章建東，吳瑩，嚴吉林，姚英明，趙蓓，姚建林

蘇州大學材料與化學化工學部，江蘇 蘇州 215123

大學化學實驗是化學、材料、環(huán)境以及生命科學等學科相關專業(yè)學生的必修基礎課程。它的任務是使學生掌握化學實驗的基本理論、基本操作技能和技術；學會應用各種化學實驗設備以及相關檢測方法，以培養(yǎng)學生的綜合科學素養(yǎng)，順應社會對應用型人才的需求[1-3]。為了培養(yǎng)學生解決復雜化學問題的創(chuàng)新實踐能力，不少大學化學實驗教學必須借助大量大型分析儀器，然而隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代實驗教學的創(chuàng)新發(fā)展，高校化學實驗教學卻面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，儀器種類繁多，投入成本高，昂貴的儀器價格限制了實驗配備的儀器臺套數(shù)量；另一方面，儀器發(fā)展日新月異，實驗儀器的配備無法跟上設備的更新發(fā)展；再則，大型儀器設備構造復雜，專業(yè)性強，為了維護儀器、保證實驗的正常進行，每次實驗前教師需要花大量的時間去講解，不僅增加了指導教師的工作量，更重要的是學生實際操作時間變短。為了解決目前高校本科化學實驗教學中的上述瓶頸問題，蘇州大學材料與化學化工學部進行了線上線下混合式實驗教學模式的探索與實踐[4,5]。構建了化學實驗教學網(wǎng)絡交互平臺，學生利用實驗網(wǎng)絡平臺的線上學習、仿真實驗、遠程實驗等方式，結合線下的實操練習，突破時空的限制，提高了實驗教學效率和質(zhì)量。

1 線上線下混合式實驗教學模式

蘇州大學在2009年獲批建設教育部“理工結合模式培養(yǎng)化學化工科技創(chuàng)業(yè)人才實驗基地”的基礎上，重點探索面向理工交叉融合創(chuàng)新人才培養(yǎng)的化學專業(yè)實驗教學體系改革。經(jīng)過7年探索研究，5年的實踐檢驗，線上線下混合式化學專業(yè)實驗教學體系的構建與實踐取得了顯著成效。

以計算機網(wǎng)絡技術為核心的信息時代的到來，為化學實驗教學尤其是那些依賴儀器和計算機的實踐教學環(huán)節(jié)提供了解決困難的方法和手段[6,7]。我們利用先進的網(wǎng)絡信息技術、虛擬化技術構建了化學實驗教學網(wǎng)絡交互平臺，發(fā)展了網(wǎng)絡環(huán)境下的線上學習結合線下充分實踐的混合式實驗教學模式(圖1)。該模式首先要求建立一個實驗教學網(wǎng)絡交互平臺，平臺上不僅有實驗要求、實驗原理、操作視頻等豐富的實驗教學資源，還有最新儀器的介紹，學生在實驗前進行線上學習，包括儀器預約、實驗預習、觀看操作視頻、完成預習練習等，然后進入實驗室進行線下實操練習，實驗中的結果數(shù)據(jù)隨時上傳到網(wǎng)絡平臺，實驗結束后在網(wǎng)絡平臺上完成實驗報告。整個過程以學生為主體，進行自主學習。教師只起輔助作用，負責網(wǎng)絡平臺的資源建設及實驗設計，實驗時以翻轉(zhuǎn)課堂形式代替了以往的大量講解，完成整個過程的輔導及監(jiān)督、實驗報告批閱及成績評定。使有限的實驗課時、有限的儀器設備得到充分的運用和延伸，使學生可以進行一系列的虛擬仿真實驗、遠程實驗以及自主開放實驗。在該模式下，學生利用線上化學實驗教學平臺資源，進行儀器預約、實驗預習、報告提交等操作，從而高效便捷地完成線下實驗操作與練習，充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性。教師有更充裕的時間設計實驗，高效地進行實驗教學管理，突破時空的限制，隨時對學生進行指導和交流。

