趙潔妤，石碧清，全玉蓮，裴培，鄭艷芬

河北環(huán)境工程學院環(huán)境工程系，河北 秦皇島 066102

環(huán)境質量惡化使人們對環(huán)境質量關注度日益增加，儀器分析對于環(huán)境質量監(jiān)測至關重要，高效、高靈敏度的現代化檢測方法是環(huán)境監(jiān)測的必由之路。但目前高校儀器分析課程教學普遍存在以下三個方面的問題：一是教材內容滯后；二是學時有限，所學內容有限；三是教學內容抽象[1-4]。長期以來這三個問題不同程度上困擾著各大高校儀器分析課程的教學。另外由于實驗條件限制，目前主要的教學活動基本上還是以傳授知識為主體，沿襲中學應試教育的知識傳輸與接受模式，以學分和考試成績作為學生學習的主要動力，因此很難改變學生被動學習、死記硬背的現狀，這些都使得學生對儀器分析課程學習興趣不足，更看不到此課程在理論與應用上的重要性[5-8]。

本論文以科學發(fā)展史和科研成果豐富課堂教學內容[9-11]，對儀器分析色譜章節(jié)進行趣味化設計，借助翻轉課堂[12]手段進一步提升學生學習興趣及自主學習能力，設計多維評價環(huán)節(jié)有效反饋教師教學和學生學習程度，呈現儀器分析課程的教學探索與研究成果。

1 教學探索研究

1.1 總體設計方案

以色譜導論為例，簡單介紹以學生為中心的儀器分析教學探索與研究成果?？傮w設計框架見圖1，從三個層面進行設計，分別是趣味提問、翻轉課堂教學和有效評價，通過三個部分的師生互動、交流總結及測試，及時高效地反饋教學效果，最后結合綜合考核量化教學成果。

圖1 趣味性融合教學課堂設計構架

1.2 趣味情景設計

對于色譜理論章節(jié)，結合課程教學目標和內容，通過結合歷史背景提問的方式激活課堂，通過一些常識反差和趣味講解，提起學生興趣，循序漸進、層層遞進與課程內容銜接。問題設計如下(圖2)：

圖2 問題設計環(huán)節(jié)中相關的PPT展示

(1) 中國古代的太上老君與牛頓有何共同愛好？

(2) 同一科研想法，為何在東方和西方文明背景下導致截然不同的科研方向？

(3) 世界大戰(zhàn)如何催生色譜家族？

(4) 色譜界的東邪西毒是誰？

第一個問題將看似毫不相關的兩個人聯系在一起，很好地提升了學生的興趣，講解二者共同愛好為“煉丹術”，那為何東方的煉丹術發(fā)展成為毒死皇帝的巫術，而西方的煉丹術發(fā)展為現代分離技術，進而發(fā)展為色譜法。課堂在闡述二者共同愛好的基礎上引出色譜法的誕生。第二個問題進一步追問產生這兩者截然不同結果的原因，使學生深入思考東西方文明對人類思維和歷史走向產生的深遠影響。第三個問題將色譜分類與其發(fā)展的歷史背景聯系起來，在世界大戰(zhàn)背景下各國的軍事競賽催生色譜發(fā)展，讓學生在一個宏觀歷史脈絡下了解色譜法的前世今生。大背景明晰之后，將視野聚焦在色譜，將色譜比喻成武林，將分類比喻成武林中各大門派，將廣泛使用的氣相與液相色譜比喻為色譜“武林界”的東邪西毒。這樣使學生一下就清楚分類細節(jié)和常規(guī)使用儀器的名稱。

以問題導向的個體學習、小組討論、課堂展示等多種形式，對課堂上講授的知識進行深化和拓展，通過問題設計激發(fā)學生的學習熱情，將色譜法的定義、分類、機理和使用范圍進行講解，有利于學生迅速掌握核心知識點。

