虛擬仿真與慕課結合助力《材料分析方法》實驗教學*

曹 靜，李凌云，王 晨

(福州大學材料科學與工程學院，福建 福州 350108)

材料分析表征是材料學科中重要的組成部分，在新型材料的研發中起到舉足輕重的作用。因此無論從教學還是科研角度出發，《材料分析方法》實驗在材料及其相關學科中都發揮著十分重要的作用。以福州大學材料科學與工程學院為例，《材料分析方法》作為材料科學與工程專業的核心課程，在人才培養方面發揮著至關重要的作用。為了培養學生的綜合能力和科研素質，課程實驗內容設計了大型精密儀器測試分析相關的實驗項目，包括：紅外光譜測試技術與圖譜解析、紫外/可見/近紅外分光光度計定量測試方法、X射線衍射實驗、掃描電鏡樣品制備與形貌觀察、透射電鏡樣品制備及測試技術等。但由于以上項目設計的大型儀器設備存在價格昂貴、操作相對復雜、臺套數有限等諸多問題，使其實驗教學環節受到較多制約，學生動手操作的機會很少，難以滿足工程教育對于本科實驗教學的要求。

1 《材料分析方法》實驗教學中面臨的問題

在傳統教學方法中，大型精密儀器的實驗教學環節主要為演示實驗，為了保證儀器設備的“安全”，教學內容、教學過程和考核點等的設置都收到很大的限制，學生學習印象不深，實驗教學難以達到預期效果。具體來說，以《材料分析方法》為代表的這類課程，實驗教學中主要存在以下幾個問題。

1.1 實驗受儀器、時間和空間限制

近年來隨著一流學科建設進程的推薦，我校、我院大型精密儀器的數量逐年增加，但該類設備一般都存在價格昂貴，維修費用高等特點，無法實現多臺套的教學需要，而面對我院每年將近200名的本科生，儀器設備明顯不足，因此在過去傳統的本科實驗教學中，主要以演示實驗為主，學生參與動手的機會很少，部分學生甚至無法看清實驗過程，難以達到實驗教學目的[1-2]；此外，大型精密儀器所涉及的原理知識比較抽象，且部分儀器操作過程比較復雜，需要學生投入較多的時間去反復學習和操練，而受儀器資源限制，因此最后不得不犧牲實驗學時數。在以往傳統的教學中，學生課前對相關知識理解不深，在課堂上更難以接受復雜的儀器操作和分析方法，而這類實驗課程又難以為學生創造反復操練的機會，導致實驗教學效果非常有限。

1.2 實驗內容和考核點設置受限

傳統實驗教學中，為了保證設備的正常運行，在實驗內容的設置上，教師根據自己的經驗設置正確的儀器參數及程序，選擇理想的樣品，或教師演示實驗，或要求學生在設定的參數條件下進行操作[3]，按部就班地完成實驗，最終實驗結果是得到正常的、理想的數據。雖然保證了實驗成功率，保障了設備安全，但無法體現數據多樣性，因此學生無法體驗參數設置偏差、樣品制備不理想、測試數據效果不好等結果，更無從理解和分析偏差原因。因此實驗課上學生收獲甚微。這大大違背了當前“以學生為中心”的教育理念。

1.3 部分實驗成本高、能耗大，存在安全隱患

大型儀器設備一般會涉及水、電、氣，部分還包括大量有毒有害化學藥品，甚至易燃易爆危險氣體的使用等。如果將其在本科教學中直接使用，勢必存在較大的安全隱患，包括實驗室安全、設備安全、人員安全等方面，無法保障實驗教學的正常開展；此外，部分實驗項目需消耗大量有害溶劑或實驗耗材，使實驗成本高或造成環境污染等。

2 解決途徑-慕課建設與虛擬仿真技術結合

近年來，網絡及信息技術的快速發展及其在實驗教學中的逐步應用，為我們改革實驗教學方法提供了一些啟發和思路。其中，自2012年以來在世界范圍迅速興起的慕課，就是互聯網和高等教育結合的產物。慕課教學模式打破了教育的時空界限，顛覆了傳統大學課堂教與學的方式[4]，將各高校課程資源與世界各地的學者分享，實現在線學術交流與討論學習[5]。但遺憾的是，目前已有的慕課教學主要應用于理論課，在實驗實踐教學中應用的例子極少。我院已建成的《材料物理性能與結構表征實驗》慕課作為福建省實驗類省級精品在線開放課程，就很好的利用了慕課教學的優勢和作用，將原本復雜的操作、抽象的原理以教學視頻的形式展示給學生，學生可以實現在線預習、反復觀看視頻進行學習[6]，直到看懂、看清操作過程為止。可以說，《材料分析方法》實驗慕課資源的建設為學生提供了清晰、豐富的教學資源，同時使學習時間和學習方式更加靈活，提高了學生學習的主觀能動性。

