有僑校特色的交互式實驗教學信息化平臺構建和實踐

周艷暉，張珠寶，周美云，謝新媛，孟苗，孟建新，李丹

暨南大學化學與材料學院，廣州 510632

信息技術的進步帶來新技術、新模式的探索和涌現，推動了教育理念更新、模式變革、體系重構。2018年教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》，是推進“互聯網+教育”的具體實施計劃[1]。在一流本科專業建設和一流本科課程的“雙萬計劃”“雙一流”建設的背景下，教育信息化2.0帶來一系列機遇和挑戰，成為促進高等教育發展的重要抓手。

化學是理論與實驗并重的學科，化學實驗教學是全面實施化學教育的重要組成部分。相較于理論教學，實驗教學的信息化建設更復雜，難度更大。暨南大學作為中國最高華僑學府，始終堅持“宏教澤而系僑情”的辦學宗旨，堅持面向海外、面向港澳臺地區培養人才[2]，因其既有內地生又有境外學生的特殊性，加之地處粵港澳大灣區辦學的地緣、人緣優勢，借助化學實驗教學信息化手段，既是全面提升教學質量、培養學生綜合素質的需要，也能更好地結合校情，充分滿足境內外學生的發展需求。

以教育部、教育廳相關文件精神為指導，我們依托化學與材料學院教學實驗中心平臺，圍繞僑校和粵港澳大灣區建設，注重特色，以學生的需求和視角為主導，在實驗室管理、實驗室安全、實驗課程以及“互聯網+教育”交互式實驗教學方面，對化學類實驗課程開展全方位、多維度、多層次的信息化構建和探索。

1 實驗教學信息化體系的構建思路

化學與材料學院實驗中心面向學校化學與材料學院、理工學院、醫學院、藥學院、生命科學技術學院以及國際學院47個專業開設各層次化學本科實驗課程，每年選課學生3400多人，總人時數近14萬。

從學生反映的問題來看，傳統化學實驗教學存在如下的問題：1) 實驗前預習效果不佳。預習缺乏材料，缺乏指導，所涉及的實驗原理、實驗步驟、儀器操作枯燥抽象，難以調動學生主動學習的積極性；2) 學生缺少風險防范意識。主要是課前和實驗過程中獲取的安全知識信息量不夠，不足以引起重視；3) 實驗過程操作不規范，實驗結果誤差較大；4) 實驗結束后，缺少在教師引導下的反思提煉和總結，不利于學生科學思維能力提升。此外，由于境內外學生存在文化、社會和教育背景的差異，對學生的學習風格產生不同的影響，兩類學生在信息加工、理解方面存在差異。外招生偏于活躍和綜合型，而內招生偏于沉思與序列型，而兩類學生在信息感知和輸入方面沒有顯著差異，都偏于感悟型與視覺型[3]。

為了解決上述問題，我們建立了如圖1所示的化學實驗教學信息化體系架構。

圖1 化學實驗教學信息化體系架構圖

2 實驗教學信息化體系的組成、特色和作用

2.1 實驗室管理信息化：全方位，微細節

化學實驗室是提供化學實驗條件及進行科學探究的重要場所，其內有大量的儀器、試劑、種類繁多的實驗設備以及各種實驗室管理文檔。為適應內地生和港澳臺僑學生不同的學習風格，針對沖動型學生缺乏精確性和細致性，沉思型學生缺乏主動性、速度慢的特點，實驗室管理信息庫的構建內容上突出“全”，表現形式突出“微”，注重細節，中心構建的實驗室管理信息庫由秒懂儀器、儀器使用、管理文檔、試劑臺賬和實驗室百科五部分組成，其中“儀器使用”旨在實現小型儀器設備使用自主化，大型儀器設備使用便利化；“秒懂儀器”是有關儀器方面知識的簡短介紹，“秒懂儀器”和“實驗室百科”主要來源于百度百科，以1分鐘左右的短視頻方式呈現，生動有趣、簡單易懂，讓復雜的知識更直觀，提升信息獲取的效率。

