王 敏 宋志國 趙 爽 萬 鑫 曹春艷

（渤海大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 遼寧錦州 121013）

引言

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程是化學(xué)及相關(guān)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，是儀器分析理論課程的重要教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練掌握常見分析儀器的操作、原理及使用。該課程實(shí)踐性強(qiáng)，但很多高校由于場(chǎng)地和費(fèi)用等原因，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、型號(hào)落后、種類單一等問題，多停留在“課堂理論教學(xué)先行，實(shí)驗(yàn)操作演示補(bǔ)充”的模式，嚴(yán)重制約了教學(xué)質(zhì)量的提高以及學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)[1]。因此，尋求有效途徑對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革尤為重要。

渤海大學(xué)堅(jiān)持以學(xué)生為中心的育人理念，面向人才培養(yǎng)目標(biāo)，充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的優(yōu)勢(shì)，在化學(xué)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)了大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。該課程涉及精密儀器的原理、構(gòu)造、使用和多種儀器的組裝，是專業(yè)核心課程儀器分析的配套實(shí)驗(yàn)課程，是一門需要多學(xué)科理論與實(shí)踐支撐的實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性課程。本課程的開設(shè)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，學(xué)生可隨時(shí)隨地隨需開展個(gè)性化自主學(xué)習(xí)，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，不再受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，安全可靠，仿真度高，填補(bǔ)了實(shí)體教學(xué)的不足。通過線上線下結(jié)合，課內(nèi)課外結(jié)合，以虛促實(shí)，開啟了“理論-實(shí)物-虛擬”三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

一、在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)的必要性

眾所周知，化學(xué)、化工類課程內(nèi)容相對(duì)抽象，工程實(shí)踐性強(qiáng)，這就要求開設(shè)大量課時(shí)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)來配合理論課程的學(xué)習(xí)才能獲得最佳的教學(xué)效果。而分析檢測(cè)儀器實(shí)物成本高、占地面積廣、測(cè)試周期長，不便開展多臺(tái)套實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，尤其昂貴的儀器設(shè)備開放程度有限，本科生在校實(shí)物操作的可能性很小，無論是課時(shí)還是實(shí)踐教學(xué)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了課程教學(xué)所需，這也導(dǎo)致了很多學(xué)生理論與實(shí)踐完全脫節(jié)，一旦步入工作崗位，就會(huì)顯現(xiàn)出操作能力不足的問題[2]?；谝陨蠁栴}，建立一套完善的虛實(shí)結(jié)合的課程體系是解決目前困境的最有效手段。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，突破原有專業(yè)、學(xué)科、場(chǎng)地和設(shè)備的界限，重新構(gòu)建線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，減少單純驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的主動(dòng)性，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣，為學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)造良好的條件，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的[3]。

近年來，網(wǎng)絡(luò)教育的優(yōu)勢(shì)逐漸被凸顯出來，國內(nèi)許多高校已經(jīng)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理模式進(jìn)行了有益探索和研究，并取得了很好的效果。如華中師范大學(xué)徐建團(tuán)隊(duì)基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)數(shù)據(jù)，通過對(duì)所有國家認(rèn)定的一流課程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究不同學(xué)科門類課程的建設(shè)指數(shù)、接觸指數(shù)、應(yīng)用指數(shù)、難度指數(shù)、互動(dòng)指數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，在課程建設(shè)、課程應(yīng)用以及課程用戶體驗(yàn)方面提出相應(yīng)的對(duì)策建議[4]。四川大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心從自身特色出發(fā)，在項(xiàng)目自主研發(fā)、平臺(tái)校企共建、高校資源共享等多方面進(jìn)行建設(shè)，創(chuàng)新性發(fā)展，已建成完善的人才培養(yǎng)體系、管理體制及豐富的資源配置，與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成，突破了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件限制、時(shí)間限制和空間限制，實(shí)現(xiàn)了資源的共建共享與示范引領(lǐng)[5]。吉林大學(xué)馬健博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)分析了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型，結(jié)合分析結(jié)果，設(shè)計(jì)開發(fā)了在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信息輸入單元、實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬交互單元以及信息輸出單元等，除了考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，外還能夠?qū)崿F(xiàn)教師對(duì)學(xué)生信息的查看、調(diào)整與增減等功能，可達(dá)到高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求[6]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的強(qiáng)大互連特性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)者提供“個(gè)性化”“自主式”“交互式”且“實(shí)時(shí)”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程訪問儀器設(shè)備并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終獲得實(shí)驗(yàn)報(bào)告。因此，在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锓浅Ｓ斜匾?，可以說將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是未來高等院校實(shí)驗(yàn)課程發(fā)展的方向。

二、渤海大學(xué)儀器分析實(shí)驗(yàn)課“三層次”教學(xué)體系的實(shí)施

渤海大學(xué)擁有省級(jí)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，該中心有化工類虛擬仿真軟件27套，大型分析檢驗(yàn)儀器類虛擬仿真訓(xùn)練軟件30套，可容納130人同時(shí)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還有實(shí)驗(yàn)室安全VR系統(tǒng)，可以讓學(xué)生身臨其境的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及安全培訓(xùn)?？茖W(xué)的價(jià)值觀引領(lǐng)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)大學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，思想政治教育、“三觀”養(yǎng)成有著重要影響，虛擬仿真環(huán)境為學(xué)生提供了一個(gè)全新虛擬學(xué)習(xí)空間。

