基于云桌面平臺的無機化學實驗教學模式與實踐

楊漢民，張艷

1中南民族大學化學與材料科學學院，武漢 430074

2中南民族大學實驗教學與工程訓練中心，創新創業學院，武漢 430074

無機化學是普通高校化學、化工、輕工、材料、冶金、生物醫藥等相關專業開設的第一門專業基礎課程，是學生進入高校學習的第一門化學專業課[1]。無機化學實驗是無機化學課程的重要組成部分，是培養學生實驗操作技能，分析問題、解決問題能力和創新創業能力的重要手段。教育部提出要加速推進信息技術與教學的深層次融合，將互聯網、大數據等技術深度應用到教學過程中[2]。云桌面技術是云計算的典型應用，可通過瘦客戶端或其他任何與網絡相連的設備訪問跨平臺的應用程序及整個客戶桌面[3]。云桌面具有彈性擴展、靈活多變、極大簡化管理等特點，學生可不受時間、地點、設備和學時的限制，隨時隨地進行自由學習和開展探究實驗，在實驗教學中發揮了重要作用。我校無機化學實驗課程利用先進的云桌面技術，搭建實驗平臺，探索云開放的實驗教學模式，解決了傳統實驗教學的諸多問題，為無機化學實驗教學的發展提供了思考和借鑒。

1 無機化學實驗教學存在的問題

1.1 實驗教學模式和內容單一

傳統實驗教學依附于理論教學，采用教師主導實驗課堂，詳細講解實驗理論、實驗內容和實驗步驟，實驗儀器設備示范操作，指導學生實驗、檢查實驗結果、批改實驗報告的模式。學生把實驗預習內容照抄一遍，按照實驗教材“照方抓藥”完成實驗。實驗內容大多是對知識的驗證，綜合性、設計性的實驗項目偏少。學生缺乏獨立思考，分析問題和解決問題的能力薄弱，開展創新探究性實驗的能力不足。

1.2 實驗考核評價不全面

實驗教學按照固定的時間、實驗室和儀器設備開展，成績由實驗報告和課堂出勤綜合給出，有部分學生為了考勤應付實驗、抄襲他人實驗報告的現象嚴重，從而降低了實驗的效果。考核評價以實驗報告為唯一評價依據，尤其是在分組實驗情況下成績區分度非常低，缺乏科學有效的協作式、過程性評價機制[4]。

1.3 實驗教學與信息技術結合不足

實驗教學大多采用多媒體教學，存在課程視頻、虛擬仿真等教學要素與實驗空間結合不足的問題，信息化教學程度不高，制約了實驗教學的效果。學生對實驗課程興趣不高，缺乏學習的積極性和主動性。

2 基于云桌面的無機化學實驗平臺

云技術作為一種新興技術被認為是繼個人電腦、互聯網之后電子信息領域的又一重大變革，也正改變著IT業的結構模式。它是基于互聯網的計算方式，共享軟硬件資源和信息，并通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需服務[5]。根據無機化學實驗教學存在的問題，借助云計算技術和云桌面服務搭建無機化學實驗教學云平臺，實現以下功能目標：建立共享、開放、高效的云端教學環境；實驗教學資源最大化使用；隨時隨地的移動教學；滿足實驗項目動態更新；提升實驗教學的針對性和有效性，促進師生間的互動交流和校企協同發展。

2.1 實驗數據庫建立

(1) 教學資源數據庫。包括各種常用系統軟件、應用軟件、課程電子教材和教案、教學PPT課件、課程教學大綱、實驗指導書、教學講義、課程設計指導書、習題與在線試題庫、視頻資源庫、實驗操作視頻、微課、在線課程、慕課平臺、仿真軟件、企業數據、教學和創業案例庫等教學資源，實現了教學、企業、案例等教學資源的重構。

(2) 綜合實驗項目庫。實驗項目庫建設突出學科交叉性、選題應用性、科研訓練全程性，教師是引導者、協助者、組織者，培養學生的科技創新活動和創新思維能力[6]。實驗項目庫由教師的科研課題、橫向課題、企業真實的項目和校企合作的項目等組成。