二維碼技術的應用可以為實驗操作提供詳細的信息快捷搜索途徑，將實驗室與教學有關的一切要素進行使用和管理信息化[4]。我們以二維碼為橋梁，把學生和實驗教學環境跨越時空緊密聯系起來，通過掃描二維碼，學生可隨時隨地查詢更詳細的應用信息，有效規避了由于不當操作造成的事故和儀器損壞，提高實驗操作的效率。由于在對知識的收集輸入方面，內地生和境外生都偏好于視覺型，通過二維碼將傳統抽象的單一文字描述說明通過圖片、微視頻等多種表達形式生動地展現在學生面前，緊緊抓住學生的眼球，提升學生的參與度、體驗感和資源粘合度。同時利用二維碼收集數據，具有簽到、物品領用以及設備巡檢等功能，學生可以完成課堂考勤，及時與實驗室管理人員互動，完成對儀器清點、借用和損壞等相關情況的報備，實現教學實驗室高效、良性運轉，管理人員不用更換二維碼，就可以隨時更新內容，省時、省力、高效、綠色環保(圖2)。此外，將實驗室所涉及的儀器知識和實驗知識通過篩選網上優質資源和自已制作相結合的方式，通過張貼在實驗室中的小視頻二維碼，便于學生進行快速學習(見圖3中秒懂儀器)。

圖2 實驗內容、儀器清單和學生課堂考勤二維碼

為方便境外生，實驗室管理信息化建設除了注重細節外，還注重雙語建設。例如在制作核磁共振儀操作視頻和維護及常見故障處理系列資源庫時，提供中英文講解字幕(見圖3)，并附有儀器使用狀況和報修的交互功能，便利了大型儀器的操作使用和管理。

圖3 秒懂儀器和核磁共振儀的使用雙語微課視頻及二維碼

實驗室管理信息化的推廣，增強了學生自主學習的積極性。在2020年學院舉行的“140名本科‘萌新’走進學院實驗室”活動中，這些實驗室管理信息化的使用受到了新生們的歡迎，激發了學生們的學習興趣[5]。

2.2 實驗室安全信息化：人為本，防在先

化學實驗室化學試劑種類復雜、操作危險性大，儀器設備多，實驗室人數多，安全風險大，規避風險的最好辦法就是加強教育和防范，尤其對于知覺和思維方式偏于沖動型的外招生來說，更是要注意防范，實驗室安全信息化資源庫的構建，突出“預防在先”，其組成包括警戒線、警鐘長鳴、風險評估、廢棄物處置和安全百科五部分，警戒線為每個實驗項目小單元的實驗注意事項，包括儀器、試劑、實驗操作等一切實驗課安全要素；風險評估是學生對即將開展的實驗項目進行風險評估，其內容涉及實驗中所用的化學品、用電設備、操作過程以及消防做相應的風險分析和評估，并制定對應的應急預案；廢棄物處置則是對實驗課中所涉及到的腐蝕性、易燃性和毒害性化學廢棄物的正確處置方法；警鐘長鳴則是一系列安全案例短視頻。

以安全資料數據庫中的安全知識為出發點，從多種渠道收集、精心制作編輯各種安全知識短視頻(圖4)，并逐步成為一個完整的可視化的雙語安全知識庫。信息化的安全資源庫的建立，成為教師指導學生順利完成實驗課程、畢業論文等各項教學活動的一個強有力的輔助工具庫，為平安化學提供了堅實的保障，學生也獲得了一種更加便捷且生動有趣的學習方式。

圖4 安全知識短視頻二維碼

當前高校許多安全事故的發生，其主要原因還是對實驗安全性不夠清楚，沒有提前做好各項應對措施[6,7]。借鑒香港科技大學的安全管理模式，我們設計了實驗項目風險評估的二維碼(圖 5)，在實驗前推送給學生，要求學生對實驗中所涉及的化學品、用電設備、操作過程以及消防做相應的風險分析和評估，以此來督促學生對實驗過程中可能出現的安全風險做出預判，并設定對應的應急預案，最后提交風險性評估報告，經過審核通過才能進入實驗室開展實驗，提交情況在線上可以一目了然呈現出來(圖6)，方便實驗教師在課前統計和批改，并獲得學生對安全風險的掌握情況，有利于教師在課堂上的查漏補缺。風險性評估報告的完成不受時間、地點的限制，有利于學生將平時不可利用的時間充分利用起來，整個過程無紙化也更加綠色環保。為了滿足國際化辦學的需要，風險性評估報告也有中英文兩種版本供學生自己選擇。