圖1 線上線下混合式實驗教學模式的框架及功能

2 線上線下混合式實驗教學模式軟硬件建設

為了實現(xiàn)線上線下混合式實驗教學模式，必須有相應的硬件支撐與軟件服務，實驗教學中心歷時3年左右的時間，基本完成了配套的軟硬件建設。

2.1 線上化學實驗教學平臺——軟件建設

首先我們建立了化學實驗教學網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://10.20.216.131:8080限校園網(wǎng)訪問)，網(wǎng)站界面如圖2所示，該網(wǎng)站實現(xiàn)了教師在線檢查學生線上預習、實驗原始數(shù)據(jù)，批閱實驗報告、成績評定等。學生可以進行線上實驗預習、完成測試練習、調(diào)用自己的實驗數(shù)據(jù)、上傳實驗報告等功能，2年間訪問量突破7萬余次。每個實驗室安裝了大尺寸電子顯示屏，大部分儀器都可以直接聯(lián)網(wǎng)。平臺上配備了所有實驗的教學微課視頻，包括實驗原理講解、儀器使用及實際操作演示，同時配套了學習情況檢測試題。學生在實驗前進入實驗網(wǎng)絡平臺，完成實驗原理、實驗內(nèi)容、儀器操作以及結果處理等內(nèi)容的學習，這一過程學生可以不拘時間、地點、形式，利用各種終端，以各種方式進行遠程和交互學習，并通過相應的測驗題目檢查學習進程，達到必要的預習效果。線上教學平臺主要包括教學管理、學習管理、實驗室管理、遠程實驗等主要模塊。

圖2 線上實驗教學平臺截圖

2.1.1 教學管理模塊

教學管理主要包括以下欄目。(1) 實驗項目：管理教師所屬實驗項目，編輯實驗項目內(nèi)容、上傳視頻等資源、編輯預習測試、批閱實驗數(shù)據(jù)和實驗報告、添加實驗問答、查看學生實驗成績列表；(2) 課表：查看本學期登錄人的課表；(3) 知識：章節(jié)管理(新建、編輯、刪除)，單元管理(新建、編輯、刪除)，上傳視頻、圖片、實驗手冊資源，編輯題庫、測試和考試，布置作業(yè)；(4) 公告欄：通知管理(發(fā)布通知)，信息發(fā)送(定向通知和郵件)，歷史記錄查詢，討論；(5) 學習管理：查看班級成員；(6) 資源容器：上傳文件或壓縮包；(7) 課程信息：編輯課程信息、課程介紹，上傳課程、教師圖片。

化學實驗教學微課視頻是學生進行線上學習的重要資源，對實踐過程順利進行有重要指導作用。為此我們所有實驗指導教師都加入了制作團隊，有數(shù)十位教師投入了大量精力和時間進行了視頻資料的拍攝和制作，腳本設計、動作分解、場景分段、后期制作、配音優(yōu)化都是由項目組教師獨立自主完成。目前無機化學、有機化學、物理化學、分析化學等基礎實驗課的高清微課視頻庫已經(jīng)制作完成，合計76個微課視頻，總時長1560分鐘。學生可以登陸實驗教學平臺后，隨時在線觀看，通過觀看這些微課視頻預習實驗的相關內(nèi)容并基本了解這個實驗的操作過程，并以此為依據(jù)進行對應的練習測試，這些微課視頻也是學生復習和鞏固的重要學習資料，對于學生掌握實驗原理和操作起到了重要的作用。

平臺上這些教學管理欄目的設立，不僅使該課程的相關學生和實驗指導教師及時了解教學安排、教學要求以及教學進程，而且?guī)熒g就教學過程中的相關問題可隨時互動。

2.1.2 學習管理模塊

學習管理中學生可看到所有實驗項目，在每個實驗項目下有：實驗內(nèi)容、實驗微課、預習測試、實驗數(shù)據(jù)、實驗報告、實驗作業(yè)、實驗問答、成績管理、仿真模擬九個欄目。學生通過這些欄目可以有針對性地開展化學實驗預習、模擬、復習，且這些環(huán)節(jié)不受時空的限制。