2.2 云桌面實驗平臺構建

無機化學云桌面實驗平臺由云服務器、云端儀器設備、教學資源和管理平臺等要素組成，包括三個部分：云端虛擬層、管理層和客戶端，如圖1所示。

圖1 云桌面實驗平臺架構圖

虛擬層，是指在云終端上運行虛擬化平臺，通過虛擬化平臺為云終端提供云桌面服務，將實驗教學資源上傳到云端，實現云桌面實驗平臺的建立。管理層，通過云主機管理平臺，對教學環境、云終端、存儲、配置策略等統一管理。客戶端，采用云終端一體化設計，學生通過移動設備登錄云桌面實驗平臺進行實驗操作。將實驗章節資料、測試題、教師課件等教學資源放在教師云空間，供學生課前學習。云桌面實驗平臺界面實例如圖2所示。

圖2 云桌面實驗平臺界面實例

云桌面實驗平臺可以實現虛擬桌面環境下的屏幕廣播、視頻廣播、學生演示、電子點名、遙控監看、黑屏肅靜、屏幕錄制、屏幕回放、桌面切換等教學互動功能。該平臺的建立，可將實驗室環境搬到云端，搭建“桌面自服務平臺”，構建線上線下雙擎教學模式，學生可通過網絡隨時隨地跨地域、全天候獲取實驗環境進行實驗教學、實習實訓、科學研究，實現教學空間和時間的無限擴展。

3 基于云桌面實驗平臺的無機化學實驗課程教學模式

3.1 云開放實驗教學模式總體框架

無機化學實驗課程教學依據學生實驗前、實驗中、實驗后的學習規律，從實驗課前傳遞信息、實驗課堂吸收內化、實驗課后總結提升三方面，利用云桌面技術構建了線上線下“云導學、云助學、云促學”的實驗教學模式，總體框架如圖3所示。

圖3 云開放實驗教學模式框架圖

(1) 云導學：教師通過云桌面發布實驗任務，學生根據云端教學資源，包括課程視頻、課程教學大綱、實驗指導書、教學課件、在線試題庫等，通過使用PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦，云端在線預習實驗，學習實驗課程知識點、實驗數據的處理技能和規范操作，通過教師答疑板塊、論壇互動，掌握線上實驗平臺的使用方法，并上傳實驗預習報告。

(2) 云助學：教師通過在線會議平臺云端直播教學，學生以小組形式匯報實驗項目的進展，教師逐一點評和指導，對實驗的重點、難點進行剖析。線上實驗平臺全天為學生開放，學生通過PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦隨時隨地登錄云桌面線上學習，專人負責實時在線答疑。實驗課堂變成了師生、生生之間互動的場所，將課堂教學由“單一主體知識教學”轉變為“多主體知識互動”，充分發揮對學生的引導與激勵作用[7]。線上線下教學互補，從發現問題、分析問題并通過教師指導改進獲得提升，外在的學習逐步吸收內化為實踐能力提升和知識創新應用。

(3) 云促學：實驗平臺提供了大量教學數據和學生實驗行為數據，通過分析學生實驗數據和考試信息，追蹤學生學習軌跡，量化課程知識點的難度和操作技能訓練等，這些真實的數據信息用于促進學生學習習慣和學生管理，激勵學生個性化學習和教師針對性教學。學生通過線上虛擬實驗模擬再到實驗室現場操作，整個過程就是一個總結提升的演練。實驗項目來自教師的科研和企業真實的項目，實驗教學的過程就是一次全面科學研究的思想、方法和過程的訓練。

云開放實驗教學模式建立，使教學授課環境根據實際授課要求靈活切換，數據資源集中在高性能服務器上，實現無縫移動和協同教學，提升了實驗教學的有效性和針對性。

3.2 云桌面平臺實驗流程

學生根據教師分配的實驗項目任務要求，通過PC機、手機、筆記本電腦或平板電腦登錄云桌面實驗平臺客戶端。學生通過云端虛擬仿真軟件線上預習，按照實驗原理、實驗步驟、溶液配制、儀器方法進行虛擬實驗，軟件客戶端實時顯示實驗數據和結果，在線判斷實驗項目操作正確與否，出現錯誤及時給出錯誤提示，并自動評判成績。線上實驗過程中，學生點擊鼠標，與云服務器軟件之間進行交互，讓學生得到“真實”環境的實驗體驗，平臺試劑、操作方法、儀器顯示等與線下實驗室實驗流程一致，方便學生快速入門。實驗安全教育和實驗儀器基本操作兩部分內容必須在線上完成，學生成績合格后方能進入實驗室做實驗。線上實驗流程如圖4所示。