1.3 翻轉課堂

傳統的儀器分析教學過程，色譜知識點很難內化，學生自主能力弱，學生對儀器分析課程課堂效果普遍反映沉悶無趣。我們通過理論課程講解之后，布置6個擴展主題的學習任務，通過分組討論、小組匯報和教師點評等環(huán)節(jié)開展課堂翻轉，極大提升了學生的參與度、融入感和主體性。具體做法如下：學習任務中的6個選題分別是：1) 色譜理論發(fā)展史；2) 與色譜有關的諾貝爾獎獲得者；3) 與質譜有關的諾貝爾獎獲得者；4) 我國科學家在色譜發(fā)展中的貢獻；5) 百年色譜發(fā)展史給我們的啟發(fā)[13]；6) 舉例在環(huán)境檢測與生物醫(yī)藥中哪些物質的檢測利用了色譜方法(所使用的儀器屬于哪類？機理是什么？與之前學習的光譜法有何區(qū)別？)。

六個選題設計層層遞進，由淺入深激發(fā)學生探究問題的學習興趣，課堂氣氛迅速激活，理論知識不枯燥，與課程思政、歷史發(fā)展和趣味比喻有機融合。知識理論背后涌動的是歷史發(fā)展下的科學工匠精神，讓學生愛上愛學，同時構建色譜知識體系。前四個選題意在利用線上課堂拓展學生專業(yè)知識，后二個問題是在前四個問題基礎上有所提升，需要進一步對色譜發(fā)展總體認識進行歸納總結，在自主學習過程中結合課上理論知識進行拓展再學習。通過百年色譜發(fā)展史的簡短回顧，不僅再一次深刻認識色譜分類與機理，而且通過百年歷史中科學精神的傳承，將思政教育升華到自身啟迪，落實到學生平時的行動中。最后一個選題是在色譜導論學習的基礎上，對知識點的綜合分析與應用，進一步深化核心知識點。

在翻轉課堂教學中，學生根據這6個選題，以課下小組討論的形式對擴展內容進行交流和分享，要求每人寫一篇觀后感文章發(fā)送到學習通上，以學生互評的方式給予評價，最后學生將討論內容以講故事的形式，用PPT或視頻等方式展示在課堂中，要求一人負責制作，一人負責演講，一人負責回答問題。充分調動每一位學生的學習熱情。如圖3展示，很多同學在介紹我國科學家貢獻的同時，都提到了徐光憲院士，他是“稀土界袁隆平”，研發(fā)稀土回流串級萃取，打破國際壟斷。他終結中國出口稀土“賤賣命運”，推動稀土走向合理競爭。這些科學家的介紹燃起同學們的愛國熱情。通過學生自己親自講解我國老一輩科學家的工匠精神，使思政教育更自然有親和力，同時也更接地氣。最后由教師進行總結歸納。通過線上線下的多元化學習模式，學生不僅對核心知識點理解更深入，而且在小組討論和演講過程中，充分發(fā)揮了學生的自主學習和探究的熱情。

圖3 翻轉課堂課堂照片展示

1.4 多維有效評價環(huán)節(jié)

(1) 有效及時反饋。

我們采用學習通的測試環(huán)節(jié)，題型多為客觀題，通過課前、課中和課后測試，有效快速了解學生對課堂內容的掌握情況，并及時調整教學計劃，更有針對性地講解難點重點，并對學生掌握的知識盲區(qū)進行隨時補充和強化。

(2) 學生成為有效評測的主體。

儀器分析是一門交叉學科，知識點繁多，識記理解難。學生學習過程中經常出現學了后面忘了前面的現象，而且知識點之間不能建立聯系。我們采用學生作為有效測評主體的方式，即讓學生出測試題提交到學習通，然后利用學習通的隨機批閱，讓學生交換測試題作答，互對答案，并給出測試成績作為平時作業(yè)成績的依據，占比50%；教師根據學生出題質量、知識點覆蓋度、題目設計邏輯性和嚴密性以及答案是否完善合理等進行進一步評價，占比50%。這種測評方式很多學生反映出題比做題難度大，做題只需要針對題目進行作答，而出題就需要通盤考慮，不僅要考慮知識點之間的聯系，還要巧妙設計題目和答案，這樣會讓學生在出題過程中對知識點進行更深入的思考。