圖5 中英文版本的實驗項目安全風險性評估報告二維碼

圖6 學生提交風險評估報告的界面截圖及部分報告內容

2.3 課程信息化：厚基礎、求創新

暨南大學重視自身僑校國際化優勢，探索內、外招生多元培養機制[8]。針對港澳臺僑學生個性獨立、視野開闊、思維活躍、創新意識和實踐能力較強等特點，并根據境外生入學時實驗技能參差不齊的現狀和其知識能力需求，在實驗課程信息化資源庫構建時，突出了“厚基礎”和“求創新”的特點，課程信息化資源庫由規范化操作、電子講義、實驗課微課、虛擬仿真和智高點五部分構成，其中智高點收集了本學院的最新研究成果和國內外科學前沿信息以及粵港澳大灣區發展的最新動態，實現國際與本土的交融。

采用雙語微課的形式對規范操作進行信息化建設，將復雜操作和說明直觀化，建立其零存整取式的口袋中的教學素材資源庫，由于學生可以反復觀看這些實驗操作，不僅掌握了專業英語，且不斷強化了學生的實驗技能，規范了學生的實驗操作。以分析化學實驗課程為例，我們根據學生需求構建了實驗操作視頻庫(附有英文字幕) (圖7)，圖7中顯示了我們自已制作的“分析天平的使用”的短視頻，通過掃描二維碼，學生能自主清晰地進行規范化使用學習。這些視頻庫近兩年在我校化工、食品、環境等專業的分析化學實驗教學中進行運用，取得了明顯的效果。通過將實驗規范操作內容碎片化，并通過改編的電子講義的超鏈接功能，使學生在預習時通過簡單的點擊就可以全面和方便地找到本實驗需要預習的操作規范內容。極大地提高了學生預習的針對性和效率。從實驗完成情況看，學生操作的規范性有明顯提高，達到了預期目的[9]。這些視頻庫在今年疫情期間進行線上實驗課教學時，也發揮了積極作用。

圖7 實驗操作視頻庫及分析天平的規范化操作視頻及二維碼

由于各個高校購買實驗儀器存在差異性，且實驗項目的內容設置方面也各有不同，加上本校理工科均有內外招生生源的特殊性，因此，我們結合本校的化學實驗開設情況，圍繞課程具體實驗項目信息化建設的宗旨，在繼承紙質版實驗教材的優點、保留其經典教學內容的基礎上，進行了教材信息化、可視化、廣度化、雙語的改造和創新，形成特色的開放式電子教材(講義)，努力提升港澳臺僑學生的知識儲備。

課程電子教材(講義) (中英雙語版)中每個實驗項目主要圍繞實驗目的、原理簡介、實驗內容重點難點、注意事項、課后習題等內容進行篩選、系統設計和圖文并茂的雙語編寫，在此基礎上結合二維碼技術進行了以下幾方面創新：1) 安全教育：引入實驗相關的實驗安全和環保的文本、圖片或者視頻等的鏈接；2) 操作演示：引入實驗規范操作的雙語微課；3) 關鍵現象：引入實驗的關鍵現象的圖片、視頻、動畫等鏈接；4) 疑難解析：引入疑難解析的鏈接；5) 知識拓展：引入實驗相關的虛擬仿真實驗和科研前沿新知識、概念介紹、名人簡介和特色成果等鏈接。通過上述動靜結合的方式，將傳統的紙質版實驗教材建設成信息化、可視化的雙語動態教材。如無機化學實驗中的“納米硒的制備”創新實驗的講義[10,11]，通過講義中簡明扼要的文字描述以及增加的熒光分光光度儀等操作演示、實驗中的疑難解析、納米硒前沿和學院特色成果的知識拓展等二維碼鏈接，更能貼切滿足學生知識定制化的學習需求，體現學校“一主多元，學術先導”的文化育人思路，有利于學生創新能力的培養。

