基于虛擬仿真技術的儀器分析實驗課程改革探究
——以高效液相色譜法測定綠茶飲料中咖啡因的含量實驗為例

岳 陽，李瑞歌，謝黎霞，曹占奇，吳璐璐

(河南農業大學 理學院，河南 鄭州 450002)

為了解決社會發展而帶來的高技術人才缺口，教育部提出了建設“新工科、新農科”的要求，以培養具有強實踐能力、高創新意識、高綜合素質的人才[1]。儀器分析實驗作為農、林、牧、醫、化學、材料等專業的基礎課程，不僅可以讓學生梳理、鞏固、理解和深化已學的儀器分析知識，更是一門實踐課程，用于培養學生的動手能力、以及分析和解決實際問題的能力[2-3]。然而，受限于傳統的教學模式，常規的儀器分析實驗課程仍無法完全達到綜合素質人才的培養要求。因此，在現有的教學大綱的內容指導下，積極探究培養應用型人才的新方法，克服目前實驗教學中的不足，是儀器分析實驗改革的重難點。基于以上考慮，我校緊跟科技發展，將高效液相色譜實驗與虛擬仿真技術結合，運用于實踐教學中。針對此種教學模式，我們探究了較為完善的教學方法以及教學評價機制。

1 虛擬仿真實驗教學方法和評價改革的必要性

高效液相色譜不受待測物質的揮發性、熱穩定性、及相對分子質量的限制，具有檢測速度快、靈敏度高等優勢，在食品分析、環境分析、生命科學、藥物分析中有著廣泛的應用。但是，在傳統的實驗教學過程中，受實驗場地、師生比例、經費投入等問題的限制，很多學校主要采取的是小組教學或小班教學的模式。在這種情況下，一個老師要面對5-8個學生，一般只能采取講授型教學方式。教學過程一般包括課前預習、課堂講授和演示、及學生重復操作。在實際的操作過程中，由于實驗條件有限，學生往往很難完整、獨立地進行實驗操作。本來最容易激發學生學習興趣的實踐內容，也成為了枯燥無味的機械操作，并不能充分調動學生的積極性。并且，這種模式的成績評價往往是以實驗報告、實驗考試等終結性評價為主，無法真實反映學生在實驗過程中的學習態度、動手能力等因素，教師也不能充分地掌握學生的學習情況。明顯地，這種培養方式不利于學生的實踐能力和創新精神的培養。

隨著技術的發展，虛擬仿真技術以其獨有的優勢進入到人們的學習和生活中。在計算機軟件的輔助下，虛擬仿真技術可以模擬出在感官上真實的儀器圖像、實驗室環境、甚至是實驗步驟，具有交互性、沉浸性、逼真性、全程可控性等特點[4]。這一技術不僅可以用來解決大型實驗設備實驗教學中遇到的高成本、難重復、不易掌握等問題，更是打破了原有的文字、圖片、視頻等平面化感官教學模式，以其獨有的交互特性，使學生更容易地沉浸在課程學習中[5-6]。因此，虛擬仿真技術輔助教學更有利于實現啟發式、互動式的教學方法和合理的綜合評價機制，最大限度地調動學生的積極性與主動性，完成高質量的實驗教學。

2 改革教學模式，培養自主創新能力

以成果為導向的教育理念轉換了傳統教學過程中教師和學生的主體地位。這種理念以學生為中心，以學習成果為導向，強調合作學習，可以有效地激發學生學習的積極性與主動性[7-8]。虛擬仿真技術的引入有利于這種教學方式的開展，但需對常規的教學模式進行改進。

2.1 課前預習

在實驗開始前，借助軟件中儲備的圖片、視頻等資料，幫助學生拓展、了解高效液相色譜法測定綠茶飲料中咖啡因的含量實驗的相關知識，如高效液相色譜的原理及應用實例、咖啡因的性質及危害、使用高效液相色譜的注意事項、軟件的操作說明等內容。然后，以小組為單位，完成預習知識問答。通過問題引導等方式，啟發學生有目標地學習。這種課前預習模式強化了知識間的聯系，促進了知識體系的構筑，提升了學生的知識轉化能力。另外，小組內的合作共享也培養了學生的協作能力。