實驗慕課建設解決了學生課堂學習效果不好的問題，但學生在實際操作環節中存在的問題仍無法解決，而虛擬仿真實驗項目的建設則可以有效克服實體實驗中存在的上述問題[7]，利用其高效率、綠色環保、直觀、安全、不受時間和空間限制等特點[8]，允許學生嘗試設置不同參數、不同實驗條件、不同樣品等對結果產生的影響，及實現數據的多樣化。學生可比較并優化實驗條件，同時對較抽象的材料微觀結構、儀器工作原理、運行狀態等有更直觀的認識和理解，實現實體實驗教學和慕課教學無法滿足的教學目標[9]。在虛擬仿真與慕課相結合的背景下，《材料分析方法》實驗教學采用全新的教學模式(圖1)，將“線上慕課預習+虛擬仿真實驗”與“線下課堂指導+實際操作”相結合，虛實結合[10-11]，即將傳統的預習過程和實驗演示過程轉移到線上進行，通過視頻微課程講解實驗相關原理、演示實驗過程、闡述實驗注意事項；線上虛擬仿真實驗為學生提供實際操作演練平臺，學生還可反復嘗試和設置不同的實驗參數，體驗不同的實驗結果，從而對操作過程留下深刻印象，通過平臺的答疑室，學生還可隨時與指導教師在線交流。

借助慕課平臺與虛擬仿真技術，一個完整的學習流程可描述為：學生利用慕課系統進行在線預習，了解基本原理、學習操作過程和注意事項，并結合虛擬仿真平臺進行操作練習，直到通過操作考核。在此基礎上在線提交預習報告，寫明實驗材料和實驗步驟，設計實驗方案和關鍵實驗參數等；經指導教師審核通過，學生進入實驗室，分組完成實驗操作，最終得到所需測試數據；課后學生根據預習內容，結合自行查閱文獻對數據進行分析，最后完成實驗報告。教學過程強調以學生為主導，教師只在關鍵節點和發現問題時予以指導。充分體現以學生為中心的教學理念，將“學”的主動性交給學生[12]，有助于提高學生思考問題和解決問題的能力，培養創新意識。在學習過程中設置師生交流在線答疑環節，這對于提高學生的滿意度和學習積極性也很有幫助[13]。

圖1 線上線下結合、虛擬仿真與慕課結合的實驗教學模式

3 教學體系構建要點

3.1 制作理論與實驗操作指導兼具的實驗教學視頻

將每個實驗項目分步制作成2～4個微視頻，每個微視頻時間控制在15～20分鐘，內容包括實驗相關原理、實驗目的、儀器結構及原理、儀器操作方法及注意事項、數據處理及分析等[14]。操作視頻中將實體實驗中難以向學生清晰展示的關鍵部分以特寫鏡頭展示(見圖2)，并引導學生通過改變實驗條件，獲得更優的實驗結果。此外將重要的注意事項醒目地提示，在教學視頻中，根據視頻講述內容及時提出問題，督促學生帶著問題去學習，通過實驗尋求解決方法，徹底改變了以往實驗課上學生被動學習的狀態。除視頻資源外，還設置課后作業和測驗題，供學生鞏固所學知識。

在實現上述功能的基礎上，我院《材料分析方法》實驗慕課還通過慕課平臺與微信的關聯，在平臺增加微信提供課程進度功能，使學生及時了解課程內容及課后作業、測驗題等的發布時間安排。此外還設置了討論區，便于學生與教師、學生與學生之間就課程內容進行深入交流、討論。

圖2 慕課截圖-掃描電鏡樣品室內部結構

需要注意的是，相比傳統教學方法，慕課將大量的知識濃縮在一段段的短視頻中，這些視頻作為學生實驗操作的“指南”，需要做到準確、全面。由于該課程實驗項目中涉及精密貴重儀器設備，因此視頻中必須講明重要的注意事項。