2.1.3 實驗室管理模塊

利用虛擬化技術，實現(xiàn)了所有實驗室可視化，學生可以自主選擇相應的實驗室和儀器設備進行360度觀摩，讓學生在未進實驗室之前就能對實驗室及儀器都有比較直觀的認識。實驗室管理模塊還具有網(wǎng)絡預約功能。學生可以在完成一系列預習評估的基礎上，進行在線預約實驗，經(jīng)過相關教師授權后可以進行實驗操作及數(shù)據(jù)提交。

實驗室管理模塊可以對化學實驗室進行科學管理并提高效率，使線下教學運行更加流暢和高效。特別是像一些選修綜合實驗，以往學生經(jīng)常要和實驗管理員反復溝通、預約，才能做一些合成和測試，利用實驗室管理平臺后，學生對實驗室的空閑時間一目了然，有效避免了不必要的實驗時間沖突。通過該模塊，可以初步實現(xiàn)學生實驗的完全開放及自主學習。

2.1.4 遠程實驗模塊

學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開大型儀器設備，然而大型儀器設備往往價格昂貴，且主要用于科研，很難進入本科生課堂。即使本科教學實驗室購置了部分大型儀器設備，也無法配置足夠的臺套數(shù)，無法普惠學生[8,9]。目前已經(jīng)對學校測試中心的大型核磁共振儀、氣相質(zhì)譜(GC-MS)、原子發(fā)射質(zhì)譜(ICP-MS)等大型儀器實現(xiàn)了共享和遠程實驗。利用互聯(lián)網(wǎng)及高清攝像系統(tǒng)，我們可以在多媒體教室及普通實驗實進行相關大型儀器的測試與教學。在助教的協(xié)助下，學生可以遠程觀察每個測試步驟，對一些復雜的步驟，可以通過錄播反復學習模擬。遠程實驗的數(shù)據(jù)即時傳送到服務器，學生就可以進行相應的數(shù)據(jù)處理，得到相應的化合物信息。

2.1.5 虛擬仿真實驗模塊

根據(jù)學部開設的化學實驗課程實際情況，建設虛擬仿真實驗庫時，對于市場上成熟且經(jīng)典的商品化虛擬仿真實驗直接采購，例如傳統(tǒng)的氣相色譜、液相色譜仿真實驗等。但還有很多實驗的內(nèi)容及設備具有一定的特定性，比如離子色譜、原子發(fā)射等實驗以及材料加工方面的實驗采用與相應的軟件公司定制或聯(lián)合開發(fā)。目前儀器分析已有8個虛擬仿真實驗，材料加工已有6個虛擬仿真實驗。

2.2 線下化學實驗實操平臺——硬件建設

實驗室目前已經(jīng)初步建設成一個現(xiàn)代化的多媒體網(wǎng)絡化實驗室。儀器專用實驗室11間，總面積700多平方米，圖3展示了部分實驗室照片。有儀器設備50臺(套)，其中包括氣相色譜儀、液相色譜儀、多功能電化學分析儀、電化學工作站、紅外分光光度計、紫外分光光度計、熒光分光光度計、原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀、離子色譜、毛細電泳等大型儀器。儀器總價值500多萬元。每個實驗的儀器設備都實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，每個實驗室均配備了大屏幕顯示設備，可以實現(xiàn)多媒體教學及演示操作，解決了教師在進行實驗示范操作時，學生無法看清屏幕內(nèi)容等問題。儀器電腦都與服務器及數(shù)據(jù)存儲器鏈接，具有實驗數(shù)據(jù)實時更新提交等功能。部署了專用的儀器分析實驗教學服務器，滿足教學管理以及網(wǎng)站建設等功能。多媒體教室可以進行實驗講解以及進行大型儀器，如核磁共振儀的遠程教學演示。初步實現(xiàn)了實驗室智能化管理。

圖3 智能化線下實驗室

大型儀器遠程實驗室建設是一個系統(tǒng)工程。大型儀器一般都建有專門的實驗室，主要是學校和學部的測試中心負責運行和管理，首先要和這些部門進行溝通和協(xié)調(diào)，在合理的位置部署高清云端攝像頭，在儀器控制電腦上安裝遠程訪問和控制的客戶端，部署專門的訪問線路等，然后在線上平臺預留專門的程序接口，可以實現(xiàn)快速訪問。

