馮玉如，陶亞輝，侯 榮

(太原科技大學(xué)晉城校區(qū)，山西 晉城 048000)

儀器分析是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的一類綜合性極強(qiáng)的分析方法，體現(xiàn)著科學(xué)與技術(shù)的高度結(jié)合，是藥學(xué)、食品、生物科學(xué)、化學(xué)化工、環(huán)境等專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課之一[1]。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，這就要求尤其是定位為應(yīng)用型本科教育的在校生，學(xué)習(xí)這門課程之后，應(yīng)掌握常用大型儀器的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并且具備逆向選擇分析方法的能力以及基本的儀器分析素質(zhì)。但是由于該課程所涉及的理論復(fù)雜抽象、接受難度高，且受學(xué)校經(jīng)費(fèi)和人力資源等方面的限制，要全面按照既定應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)開(kāi)展此課程，難度較大。

1 傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的局限性

傳統(tǒng)《儀器分析》教學(xué)采用理論與實(shí)驗(yàn)相融合的一體化教學(xué)模式。首先在課堂上結(jié)合多媒體制作 PPT 講授理論知識(shí)，然后進(jìn)入儀器分析各實(shí)驗(yàn)室實(shí)操，一方面加深對(duì)理論知識(shí)的理解，另一方面培養(yǎng)其儀器分析能力。然而在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該傳統(tǒng)培養(yǎng)方式收效甚微，分析其原因復(fù)雜。

1.1 理論教學(xué)模式束縛

傳統(tǒng)課本內(nèi)容選材經(jīng)典，但無(wú)法做到與時(shí)俱進(jìn)，其理論與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際儀器設(shè)備之間相差甚遠(yuǎn)，課本內(nèi)容往往跟不上大型儀器操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代[2]。此外，實(shí)驗(yàn)條件有限，中高端大型儀器價(jià)格昂貴、臺(tái)數(shù)少且操作要求高，通常只面向教師和研究生開(kāi)放。而本科生只能靠老師講解課本理論知識(shí)和演示實(shí)驗(yàn)來(lái)熟悉大型儀器的基本構(gòu)造和操作流程，因此理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐之間的銜接也往往具有延遲性。在有限課時(shí)內(nèi)，根本不可能每人都清楚、熟練地掌握這些高精儀器，也就意味著經(jīng)過(guò)粗糙訓(xùn)練的本科生不會(huì)被允許獨(dú)立上機(jī)操作。根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的課后調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)儀器分析這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能的掌握仍停留在模糊、一知半解的基礎(chǔ)上，而這離國(guó)家對(duì)技能型人才定位的培養(yǎng)目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展模式固化

目前高校的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)，以儀器分析實(shí)驗(yàn)為說(shuō)明對(duì)象。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展模式通常是：首先實(shí)驗(yàn)室老師提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)試劑、儀器；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本原理進(jìn)行理論講解，安排好詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟，提示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)等；然后驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；最后按學(xué)校要求的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式完成報(bào)告總結(jié)。在此過(guò)程中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作如樣品制備等，一般都是略作講解，學(xué)生并沒(méi)有時(shí)間和機(jī)會(huì)真正的參與到實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中去。學(xué)生們只是在架空的基礎(chǔ)上，按部就班，被動(dòng)、機(jī)械的按照給定實(shí)驗(yàn)步驟完成驗(yàn)證。此種模式雖然在一定程度上保證了實(shí)驗(yàn)的成功率，達(dá)到了驗(yàn)證理論的目的，同時(shí)確保了高精儀器設(shè)備的安全操作。但是不合理的實(shí)驗(yàn)方式打亂了學(xué)生的邏輯思維，束縛了創(chuàng)造力，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生幾乎無(wú)需思考，更不需要主動(dòng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造，導(dǎo)致很多悟性較差的學(xué)生根本無(wú)法具備《儀器分析》課程最終要求的結(jié)合分析目的、對(duì)象、儀器特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等選擇恰當(dāng)分析手段的能力。

傳統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)模式，使學(xué)生重理論、輕實(shí)踐，做實(shí)驗(yàn)草草了事。長(zhǎng)此以往，學(xué)生得到的刺激不足，不僅對(duì)知識(shí)水平的提高和能力的訓(xùn)練非常有限，無(wú)法培養(yǎng)出符合新時(shí)代要求的專技型人才，而且造成了惡性循環(huán)，使學(xué)生不自覺(jué)中處于“假象主動(dòng)”的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這在一定程度上有違當(dāng)前國(guó)家大力提倡的“雙創(chuàng)”精神。因此，對(duì)類似《儀器分析》強(qiáng)調(diào)技能訓(xùn)練類的課程，其傳統(tǒng)教學(xué)方式、方法亟需改革。

2 AR技術(shù)在《儀器分析》課程中的應(yīng)用

AR (Augmented Reality：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)) 即把原本在現(xiàn)實(shí)世界里一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等)，通過(guò)科學(xué)技術(shù)手段將虛擬信息傳遞到現(xiàn)實(shí)世界,被人類感知并產(chǎn)生超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，這種技術(shù)被稱作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱AR技術(shù)[3]。

