和紅外光譜法。原子吸收光譜法主要介紹朗伯比爾定律、共振吸收線、峰值吸收法等基本理論，紅外光譜法主要介紹分子振動方式和紅外光譜產生的基本條件。主要是幫助學生強化記憶，促進實驗操作的完成。

操作者通過鼠標完成虛擬儀器中光路的動態演示，可以直觀了解實驗原理。同時，軟件中集成“原子吸收”、“紅外光譜”操作的演示視頻，能夠讓學生對不清楚的操作進行自學。

2.3 實驗操作與模擬分析

“原子吸收”虛擬實驗室中包括“火焰原子吸收光譜法測定水中的含鈣量”的模擬實驗分析過程。“紅外光譜”虛擬實驗室包括“未知試樣（C8H10）的定性分析”、“未知試樣（C7H9N）的定性分析”兩個模擬實驗分析過程。該板塊為驗證性實驗，學生通過計算機操作，模擬實驗過程，完成定性或定量分析，進一步理解儀器工作原理。

在完成實驗操作中，關鍵操作步驟設有陷阱，只有當學生嚴格按照操作規程完成，該實驗評分才為滿分，否則，軟件會自動減分，并在實驗結束告之操作不當的步驟。如此，學生可以反復練習，直至最終掌握儀器的使用流程。

同時，在“原子吸收”虛擬實驗室中存入常見元素如鎂、鈣、鋅、銅、鉛等分析線數據，“紅外光譜”虛擬實驗室中存入常見有機物的紅外吸收光譜圖，學生自主選擇實驗項目，完成分析測定，為開展綜合性、設計性實驗奠定基礎。

3.《儀器分析》課程立體化教學模式的探索與實踐

3.1 《儀器分析》課程的特點及傳統教學模式存在的主要弊端

《儀器分析》課程是我校環境工程、化學工程與工藝及無機非金屬材料工程專業開設的一門重要專業基礎課程。課程主要內容是利用現代分析儀器，根據物質的物理和物理化學性質進行定性、半定量和定量分析，主要包括光學分析法、色譜分析法和電化學分析法。

在《儀器分析》課程的傳統教學中，通常采用“傳授—強化—記憶”的教學模式進行，并且理論教學與實驗教學是在不同時間、空間獨立進行的。該模式中，教師占主導地位，教學內容是單向信息傳輸[4]，能使學生在短時間內接受大量的信息。但傳統模式中教學形式單一、理論與實驗教學不同步[5]、實驗儀器不足、實驗教學以示教為主、學生動手機會少，導致學生無法有效掌握專業技術知識，嚴重影響了該課程的教學效果，不利于培養學生的創新思維和解決實際問題的能力，并在一定程度上影響教學質量的提高和人才的培養。

3.2 《儀器分析》課程立體化教學模式的調查

Tyler（1949）曾指出：學生的“需要”與“興趣”是教育目標的主要來源之一[6]。因此，以學生需求為導向，滿足學生求知，提高授課效果，優化教學模式是非常重要的。我們設計了“《儀器分析》課程教學現狀問卷調查表”，在充分了解學生對課程現狀的意見與建議后，確定立體化教學模式的構建。

3.3 《儀器分析》課程立體化教學模式的構建

在課堂教學模式的研究中，基于本專業培養計劃和該課程教學大綱，將板書、CAI技術，實驗視頻、課堂虛擬實驗室等教學手段相結合。利用板書提高教師即興講解的闡述效果;利用CAI技術和實驗視頻提高視聽效果，增加課堂信息量;利用課堂虛擬實驗室演示儀器裝置、原理及使用方法，與學生互動，使理論和實踐操作的學習同步，促進專業知識的掌握。同時采用啟發式、討論式、互動式、類比式等立體化教學方式，引導學生發現問題、解決問題，進而理解相關的原理和概念。

在課內實驗教學模式的研究中，將傳統實驗與課堂虛擬實驗室有機結合，發揮各自優勢，提高學生自主學習的能力。主要體現在以下幾方面：①預習實驗。為解決傳統實驗預習停留在對單純文字的理解這一問題，要求學生在預習時，自主觀看并運行虛擬實驗室，使其明確實驗目的、理解儀器工作原理。②虛擬實驗與現場實驗同步。借助虛擬實驗室，先對學生進行示教實驗，如看完原子吸收實驗教學軟件，即刻將學生帶入實驗場地，對實物進行觀摩學習。這時教師重點介紹儀器的工作原理，再進行儀器基本操作，加深感性認知。③實驗和規范操作同步。教師完成示教后，以虛擬儀器代替傳統實驗儀器，可安排學生直接在計算機上完成實驗操作，不熟悉的部分還可反復運行，規范并強化實驗操作。

在實訓教學模式的研究中，保留具有代表性的驗證性實驗項目，再利用虛擬實驗室的優越性，教師給學生劃定題目范圍或鼓勵學生根據熱門話題自擬實驗項目，按照真實儀器正常運