3 線上線下混合式實驗教學模式的實踐

在軟硬件基本完成建設的基礎上，實驗教學中心在本科生基礎化學實驗教學中積極開展線上線下混合式實驗教學。線下實踐是化學實驗課程的重要環(huán)節(jié)，線上學習的目的是為線下實踐服務[10,11]。完成線上學習后，學生走進實驗室時對整個實驗心中有底了，實驗指導教師只需花少量時間檢查討論實驗中的幾個關鍵問題，節(jié)約了講解時間，增加學生實踐機會。在實驗過程中一旦操作有問題，學生可隨時上網(wǎng)看視頻的正確操作，有利于儀器的使用和維護，保障了儀器的正常運行。

核磁共振波譜儀在現(xiàn)代化學研究中具有非常重要的作用，但大型核磁共振儀比較昂貴，很難在大學本科實驗教學中開展相應的實踐，我們的線上線下混合式實驗教學很好地解決了這個難點。我們在核磁中心專門部署了高清云攝像頭，先采用遠程教學，教師可以在普通教室或多媒體教室進行遠程控制，助教在核磁中心做好配合工作。學生通過攝像頭可以觀看600兆大型核磁正常的測試過程以及每個操作細節(jié)(如圖4所示)。我們在教學實驗室配備了80兆臺式小型核磁picoSpin 80，該核磁的磁體是永磁體，不需要液氦、液氮冷卻，大大節(jié)約了成本，但基本工作原理是相同的。學生觀看了遠程操作演示，親自動手在小型核磁上進行進樣、數(shù)據(jù)采集、譜圖處理，這樣就基本掌握了核磁的測試過程及操作方法。

在熒光物質(zhì)定量分析實驗中，首先要尋找最強的發(fā)射峰位置以及最佳的激發(fā)波長，同時要避免來自光源散射光的影響，操作過程比較復雜，以往傳統(tǒng)只有線下實踐時，跟著教師的指導才能完成，很快就忘記，因此期末考試很害怕抽簽到該實驗。實行線上線下混合式教學模式后，因為預習透徹、實操到位，且有視頻的隨時指導，學生一致反映說不害怕做這個實驗了。

3.1 學生學習自主性

線上線下混合式實驗教學模式以學生為中心，學生可以利用豐富的線上線下實驗教學資源，結合自身的實際情況，充分發(fā)揮主觀能動性，進行相應的實驗學習和訓練，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有積極的作用。教師在實驗教學的實施過程中，已經(jīng)從一般的施教者轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炈夭暮蛯嶒灧桨傅奶峁┱?，從手把手示范演示到放手讓學生自主探究實踐。

3.2 實驗內(nèi)容全面性

以往，學生一般通過實驗課本開展實驗的預習，由于課本內(nèi)容無法即使更新，特別是在儀器方面的學習過程中往往一頭霧水，通常就是照搬一下實驗原理、實驗步驟等，效果很不理想?，F(xiàn)在線上實驗平臺上不僅有實時的實驗內(nèi)容，還有原理講解、示范操作等微課，學生對相應的化學實驗不僅可以系統(tǒng)地掌握理論方面的知識，更對實驗過程及操作有了直觀了解，進入實驗室后可以快速高效地開展實驗。

3.3 實驗教學互動性

線上化學實驗教學平臺是實驗教學的互動中心，學生-平臺、學生-學生、教師-學生、教師-平臺各個方面都能夠進行即時的互動與聯(lián)系，為實驗教學的順利開展提供了各種便捷。

3.4 實驗實施開放性

通過搭建線上線下化學實驗平臺，充分利用物聯(lián)網(wǎng)進行狀態(tài)采集與監(jiān)控，整合實驗教學與管理的數(shù)據(jù)，簡化了實驗室使用與管理的流程，實現(xiàn)開放管理。師生不受時間和空間的限制，隨時隨地開展化學實驗的教學。