渤海大學(xué)對(duì)“線上+線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了有益探索，以化學(xué)（師范）專業(yè)為例，在專業(yè)培養(yǎng)方案中，《儀器分析》是專業(yè)核心課，51學(xué)時(shí)；《儀器分析實(shí)驗(yàn)》是學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課，40學(xué)時(shí)；大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是專業(yè)限定選修課，36學(xué)時(shí)。該“理論-實(shí)物-虛擬”三層次課程體系，遵循虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、虛實(shí)互補(bǔ)的原則，采用虛擬技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，層層遞進(jìn)，夯實(shí)基礎(chǔ)，建立有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)基地。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，通過虛擬仿真技術(shù)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)操環(huán)節(jié)，反復(fù)操作，掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)、達(dá)到教學(xué)目的。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)也能夠讓學(xué)生全方位體會(huì)科學(xué)成果來之不易，正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，激發(fā)學(xué)生投入科學(xué)研究和教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)性與自學(xué)性，改變對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，提升實(shí)驗(yàn)課中課程思政學(xué)習(xí)效果，如表1所列。

表1 《大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》教學(xué)項(xiàng)目

三、“理論-實(shí)物-虛擬”三層次教學(xué)體系的特色與創(chuàng)新

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新

當(dāng)今社會(huì)和科技發(fā)展迅速，如何提高大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和綜合素質(zhì)是大學(xué)教育的熱點(diǎn)問題。但很多學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)知和使用仍存在一些問題，如從未接觸過、不懂操作、不能熟練應(yīng)用、無法取得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使科學(xué)研究受限，因此盡力提高學(xué)生的儀器操作技能是十分必要的[7]。

虛擬實(shí)驗(yàn)仿真度高，著力于還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)原理、操作環(huán)境及互動(dòng)感受，通過全三維沉浸式立體交互模式，將整個(gè)儀器設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造、結(jié)構(gòu)關(guān)系、操作技巧完整生動(dòng)的展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生有身臨其境的體驗(yàn)，為學(xué)習(xí)者提供“個(gè)性化”“自主式”“交互式”且“實(shí)時(shí)”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)配套操作指導(dǎo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，首先按照教師演示的操作步驟和講授的注意事項(xiàng)先進(jìn)行模仿操作，然后在沒有提示的情況下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)自動(dòng)記錄學(xué)生操作全過程，給出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和打分。學(xué)生還可多次練習(xí)，直至完全掌握，最終記錄最高分。這種評(píng)價(jià)體系既注重評(píng)價(jià)主體多元化，又注重評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)過程的多元化，保證評(píng)價(jià)的全面、客觀，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和科研能力很有幫助，促進(jìn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量的整體提升。

2.教學(xué)方法創(chuàng)新

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已經(jīng)在改變著理論課堂教學(xué)的方式，也同樣改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安全性、教學(xué)設(shè)施不足和教學(xué)手段的限制，制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的意義。

渤海大學(xué)將虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建的儀器分析“三層次”課程體系既提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和層次，又加深了學(xué)生對(duì)精密儀器高難度操作的掌握，也提升了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”探究式教學(xué)模式開展教學(xué)，實(shí)驗(yàn)過程中，通過演示、練習(xí)、討論、綜合研究等教學(xué)方法，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。每3-4名同學(xué)為一個(gè)小組，每人一臺(tái)電腦，登錄各自的賬號(hào)。學(xué)生們以小組為單位進(jìn)行交流、討論，并深入探討還有哪些需要注意的問題。學(xué)生們?cè)诮涣饔懻摰倪^程中集思廣益、互相啟發(fā)、取長補(bǔ)短，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生專研并解決問題的能力，提高學(xué)生的獨(dú)立性。

3.對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

渤海大學(xué)建有開放性、擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性和共享性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，涵蓋了預(yù)約管理、實(shí)驗(yàn)管理、角色管理、預(yù)習(xí)練習(xí)、演示操作、在線考核等8個(gè)方面，能夠?qū)崿F(xiàn)校內(nèi)外、全省及全國范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多學(xué)科專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系拓展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度，使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸、掌握更多種類精密、貴重大型儀器的原理和使用，為綜合實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行準(zhǔn)備。加深了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度，克服了教學(xué)和科研條件的限制，使更多的學(xué)生能夠深入了解科學(xué)研究方法及手段，提高學(xué)生對(duì)分析及表征實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，培養(yǎng)大學(xué)生的科研思維、創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，為從事科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，虛擬教學(xué)平臺(tái)24小時(shí)開放，并開設(shè)了很多開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，充分滿足了學(xué)生利用空閑時(shí)間和碎片時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)習(xí)、練習(xí)、學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的需要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)排課靈活，可統(tǒng)一安排，也可自選，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，有利于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開展，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究探索能力的提高[8]。

結(jié)語

十幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，渤海大學(xué)儀器分析“三層次”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心，分層次、分模塊設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，按照教育規(guī)律和“夯實(shí)寬厚基礎(chǔ)，強(qiáng)化通識(shí)教育，突出專業(yè)教育，強(qiáng)化實(shí)踐教育和創(chuàng)新教育”的要求，以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，循序漸進(jìn)、全方位地培養(yǎng)學(xué)生的基本技能、專業(yè)技能和綜合創(chuàng)新能力。學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高，實(shí)踐能力培養(yǎng)效果好，促進(jìn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量的整體提升。