圖4 線上實驗流程圖

學生完成線上實驗預習后，進入實驗室集中進行實驗項目的現場操作。實驗課程指導教師針對學生的操作規范和實驗結果，進行個別化的指導與差異化幫助，完成實驗項目驗收，評定實驗操作成績。

3.3 實驗成績考核評價

實驗成績考核包括線上、線下實驗兩方面，強化學習過程性評價。線上成績主要考核學生訪問在線課程、觀看教學視頻、參與學習活動、完成在線測驗和提交預習報告等情況。包含章節測驗、章節學習次數、討論、作業、考試、簽到、課堂互動等，占總成績的40%。線下成績根據現場實驗操作、實驗課考勤、實驗報告確定，占總成績60%。實驗成績考核評價最大限度地激勵學生參與實驗，實現成績考核的準確、客觀和公平。

實驗課程通過線上和線下相結合的方式，課前學習云桌面教學資源，課中教師解決重點問題，課后總結反饋，在32學時實驗過程中，線上學習節約了線下實驗時間，不但沒有增加學生的負擔，反而有效地督促學生平時認真學習，提高了線下實驗的效率，整體提升了實驗課程的教學效果。

3.4 云開放實驗教學模式應用案例

我校無機化學實驗課程利用云桌面平臺進行探索和實踐，對實驗項目動態更新調整，下面以“氯化鈉的提純”實驗為例，闡述云開放實驗教學模式的應用。

云導學：教師發布線上預習任務，要求學生在云桌面平臺線上預習沉淀溶解平衡原理，定性檢出方法，濃縮、結晶、過濾等固-液分離方法和操作。為了使學生掌握NaCl提純的化學原理和方法，溶液加熱、攪拌、濃縮、結晶、過濾等基本操作，通過線上師生問答、論壇互動模塊，學生可以與老師及其他同學交流溝通。通過教學資源的學習，撰寫預習報告，總結實驗原理、實驗操作和儀器設備使用，并上傳云端。教師通過線上課程視頻、課程測驗、學習次數、線上測試成績和預習報告，給出課前導學部分成績。學生按照觀看實驗視頻、學習實驗原理和操作、完成線上測試、提交預習報告四個步驟完成線上學習。線上實驗學習流程如圖5所示。

圖5 氯化鈉的提純實驗線上學習流程

云助學：學生在實驗室進行粗鹽的溶解，除去SO42-，除去Ca2+、Mg2+和過量的Ba2+；除去CO32-和OH-；濃縮、結晶；質量的定性檢驗。教師通過觀察學生實驗操作的規范程度，實驗結果的處理，小組、組間討論等考核學生和小組的表現，評定實驗操作成績。

云促學：學生提交實驗報告，包括實驗目的、實驗原理、儀器與藥品、實驗步驟、對實驗數據處理和制圖，得出實驗結論。實驗后通過撰寫實驗報告，進行知識整理和數據分析，并上傳云端，再通過查看教師對報告的批改，實現對重點難點的掌握和對學習效果的總結提升。對學有余力的學生要求以科研論文或者專利形式提交實驗報告，培養學生的知識應用和創新能力。教師通過云端教學平臺，根據學生學習次數、在線測驗得分、作業統計等數據信息和硬件資源分析，安排實驗操作，調整實驗項目，全過程跟蹤學生學習，有力地促進了實驗教學。

云開放的實驗教學模式通過線上線下資源開放、數據互通、共享學習、移動教學和協作交流，激發了學生參與實驗的興趣，培養了學生的團隊協作能力、復雜問題解決能力和綜合實踐能力。

4 云桌面平臺實驗模式的應用效果

(1) 創新了教學理念。在“以學生為中心”的教學理念指導下，構建了線上線下“云導學、云助學、云促學”的全新教學模式，形成新型的師生相互促進的教學關系和共同成長的學習共同體，使實驗教學成為培養應用型人才的重要平臺。該模式解決了實驗教學中學生參與度不強、師生互動不足、個性化學習不夠的問題，全面提升了實驗教學質量。