3 交互式實驗教學信息平臺，實現教、管、學線上、線下的良好互動

微信公眾平臺通過發布文字、圖片、語音、視頻等內容來傳遞各種信息，非常適合用于構建一種互動教學模式，提升教學的針對性和交互性[12]。針對內招生和港澳臺僑學生不同的學習風格，我們通過微信平臺將實驗室管理、教學實驗室安全和課程的資源信息庫有機結合起來，將信息化技術與實驗課堂教學深度融合，以發揮其能力和素質導向型教學作用為目標，提高了教學效率，培養了學生信息化思維以及信息整合能力，同時根據課程內容，適時推送相關數據庫的信息，拓展學生的視野，大力推進了學生創新能力的培養，實現授課教師、實驗教師、學生之間的良好互動。

2017年起，我們先后建起了分析化學和儀器分析兩個實驗微信公眾平臺(圖 8)，分析化學微信公眾平臺由基本信息、實驗講義和操作規范三部分組成[9]，在使用中，不斷完善、推陳出新。

圖8 分析化學和儀器分析實驗課的微信公眾平臺

課前，通過公眾平臺的基本信息和推送實驗室管理信息庫中的實驗室百科和秒懂儀器的趣味小視頻，使學生在短時間內對于實驗用到的知識有所了解，激發學生的學習欲望，然后再推送相關的實驗規范操作的微課、電子教材，使學生能夠自主地進入實驗課預習。隨后，我們推出實驗課程的禁界線(實驗注意事項)和警鐘長鳴小視頻，以提高學生的安全意識。在學生對實驗有所了解后，進行實驗室風險評估二維碼的推送，學生只有完成了實驗前風險評估才被允許進入實驗室。

課中，學生由于前期預習中已經較好地掌握了實驗內容，教師可以縮短講解時間，大部分時間由學生獨立操作，在實驗中遇到不懂的操作時，通過發布在微信平臺、或貼于儀器上的二維碼，學生可以自主學習，教師由知識的傳授者變成學生學習的引導者。實驗過程中，實驗管理者可以將實驗室管理規則發布在平臺上，提醒學生注意遵守，并發布針對課程產生的化學廢液的相關處理知識，培養學生的環保意識和實驗室安全文化，學生則可以隨時將實驗儀器、試劑等問題向實驗管理者反饋，將實驗中出現的異常現象發到微信公眾平臺，師生一起交流討論，從而找出解決問題的方案，在實驗即將結束時，實驗管理者巡視實驗室的廢液、衛生和實驗室環境，把出現的問題發布在群里，督促學生即時整改。

課后，學生進行數據處理，對實驗進行總結和反思，教師將報告中出現的問題發布到微信公眾平臺上，提醒學生在后續的實驗中注意，從課程信息庫的智高點中選取相關知識，作為學生更深層次的拓展學習，從而引導學生的認知以點成線、成面、由淺入深，螺旋式上升，實踐了“興趣培養–思維開發–自主協作學習”分層教學模式和“實驗室安全–基礎技能–綜合應用–探索創新”梯度式實踐教學體系的融合，實現教、管、學，線上、線下的良好互動。

利用微信公眾平臺輔助實驗教學的改革方式已在近兩年我校應化、化工、材料、食品，環境等專業的分析化學實驗和儀器分析實驗課程教學中進行運用，取得了明顯的效果。

4 小結與展望

通過對化學類實驗課程進行的全方位、多維度、多層次的系統信息化構建，重塑了實驗課堂教學流程，探索出一套具有僑校特色的交互式實驗教學信息化系統，在圍繞以學生為中心開展的一系列實驗教學信息化建設中，涌現出一些新思路、新方法、好作品。但也存在不足，實驗教學團隊信息技術的綜合運用能力還有待進一步提升，實驗室信息化設備還需要完善。隨著5G高速率、低時延及大連接的全新時代的到來，高教信息化建設將進入全新階段，會面臨新的變革和挑戰，我們有信心迎難而上。