3.2 虛擬仿真實驗設計

利用虛擬仿真技術，將大型精密儀器操作部分、高危、高能耗、涉及有毒有害藥品的實驗操作部分制作成虛擬仿真實驗。通過在模擬的三維空間中設計人機交互操作，實現物理世界與虛擬世界的無縫交融[15]，其內容強調交互操作，給學生較多的動手操作和學習機會，便于學生在虛擬環境中多次嘗試，反復練習。虛擬仿真系統設置學習模式和考核模式兩種類型。其中學習模式引導學生按實驗流程一步步完成參數設置、實驗操作、數據處理分析等，并在適當節點出現操作相關思考題，以引導學生通過查閱相關資料、回放慕課內容來解答問題；考核模式則根據考核內容及安全操作要求等，設計并寫入不同實驗參數下的實驗結果，即實現實驗數據的多樣化，如當設置或選擇不同參數時出現的正確結果、錯誤結果，設置為操作過程的選擇題或填空題，當學生做出選擇后，系統評判正確與否，并進行答案及相關知識點解析(見圖3)；此外，從安全角度考慮，還設計了當實驗參數設置不合理，導致實驗者受傷、儀器故障等后果，如操作者被燙傷、燒傷、中毒等的動畫效果，將這些實體實驗無法實現的結果和效果，通過虛擬仿真動畫直觀地展示出來。通過以上多樣化數據和動畫效果的展示，使學生加深印象，了解正確的操作方法，明確參數設置依據，并提高了安全意識。

圖3 虛擬仿真實驗項目操作中的題目及答案解析

3.3 合理設置考核方式

結合新型實驗教學模式，將實驗報告內容及考核方式[16]進行了全面更新。考核分為線上、線下兩部分，線上考核包括預習報告和虛擬操作，預習報告中要求學生能正確寫出實驗操作步驟，正確設計實驗參數，并寫明實驗可能存在的問題和關鍵注意事項，通過以上內容考察學生對相關知識的理解程度和對項目的掌握程度；操作考核成績則根據學生在虛擬仿真平臺的考核模式中操作是否熟練，能否正確選擇實驗材料及用具、正確選擇表征設備、正確回答操作相關題目等，由虛擬仿真系統給出。線下考核內容包括實際操作和實驗報告兩部分，實際操作中，指導老師根據學生操作的熟練程度和對問題的解決情況進行評價；實驗報告包括正確回答慕課平臺中的理論部分相關問題，以及虛擬仿真平臺中操作部分相關問題，并就實際操作所得數據結果，正確進行數據處理，并結合參考文獻正確分析數據。

3.4 課外活動拓展

除了基本知識和方法的講授外，通過在線上設置實驗項目相關知識點考題，并結合學科前沿，設置包含多個項目知識點的綜合類試題，為學有余力的學生提供繼續提升的平臺。設置答題闖關游戲、答題金幣等趣味活動，提升學生學習興趣，作為課堂教學活動的有效延伸。線下設立課外科研拓展班，為基礎扎實、對科研有濃厚興趣的學生提供訓練科研能力的平臺。科研拓展班以限制名額的方式，優勝劣汰，學生在教師的引導下，提出具有科研價值或開發背景的課題，到教師的研究室或實驗室進行實驗研究，盡早了解科學研究的思路和方法。這種模式使學生直接介入學科前沿，利于培養學生的實踐能力和科研素養。

4 教學秩序和教學質量保障

為了保障新型教學模式下的實驗教學秩序，保證教學質量達到預期目標，主要措施有：(1)課程團隊組織方面，實驗教學中心在教學副院長的帶領下負責實施教學工作。各課程負責教師承擔實驗大綱和指導書的制定和校對工作，并結合教學反饋定期進行必要的修訂；專職實驗技術人員除負責線下指導外，在教學過程中還定期通過線上、線下途徑收集學生關于慕課和虛擬仿真教學資源的反饋意見，并根據需要及時進行更新。團隊成員各司其職，互助合作，保證教學過程有序進行；(2)成立院內實驗教學督導組，對實驗課程教學質量不定時檢查與評估，包括課程實施過程及實施結果等，并將檢查結果及時反饋給課程組。

5 結 語

綜上所述，將虛擬仿真與慕課相結合，互促互補，通過線上、線下的學習和實際操作，通過教學資源的巧妙設置和合理利用，能夠開發出更多的實驗教學資源，向學生呈現更加豐富、全面的知識內容，提供全方位的知識體系，激發學生對實驗課程的興趣和學習主動性，為提高實驗教學質量、提高大型精密儀器利用率[17]提供了全新的方法和思路。