基于微課和虛擬仿真實驗平臺的翻轉(zhuǎn)課堂在儀器分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索

張偉 宋懷慶

1.西南科技大學(xué)分析測試中心 四川綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010

儀器分析是采用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)化學(xué)組成、成分含量及其化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類分析方法。儀器分析課程是全國普通高等院校化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，具有十分重要的地位。課程的目標(biāo)是通過理論與實踐的教學(xué)過程，重點培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)分析方法和儀器解決生產(chǎn)實際和科學(xué)研究中遇到問題的能力。儀器分析實驗作為儀器分析課程的重要組成部分，可以通過全面系統(tǒng)、規(guī)范化的實踐操作加深學(xué)生對各類儀器分析方法基礎(chǔ)理論知識的理解，在學(xué)生掌握儀器分析的實驗操作技能、正確記錄并處理實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、實事求是的科研態(tài)度，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新意識，有利于更好地適應(yīng)社會發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求。

1 儀器分析實驗教學(xué)中存在的問題

目前，儀器分析實驗教學(xué)中主要存在以下幾方面的問題：(1)教學(xué)模式單一。儀器分析實驗課的教學(xué)多以“教師講解+演示、學(xué)生觀摩+驗證”的形式為主。進(jìn)入實驗室后，一般先由教師講解儀器基本原理、構(gòu)造和基本操作規(guī)程等，然后演示既定的實驗操作。整個實驗課中，學(xué)生自主操作儀器的機會偏少，實驗結(jié)束后很難真正掌握儀器實操過程中的關(guān)鍵知識點和基本技能。(2)教學(xué)內(nèi)容陳舊。目前，多數(shù)學(xué)校的儀器分析實驗課都是依附其理論課完成，各章節(jié)實驗之間缺乏內(nèi)在聯(lián)系，內(nèi)容重復(fù)、陳舊，且脫離生產(chǎn)、生活實際。教師設(shè)計的實驗也多以驗證性實驗為主。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺少自己獨立的創(chuàng)新和思考，缺少團(tuán)隊之間的協(xié)作。(3)知識內(nèi)化效果差。對于學(xué)生來說，實驗開始前需要實驗預(yù)習(xí)，實驗結(jié)束后需要提交實驗報告。目前的教學(xué)模式下，大部分學(xué)生只是通過照書本簡單抄寫實驗?zāi)康摹嶒炘砗蛯嶒灢襟E完成實驗預(yù)習(xí)工作，沒有融入理論課的基礎(chǔ)知識，預(yù)習(xí)效果較差。在完成實驗報告環(huán)節(jié)，學(xué)生套用模板和公式，這種情況下完成的實驗報告基本是千篇一律，毫無創(chuàng)新。實驗做完了，學(xué)生卻不能熟練掌握儀器的基本原理、構(gòu)造和操作規(guī)程，乃至對數(shù)據(jù)處理也一竅不通，知識內(nèi)化效果很差。

鑒于上述存在的三點問題，我們也在積極思考：如何在有限的學(xué)時內(nèi)，成功構(gòu)建理論知識和實驗技術(shù)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生切實的在儀器分析實踐領(lǐng)域受益呢？早在2010年我國出臺的教育規(guī)劃《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中已經(jīng)明確指出，堅持教育教學(xué)與生產(chǎn)勞動、社會實踐相結(jié)合。開發(fā)實踐課程和活動課程，增強學(xué)生科學(xué)實驗、生產(chǎn)實習(xí)和技能實訓(xùn)的成效。因此，結(jié)合課程特點與社會發(fā)展需要，探索適合儀器分析實驗的新型教學(xué)模式，對于最大限度發(fā)揮學(xué)生主觀能動性、有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和主動探索精神至關(guān)重要。

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在儀器分析實驗教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