2.2 課堂認知

2.2.1 儀器組成及原理介紹

進入課堂后，對預習過程中，收集學生遇到的問題并進行答疑。教師首先對預習知識進行梳理和總結，并通過思維導圖，引導學生建立預習知識與本節課程內容之間的聯系，激發學生對本實驗項目設計的思考。例如，對預習知識中提供的高效液相色譜法測定瓜果蔬菜中的葫蘆素實驗，梳理實驗流程，并引導學生以類比法對本實驗進行設計，加強學生對知識的類比轉化能力，激發學生的創新、實踐等綜合素質。隨后，學生在一人一機的實驗條件下，使用軟件進行自主的探究性學習。根據教學大綱的要求，軟件內合理安排了實驗目的、實驗原理、實驗方法、實驗儀器認知、實驗步驟等內容。不同于傳統的實驗教學，每個學生都可以通過真實模擬的實驗場景，清楚地觀察到儀器的內部結構及運行方式，使學生更容易地加深對過程機理的理解。而且，每個學生可根據自身的掌握情況在虛擬仿真平臺上合理地安排學習進度，進行有序、自主的學習。

2.2.2 實驗操作

“高效液相色譜法測定綠茶飲料中咖啡因的含量”實驗的操作分為練習模式和考核模式兩種。首先，在練習模式下，學生可以軟件右上角的提示窗口實時判斷本操作是否正確，對于復雜、易錯的實驗步驟和原理可進行反復的操作，如反復進行標準曲線的設計。這種自主的探索在潛移默化中加強了學生對于復雜、枯燥的實驗內容的記憶，更容易激發和保持學生的學習興趣。如果對實驗步驟原理有疑問，學生可以通過實驗軟件進行提問，老師實時進行一一答疑。在練習模式下掌握了實驗內容之后，可直接進行考核。在考核模式下，教師根據教學重、難點設置步驟賦分(如標準溶液的配置、樣品的處理、二氧化碳的消除方法、流動相的選取、檢測波長的設定等)，實現對重難點的重點考察。學生完成考核后，教師能夠通過后臺程序快速獲取教學效果，然后對還未掌握部分進行綜合答疑輔導，即時掌握課堂反饋，把握課程進度，形成良性互動。

2.2.3 課后總結

為了不使學習的內容只留于表面，學生要認真完成實驗報告的撰寫。這不僅是對已學習知識的鞏固，對實驗中所遇問題的總結，也能夠為以后在進行的實體實驗操作課程打下堅實基礎。

3 改變傳統的考核標準、構建綜合評價體系

教學評價是對師生的教與學進行的量化評估，是教育過程中的重要環節[9-10]。傳統的實驗成績判定是由教師主要針對實驗報告中的數據處理及結果的分析討論而進行的，不能涵蓋學生真實的學習態度、理論水平及實踐技能等多層面的綜合素質。因此，必須開發更為合理的評價機制。

3.1 多元評價體系

軟件平臺實現了多元的評價模式，能夠讓學生在教師的引導下積極地參與評價活動，避免傳統的教師“一言堂”評分模式，增強了學生的參與熱情和積極性。

小組同學互評。在預習階段，小組內部成員對預設的知識內容和參與程度進行學生互評。這種模式既可以使小組成員相互監督學習進展，形成良好的學習習慣，又促進了學生之間的交流與合作。同時，這種方式也能夠使學生發現自己在知識儲備上的不足，明確學習方向。

學生自評。在操作過程中，學生通過軟件界面可以實時看到自己的操作評分。這有助于學生發現自己存在的不足，并進行及時的更正和查漏補缺。

教師評價主體。在調動學習積極性的同時，為確保學生學習成績與學習效果一致，教師應監督每個階段的成績，給與合理的分數賦值，做到公正合理給予評價。因此，教師的評價主體不能改變。

3.2 多種評價方式結合

虛擬仿真技術將傳統的只依靠實驗報告的終結性評價，轉變為綜合評價方式(如圖1所示)。這種綜合評價模式既注重過程性的形成性評價，又注重結果的終結性評價。在進行形成性評價的過程中，采用學生自主學習與效果檢測并重的方式。教師可以通過后臺軟件收集到學生掌握情況，有效地實現教師對學生學習過程的全參與，確保了實驗成績的真實合理。最后，結合學生撰寫的實驗報告，鞏固學習成果、檢驗學習效果，并進行終結性評價。

圖1 綜合評價方式

4 結論

在實際課堂教學中，通過將啟發式、互動式等教學方法和綜合性評價引入到儀器分析的虛擬仿真實驗課程中，實現了教師與學生在整個教學和評價過程中的全參與。一方面，提升了學生參與性與主動性，有助于幫助學生養成良好的學習習慣，激發學生的學習興趣；另一方面，通過以評促教的模式，可以及時發現教學過程中存在問題，進一步提升教學效果，為培養素質化人才提供了一種新的實踐模式。