(2) 創新了實驗內容。云桌面技術的教學模式，使學生在云端沉浸式教學環境下完成互動探究、自主學習，實驗教學項目主要來源于教師的科研和企業真實項目，使實驗內容貼近工作實際，打通了學生就業“最后一公里”。該模式有助于學生掌握專業知識，培養實踐能力，大幅縮短人才的培養周期，縮減學生走上工作崗位后的適應期和磨合期。

5 實驗教學模式的實踐與反饋

云開放實驗教學模式，在2021級化學類和經管類學生中進行。化學類和經管類學生借助云桌面實驗平臺進行實驗教學。實驗教學結束后，對三個班學生進行問卷調查，調查內容主要包括對目前實驗教學環境的滿意度、使用云桌面平臺對學習的影響、實驗完成質量等指標。其中云桌面的內容僅由使用云桌面平臺的學生填寫。178份調查問卷統計結果顯示，在實驗教學環境滿意度方面，化學類中有95.2%的學生對實驗教學環境滿意，經管類中有96.8%的學生對實驗教學環境滿意，資環類實驗教學環境的滿意度為72.5%。在使用云桌面平臺對學習的影響方面，化學類和經管類學生普遍認為：能隨時隨地獲取資源，數據及時分析，思考與創新不受時空限制；可以用到海量數據的終端；可移動學習，云桌面平臺具有無處不在的網絡、數據、計算和溝通；云桌面平臺上網流暢、存儲安全。在實驗完成質量方面，化學類學生課下學習用時平均每個實驗項目在1 h，經管類學生課下學習用時平均每個實驗項目在1.2 h，而資環類學生只用0.5 h；教師依據實驗預習、現場操作和實驗報告評定實驗成績，分為優秀、良好、及格和不及格4個等級，化學類、經管類和資環類實驗成績優良率分別是85.2%、87.7%和70.4%。化學類、經管類學生對云桌面平臺的體驗表示滿意，認為云桌面平臺操作靈活、使用教學資源便捷、數據分析能力和個性化存儲空間方便了實驗學習，提升了分析問題、解決問題的能力，對于培養學生實踐應用能力和創新思維有幫助。總體來看，學生對使用云桌面技術進行實驗教學普遍表現出極高認可度。2021-2022第一學期末，對化學類和資環類的無機化學實驗課程進行考核，經管類的員工績效管理實驗課程進行考核。課程考核包括課前預習、實驗操作、實驗報告三方面，表1反映了學生實驗考核平均成績的差異。

表1 課程考核平均成績對比表

表1中可見，化學類、經管類學生考核成績明顯優于資環類學生，這與學生課前實驗的預習時間、課堂積極參與、課后鞏固練習、互動交流時間的投入增加有極大關系。使用云桌面豐富了實驗項目，增加了貼近實際、綜合性和設計性的實驗項目，使實驗教學助力應用型、復合型化學人才培養，表2所示為云桌面使用前后實驗項目與教學模式的對比。

表2 云桌面使用前后實驗項目與教學模式對比

將先進的云桌面技術融入實驗教學，激發了學生主動學習的積極性和興趣，實現了三個轉變：從傳統的以教師為中心的課堂講解、學生實驗向以學生為中心，利用線上線下教學資源完成實驗轉變；實驗的教學過程從固定時間、固定實驗室向隨時隨地自主學習后再到實驗室進行實驗轉變；實驗評價從考勤成績和實驗報告的評價，向利用云端大數據追蹤學生實驗全過程、重在成果評價的轉變，培養了學生的獨立思考能力和解決實際問題能力。

6 結語

以云桌面技術和服務為基礎，構建了無機化學云桌面實驗平臺，使無機化學實驗教學在廣度深度上突破了傳統實驗時間空間的限制，實驗教學變得方便靈活，實現了實驗教學資源利用的最大化。云開放實驗教學模式，重塑了師生關系，創新了實驗教學理念和體系，豐富了實驗教學項目，提升了實驗考核評價。今后要在開發實驗項目、優化課程體系、提高云桌面實驗教學資源的利用率等方面積極探索，為無機化學實驗教學改革提供新思路。