翻轉(zhuǎn)課堂，又稱“反轉(zhuǎn)課堂”或“顛倒課堂”，經(jīng)過二十年的發(fā)展與變革，已經(jīng)成為融合網(wǎng)絡(luò)、媒體與傳統(tǒng)教學(xué)的新型教學(xué)模式，成為目前高校教學(xué)改革的一個重要研究方向。它是通過逆向安排知識傳授和知識內(nèi)化，倡導(dǎo)以學(xué)生為主導(dǎo)，教師輔助，重新編排教師和學(xué)生課堂教學(xué)內(nèi)容和性質(zhì)的新型混合式教學(xué)。教學(xué)流程是教師首先在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上發(fā)布電子教材，學(xué)生選擇時間自主完成課前預(yù)習(xí)；課堂上教師通過答疑、與學(xué)生互動等引導(dǎo)學(xué)生完成知識內(nèi)化和鞏固；課后學(xué)生及時處理實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告。這種教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師主導(dǎo)課堂傳授和學(xué)生被動接受知識的模式，重組了教學(xué)流程與教學(xué)結(jié)構(gòu)，具有獨特的特點和優(yōu)勢。首先，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式要求學(xué)生課前自主預(yù)習(xí)。學(xué)生預(yù)習(xí)的資料由教師在課前的網(wǎng)絡(luò)教育平臺上以微課形式發(fā)布，這樣學(xué)生就能不拘泥于空間、時間和途徑完成課前的自主預(yù)習(xí)工作，有利于調(diào)動其積極性和主動性。另外，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，教師還可擴大教學(xué)信息量，例如，將國家精品在線開放課程、慕課等優(yōu)質(zhì)成品教育資源分享給學(xué)生，這些資源可供學(xué)生拓展更廣的知識面。其次，翻轉(zhuǎn)課堂采取的是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師課堂講解為輔的教學(xué)結(jié)構(gòu)，它可以將教師從“滿堂灌”的講授角色中解放出來，從而有更多的時間去解惑學(xué)生的疑問、講授知識運用、組織同學(xué)交流互動等，這會更加有利于幫助學(xué)生完成知識內(nèi)化過程。而學(xué)生在課堂上的交流互動、團(tuán)結(jié)協(xié)作，也進(jìn)一步增強了他們的團(tuán)隊意識和解決問題的能力。

目前，我校已經(jīng)建成完整、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，這為翻轉(zhuǎn)課堂的開展提供了平臺保障。我校分析測試中心還建有虛擬仿真實驗平臺，其中包含光譜分析、色譜分析、電化學(xué)分析等多個模塊，學(xué)生可在課前進(jìn)入虛擬仿真實驗平臺學(xué)習(xí)儀器分析基本原理、了解儀器基本構(gòu)造、熟悉儀器設(shè)備的使用、虛擬完成實驗過程。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合虛擬仿真實驗環(huán)境，可為儀器分析實驗教學(xué)開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提供平臺基礎(chǔ)和資源保障。

3 翻轉(zhuǎn)課堂在儀器分析實驗教學(xué)中的設(shè)計

針對儀器分析實驗教學(xué)中存在的問題，通過將微課模式和虛擬仿真實驗平臺有機結(jié)合，設(shè)計了適用于在我校相關(guān)專業(yè)中開展的儀器分析實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。下面以“原子吸收分光光度法測定食鹽中鋅、鐵、銅的含量”為例，講述翻轉(zhuǎn)課堂在儀器分析實驗教學(xué)中的設(shè)計。

圖1 儀器分析實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式Fig.1 Flipped classroom teaching mode of instrumental analysis experiment

3.1 課前階段

教師根據(jù)不同實驗?zāi)K的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計課前學(xué)習(xí)任務(wù)，共四個部分。(1)實驗安排及基礎(chǔ)知識。首先讓學(xué)生明確本次實驗?zāi)康摹嶒炘砗蛯嶒灢襟E，然后布置學(xué)習(xí)任務(wù)單，將分析方法的基本原理、儀器基本構(gòu)造和儀器操作規(guī)程等以微課形式上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生不拘泥于時間與空間限制自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識。(2)驗證實驗虛擬操作。學(xué)生在完成基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)后，可利用虛擬仿真實驗平臺結(jié)合儀器操作基本規(guī)程開展在線驗證性實驗操作，驗證性實驗內(nèi)容是“測試水溶液中的鎂含量”。利用虛擬平臺，學(xué)生可實踐整個實驗流程：儀器開機、建立分析方法、配置標(biāo)準(zhǔn)溶液、建立標(biāo)準(zhǔn)曲線、測試未知樣品、獲取測試結(jié)果、儀器關(guān)機。(3)綜合實驗設(shè)計與思考。教師發(fā)布綜合實驗題目為“原子吸收分光光度法測定食鹽中鋅、鐵、銅的含量”，同時設(shè)置相關(guān)問題供學(xué)生思考，如測定食鹽中鋅、鐵、銅含量的實際意義、常用的測定方法、國標(biāo)規(guī)定的測定方法等。學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，在調(diào)研文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上以小組為單位完成實驗方案設(shè)計的撰寫。(4)師生互動。教師通過知識點測評了解學(xué)生的薄弱方面，對學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中遇到的問題反饋及時解惑，并對學(xué)生綜合實驗設(shè)計方案進(jìn)行監(jiān)控審核。