2.1 AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

作為當(dāng)前最熱門的計(jì)算機(jī)技術(shù)，AR逐漸應(yīng)用到教育領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)涉及AR技術(shù)的高校和科研機(jī)構(gòu)較少，主要有北京理工大學(xué)光電信技術(shù)與顏色工程研究所、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中科技大學(xué)-亮風(fēng)臺(tái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等。北京郵電大學(xué)的李鐵萌等針對(duì)幼兒園兒童漢字和英語(yǔ)學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)了AR識(shí)字系統(tǒng)[4]；華東師范大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款叫做“快樂(lè)尋寶”的教育游戲[5]；北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺(tái)[6]，王沛文等人又基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理導(dǎo)航與文化導(dǎo)游一體化的服務(wù)系統(tǒng)，并在大學(xué)校園部署應(yīng)用等[7]。這些將AR實(shí)踐到教育中的應(yīng)用研究均表明，AR在未來(lái)教學(xué)中有著巨大優(yōu)勢(shì)，并且有顛覆傳統(tǒng)教學(xué)模式的趨勢(shì)。

2.2 AR與《儀器分析》的契合

在AR技術(shù)廣闊的應(yīng)用環(huán)境下，結(jié)合校區(qū)乃至很多工科類院校存在的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐培養(yǎng)問(wèn)題，以《儀器分析》課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了嘗試。首先，基于AR理念，利用AR虛實(shí)結(jié)合的功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)建優(yōu)質(zhì)智能型資源共享微信小程序。其次，將《儀器分析》教材中涉及的幾大類分析儀器照片作為AR微信小程序掃描識(shí)別的“標(biāo)志”。最終，學(xué)生只需通過(guò)智能手機(jī)啟動(dòng)該微信小程序，用攝像頭掃描識(shí)別“標(biāo)志”，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查找，迅速獲取有關(guān)設(shè)備的文字介紹、操作演示或視頻信息等各種媒體格式資源。

例如，在學(xué)習(xí)原子發(fā)射光譜分析法章節(jié)時(shí)，由于原子發(fā)射光譜法及光譜線的原理復(fù)雜、理解抽象，學(xué)生在課堂上脫離儀器學(xué)習(xí)，很難將所學(xué)原理與實(shí)際原子發(fā)射光譜儀的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。但是通過(guò)該AR微信小程序，學(xué)生只需實(shí)行掃描這樣一個(gè)簡(jiǎn)單操作，便可在老師講解過(guò)程中或課后復(fù)習(xí)中隨時(shí)走進(jìn)“實(shí)驗(yàn)室”，直接、有效的獲取相關(guān)視頻資料，及時(shí)將所學(xué)知識(shí)與設(shè)備細(xì)節(jié)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)自主、協(xié)作學(xué)習(xí)。雖然現(xiàn)在各大視頻網(wǎng)站如騰訊、愛(ài)奇藝等可以搜索到許多關(guān)于原子發(fā)射光譜儀的操作視頻，但尋找與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器型號(hào)相匹配的視頻資源有如大海撈針，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且受到網(wǎng)絡(luò)或用戶權(quán)限的限制。但是學(xué)生通過(guò)該定制的AR微信小程序掃描圖形“標(biāo)志”呈現(xiàn)出來(lái)的虛擬信息或視頻介紹，是完全針對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的詳細(xì)型號(hào)的。經(jīng)此模式，學(xué)生在正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前已經(jīng)熟悉了每一步操作步驟及各類儀器的零部件構(gòu)造，這無(wú)疑能極大幫助他們有效利用好每一次實(shí)操機(jī)會(huì)，在有限的上機(jī)操作時(shí)間內(nèi)獲得事半功倍的效果。

AR以其本身所具備的交互性、沉浸性等特征應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程，不僅有助于教師更加形象生動(dòng)地展示教學(xué)內(nèi)容，起到積極的輔助和促進(jìn)作用，而且又給予了實(shí)驗(yàn)課程很強(qiáng)地趣味性和自主性，在一定程度上緩解了由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)壓縮和減少給

老師們帶來(lái)的教學(xué)壓力[8]。此外，最具意義的是AR為學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)空間，使學(xué)生能夠隨時(shí)隨地和虛擬信息產(chǎn)生互動(dòng)，將長(zhǎng)期以來(lái)的被動(dòng)灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)興趣式學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語(yǔ)

AR技術(shù)使人工智能歸類檢索替代了繁瑣的親力親為分類查找，其在實(shí)驗(yàn)課程里的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式具有空前的改革意義。通過(guò)內(nèi)容富有針對(duì)性、呈現(xiàn)手段豐富以及可支持碎片時(shí)間學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)媒體資源，使學(xué)生提前通過(guò)在線學(xué)習(xí)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)的準(zhǔn)備，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。同時(shí)有效提高實(shí)驗(yàn)課時(shí)的利用率，從而保證知識(shí)靈活融合運(yùn)用，學(xué)生的逆向思維能力得到訓(xùn)練，使其未來(lái)能更好地適應(yīng)社會(huì)，服務(wù)于社會(huì)。