3.5 實驗評價過程性

學生在實驗預習-實驗操作-數(shù)據(jù)處理-實驗報告整個過程都是實時可追蹤，真正實現(xiàn)了化學實驗評價的過程性。實驗完成后學生依據(jù)平臺上自己的實驗數(shù)據(jù)進行結果處理，完成實驗報告并在線提交，指導教師直接在平臺上批閱實驗報告，評判實驗成績。有了平臺上視頻資料的指導，學生的實驗報告寫得完整了，針對性強了，且由于實驗數(shù)據(jù)當場上傳，保證了數(shù)據(jù)的真實性；尤其是有利于期終實驗考試，學生通過對微課和數(shù)字化實驗內(nèi)容的再次學習及實驗室的現(xiàn)場簡單復習，很容易把一學期所有儀器的操作要領重拾起來，從容應對操作考試。

4 線上線下混合式實驗教學的應用成果與效果評價

經(jīng)過三年的教學實踐，師生一致反映這種線上線下混合式實驗教學模式很適合化學實驗課程，教學效果有了明顯提高。

通過每年實驗課程結束后的問卷調(diào)查，師生對該教學模式的整體滿意度到達95%，線上教學平臺的整體使用感受滿意度達89%，教學需求滿足程度達85%，大部分學生認為對實驗理論學習、實驗操作以及操作考試有實質(zhì)性幫助。很多學生都說，以往通過書本預習后進入實驗室看到儀器設備感到迷茫和無從下手，需要教師重新花費大量的時間進行實驗講解，從而導致動手的時間和機會不多，操作水平和動手能力得不到提高，前學后忘，一出實驗室基本不記得什么了。線上線下混合式實驗教學模式很好地解決了以往化學實驗教學的難題，學生們既有直觀的學習素材，又能隨時復習鞏固，所以實驗操作考試時，學生的操作能力和實驗成績都有普遍的提高。

蘇州大學材料與化學化工學部的學生在最近3年在全國及省級化學實驗競賽中成果頗豐。獲首屆全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽團體一等獎，全國大學生化工設計大賽二等獎，江蘇省大學生化工設計大賽一等獎3項、二等獎2項，江蘇省大學生化學化工實驗競賽一等獎4項、二等獎2項、三等獎4項，首屆江蘇省普通高等學校大學生“安萊立思”杯水處理實驗邀請賽特等獎2項、一等獎2項、二等獎2項，江蘇高校化學化工聯(lián)盟大學生實驗競賽特等獎1項、一等獎3項、二等獎2項等數(shù)十項國家級、省部級和校級榮譽。

5 線上線下混合式實驗教學的實踐經(jīng)驗

探索形成了化學專業(yè)實驗教學的新理念。提出“培養(yǎng)具有嚴謹求實的科學態(tài)度，實驗技能精湛，具備創(chuàng)新思維能力和復雜問題解決能力的理工交叉融合創(chuàng)新人才”的化學專業(yè)實驗教學理念，并以此為指導，對面向理工交叉融合創(chuàng)新人才培養(yǎng)的化學專業(yè)實驗教學體系進行了綜合改革與探索。

構建并實踐了線上自主學習和線下指導教學虛實結合的翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學模式。通過基于在線實驗教學平臺的線上自主學習和仿真實驗，基于線下面對面課堂實驗教學的指導教學以及二者相融的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，實現(xiàn)了學生全員實驗、全天候?qū)嶒?、全過程記錄的實驗時空全覆蓋，有效增強了學生的實驗技能和問題解決能力。

構建了立足實驗教學平臺、實驗教學資源、實驗教學模式、實驗教學評價四位一體的線上線下融合式化學實驗教學體系。通過建立在線實驗教學平臺、拓展數(shù)字化實驗教學資源、創(chuàng)新實驗教學模式、改革實驗教學評價方式等多個維度構建的線上線下混合式化學專業(yè)實驗教學體系，為新時代理工交叉融合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育改革和實驗教學創(chuàng)新提供了有益的借鑒。

大學化學實驗作為理工科實踐教學的重要環(huán)節(jié)在許多高校均開設有不少課程，本項目探索建立的基于線上線下混合式實驗教學模式具有可移植可復制性，而且該教學模式建立以后很易實現(xiàn)完全開放實驗體系，具有較強的實踐意義和推廣價值。