3.2 課中階段

根據(jù)學(xué)生課前反饋，教師先重點講解儀器的操作規(guī)程及注意事項，剩余的時間留給學(xué)生實踐操作。依據(jù)實驗內(nèi)容，學(xué)生首先需要完成驗證性實驗“測試水溶液中的鎂含量”，熟悉利用原子吸收光譜儀測試元素的流程，然后分組完成綜合實驗。學(xué)生按照已確定的實驗方案，分工完成溶解樣品、配置標(biāo)準(zhǔn)溶液、儀器準(zhǔn)備、建立分析方法、建立標(biāo)準(zhǔn)曲線、測試食鹽樣品、數(shù)據(jù)分析與處理等內(nèi)容。整個過程中，學(xué)生起主導(dǎo)作用，通過組內(nèi)溝通、交流與協(xié)作完成實驗內(nèi)容；教師起輔助作用，及時糾正、指導(dǎo)學(xué)生在實驗操作中的錯誤并解決遇到的難題。實驗完成后，教師通過課內(nèi)觀察，針對實驗重點步驟和操作流程提問和總結(jié)，最終對學(xué)生操作實驗過程、實驗態(tài)度、實驗素養(yǎng)等多方面能力進(jìn)行綜合評價。

3.3 課后階段

教師將要求學(xué)生再次對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的基礎(chǔ)知識和虛擬實驗進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，進(jìn)一步強化知識內(nèi)化。通過對整個實驗的復(fù)盤，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)在自主學(xué)習(xí)和實驗階段存在的問題和不足，以便在后續(xù)學(xué)習(xí)中改進(jìn)方法、提高效率。然后，學(xué)生按要求在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗報告。實驗報告除了包括實驗?zāi)康摹嶒炘怼⒅饕獌x器和試劑、實驗步驟、實驗結(jié)果等內(nèi)容外，還需對自身利用翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)的情況進(jìn)行總結(jié)。教師批閱實驗報告，將實驗報告中存在的通性問題通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺與學(xué)生進(jìn)行交流，將優(yōu)秀的實驗報告進(jìn)行展示。最后，所有教學(xué)過程完成，教師根據(jù)學(xué)生的反饋和表現(xiàn)及時整理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中出現(xiàn)的不足和需要改進(jìn)的地方，積極調(diào)整、優(yōu)化翻轉(zhuǎn)課程方案。另外，教師可利用課余時間、認(rèn)知實習(xí)時間等帶領(lǐng)學(xué)生深入水質(zhì)檢測中心、質(zhì)檢所等參觀學(xué)習(xí)實踐經(jīng)驗，這有利于學(xué)生思路的拓展和理論知識的應(yīng)用實施。

3.4 多元化考核體系

在上述儀器分析實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式基礎(chǔ)上，經(jīng)過設(shè)計與調(diào)整，建立了新型考核體系：①課前階段：基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)(5%)、驗證實驗虛擬操作(10%)、綜合實驗設(shè)計(15%)，這部分主要考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和自主設(shè)計實驗的實踐創(chuàng)新能力。②課中階段：自主完成驗證性實驗(10%)、綜合實驗準(zhǔn)備(5%)、綜合實驗操作過程實施(20%)、實驗結(jié)束后的總結(jié)討論(5%)，這部分主要考查學(xué)生動手能力和綜合解決問題能力。③課后階段：實驗報告(30%)，主要考查學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。和傳統(tǒng)考核體系相比，這種既重視結(jié)果，更重視過程和能力的考核評定體系，可以更客觀、準(zhǔn)確、科學(xué)地評價學(xué)生的實驗成績，更有利于引導(dǎo)學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

結(jié)語

將基于微課和虛擬仿真實驗平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式引入儀器分析實驗教學(xué)中，打破了傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，它將學(xué)生學(xué)習(xí)的重心從課堂引向課下，不僅突破了時間和空間的限制，使學(xué)生積極有效地利用課余時間，也提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性；將虛擬仿真實驗平臺和實驗?zāi)K化設(shè)計融入儀器分析實驗教學(xué)，可以有效提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和解決實際問題的綜合應(yīng)用能力。在全媒體時代的今天，開展翻轉(zhuǎn)課堂模式的儀器分析實驗教學(xué)改革，可以有效提升學(xué)生就業(yè)競爭力，也為進(jìn)一步深化實驗教學(xué)改革提供參考。