(3) 開展“活學活用”測評。

在環(huán)境領域中很多測定指標的國標分析方法是基于光譜分析方法，但隨著我國環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的發(fā)展，基于光譜分析的常規(guī)分析方法已經無法滿足日益增加的監(jiān)測需求，急需針對全組分有機污染物的本體及其前體物和代謝物的全方位監(jiān)測，能夠詮釋污染物來源、成因及致毒機理。這就意味著對環(huán)境監(jiān)測設備的精度要求越來越高，必然會向色譜及色譜質譜聯用方法傾斜。基于此，我們采用“活學活用”評測方式，針對現有環(huán)境監(jiān)測指標的國標分析方法，讓學生通過查文獻的方式檢索色譜替代法，并闡述色譜法與原有方法的區(qū)別及各自優(yōu)缺點。學生在查閱文獻自主閱讀的過程中，不僅對現有監(jiān)測方法有一個整體了解，更重要的是通過與原有方法對比，梳理所學光譜法與色譜法，更深入理解色譜分離機理以及不同的分析方法在解決具體問題時具有的優(yōu)勢和局限性，深切體會儀器分析不斷發(fā)展創(chuàng)新的新技術、新方法和新思路，初步感悟前沿文獻中的創(chuàng)新性思維，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

最后通過上述三個方面學生的表現和課前、課中及課后測試，掌握學生對知識的運用能力，調整考核內容并進行綜合考核量化教學效果。

(4) 教學效果反饋。

以2019-2020學年和2020-2021學年第二學期的儀器分析課程進行對比，教授對象為河北環(huán)境工程學院環(huán)境科學系18級和19級本科生，學時均為56學時，2020-2021學年第二學期進行以學生作為有效評測主體的教學方法。由圖4可知，經過這樣的題型設計，2020-2021學年第二學期使用新的教學方法進行儀器分析色譜導論課程測試，其成績明顯高于2019-2020學年第二學期的儀器分析課程，優(yōu)秀率由63%上升到72%，不及格率由7.9降至為0%。

圖4 2020年和2021年儀器分析中色譜導論測試成績對比圖

以2019-2020學年18級授課班級為對照組，2020-2021學年19級授課班級為實驗組，兩組的學生人數均為30人。無機及分析化學作為儀器分析的前期基礎課程。表1是對照組和實驗組的教學效果評價對比[14-16]。通過對比說明兩個組在無機及分析化學考試成績無顯著差異，故可說明兩個班的學生在儀器分析課程的前期課程是處于同一水平的。兩組考試題型一樣，并且表2中兩組的難度系數和區(qū)分系數基本一致，這些說明試卷難易程度適中，區(qū)分度一致，而實驗組的儀器分析課程經過趣味設計、翻轉課堂和綜合評價等多種教學方法的應用，與對照組的考試成績有顯著差異，優(yōu)秀率有顯著提高，優(yōu)秀人數由2人提高到11人。這些結果表明經過為期一年的以學生為中心的儀器分析教學方法取得了一定的成效。

表1 2020年和2021年儀器分析教學效果評價

表2 2020年和2021年儀器分析期末考試成績對比圖

2 結語

儀器分析是環(huán)境監(jiān)測的眼睛，是后續(xù)環(huán)境分析與評價的基石，在環(huán)境類專業(yè)中占有非常重要的地位。但由于儀器分析課程自身知識體系的復雜性、理論抽象性、涉及學科的交叉性，都使得學生在學習過程中難以內化，不能靈活應用?；诖?，對儀器分析色譜章節(jié)進行趣味化設計和擴展，以趣味提問講解、翻轉課堂，以及利用多元、及時、有效的多種評價手段，充分調動學生學習的主觀能動性，提高他們提出問題、解決問題的能力，使學生愛上愛學，使儀器分析課程變得有趣有味。本文介紹的以學生為中心的色譜理論教學改革已經開展1年多，雖然通過教學效果和學習成績來看取得了一定成效，但教學改革過程是漫長而修遠的，我們仍將努力向前，將教學改革成效擴展到每一個知識點，進一步提升儀器分析課程的課堂教學效果。