开展线上线下混合式教学助推大型仪器面向本科生开放

汤海峰，刘 艳，闫国栋，滕利荣

（吉林大学 生命科学学院，吉林 长春 130012）

人才培养是大学的本质职能，课程是人才培养的核心要素。2018年8月，教育部印发了《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》（教高函〔2018〕8号），要求各高校“全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，切实提高课程教学质量”。推进大型仪器面向本科生开放是打造实践教学“金课”的有效途径。大型仪器开放教学不但可以训练学生的实验技能，对他们分析问题、解决问题和科技创新能力的形成也具有不可替代的促进作用[1]。但大型仪器参与当前高校本科实践教学的程度仍然较低[2]。仪器设备台套数少、运行周期长、运行或维护成本高、专业技术人员缺乏等是制约大型仪器面向本科生开展规模教学的主要因素[3]。此外，部分大型仪器操作难度大、对操作水平要求高或精密度高、易损坏等特性也影响了大型仪器向本科生开放。据 2016年进行的不完全统计，我国拥有价值50万元以上的大型科研仪器设备约7.3万台（套），总价值1042余亿元[4]。大型科研仪器如果不能在人才培养上发挥应有的作用，不但会造成优质教育资源浪费，还会制约我国高端科技人才的培养，不利于缩短与发达国家的科技差距。探索大型仪器面向本科生开放的高效教学模式，始终是高校教学需要解决的难题。线上线下混合式教学为大型仪器的开放教学开辟了新路径，利用视频微实验和虚拟仿真技术在线开展大型仪器认知性知识教学，利用实体课堂进行技能训练、强化在线学习效果，实现了虚拟课堂与实体课堂的深度融合，有效提高了大型仪器开放教学的效率和效果。我校生物国家级实验教学示范中心（以下简称“中心”）在这方面进行了卓有成效的探索与实践。

1 大型仪器开放教学的目标与实现方式

教学目标是对学生具体行为的陈述，是指学生在具体的教学活动中所达到的学习成果或最终行为[5]，教学目标是教学活动的导向系统，具有明确的教学目标才能使教学实践活动有的放矢。在进行教学设计时，一般从“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值”等三个维度设定教学目标[6]。“知识与技能”属于结果性教学目标，它的要求明确、可测量、可评价，是实践教学活动的本质要求，而后两者属于体验性教学目标。

1.1 结果性教学目标的设定与实现

本科生毕业后在科研、教学和生产等岗位上常常需要利用大型仪器解决复杂的科学问题或工程问题，因此他们应该知道如何选择大型仪器并灵活运用大型仪器。这就要求他们必须了解仪器的用途，理解仪器的功能与工作原理，熟练掌握仪器的操作方法，初步学会仪器的保养方法和常见故障的排除方法。这些要求构成了大型仪器开放教学的“知识与技能”维度教学目标。而对仪器设计、开发等相关专业的学生，则需要设定更高的教学目标。

“知识与技能”维度教学目标由“认知性目标”即理论知识和“技能性目标”即实践技能两部分组成（见图1）。针对“认知性目标”进行教学时并不需要实践操作，通过线上教学就能实现。而“技能性目标”必须通过实操练习才能实现。技能的形成包括操作定向、操作模仿、操作整合和操作熟练等四个阶段。“操作定向”和“操作模拟”阶段可以通过线上虚拟学习达到“初步学会”的目的，而“操作整合”和“操作熟练”阶段是必须通过反复操作才能完成的，这也是大型仪器开放教学的重点内容。

图1 结果性教学目标的设计与达成方式

综上所述，大型仪器开放教学的多数教学内容可以通过线上教学来完成，而对于操作方法等重点教学内容则应采用线上辅助教学方式，来增强实体课堂的教学效果和效率。

1.2 体验性教学目标的设定

1）“过程与方法”维度教学目标。

大型仪器开放教学除了传授知识和培养技能以外，还应通过讨论、对比等方式进行归纳总结，使学生能够举一反三，同时引导学生对自身学习进行计划和反思，建立个性化的学习方法。在设定具体的“过程与方法”维度教学目标时，可以根据仪器的特点和教学方法的多样性从以下几方面进行：①通过对大型仪器的实际操作或虚拟操作提高动手、动脑和运用知识的能力；②通过讨论、分析、对比等方式使对单一仪器的知识和操作技能得到升华，发现科学仪器原理和操作方法的一般规律，实现举一反三；③通过对学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习能力。

2）“情感、态度与价值”维度教学目标。

学生的情感变化是长期教育的结果，很难预料在一定的教学活动后学生的内在情感会出现哪些积极的变化[5]。大型仪器开放教学的“情感、态度与价值”维度教学目标要与其他课程同向而行、同频共振。在各种仪器的教学活动中可以通过引导、激励、感染、情感共鸣等方式逐步实现以下目标：①通过对大型仪器的实际操作或虚拟操作培养对学科知识的学习兴趣、学习动机，提高参与科技活动的热情；②树立唯物主义世界观，养成求真务实、勇于创新、积极实践的科学态度；③树立热爱祖国、为建设社会主义事业而学习的责任感和使命感。“情感、态度与价值”维度教学目标是多样的，只要有利于学生身心发展和价值观形成都是合理的，但应与专业的总体目标相一致。

2 线上线下混合式教学平台的搭建

2.1 在线教学平台的搭建

1）大型仪器虚拟仿真平台的建设。

虚拟仿真实验项目是学科专业与信息技术深度融合的产物，是拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[7-8]。但虚拟仿真实验项目建设要遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[9]。开发大型仪器类虚拟仿真实验项目时要进行准确定位，既要考虑资金效益也要考虑社会效益，要优先选择对本科生开放教学难度较大的复杂设备（如电子显微镜等），而不是那些简单的常规设备。

自主开发或市场引进是搭建虚拟仿真教学平台的主要方式。自主开发需要多方面专业人员的协同合作，对团队的知识和技术要求较高，开发周期较长[10]。而直接从市场上引进成熟的项目不但能做到优中选优，还能节约资金和开发时间，快速实现教学应用。

为了实现现代信息技术与课堂实验教学的深度融合，中心搭建了虚拟仿真实验教学平台，购买或自主搭建了扫描电镜等 7项大型仪器类虚拟仿真实验项目，为混合式教学提供了线上资源与功能平台。

2）大型仪器视频微实验项目的开发。

动辄几十万元的建设成本和“能实不虚”的建设原则限制了大型仪器类虚拟仿真实验项目的规模化开发，而采用教学录像的方式开发视频微实验项目，则是另一种在线教学资源形式。从资金和时间成本上看，视频微实验要比虚拟仿真项目更具优势，而且视频微实验项目对仪器操作细节的展现更加细腻和具体，增加了在线教学的直观性。

由我校牵头、复旦大学等30所高校参加联建、高等教育出版社出版的《生物学实验基本技术与方法数字化课程》（ISSN 9787894238115），收录了激光共聚焦显微镜等 77种仪器及其基本使用方法的视频微实验项目，为生物学领域常用的大型仪器教学提供了丰富的线上资源[11]。

2.2 线下大型仪器教学平台的搭建

技能培养是实践教学活动的基础目标。虽然现代信息技术能够有效拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学时间和空间，但实体课堂仍然是实践教学活动的主战场。为了提高实践教学质量和人才培养水平，中心搭建了实验教学、中试实训、科研训练和大型仪器训练融通的实践教学共享平台（见图2）。其中的大型仪器训练平台包括各类生物学大型仪器 58台套，对学生提高实验技能、巩固生物学实验知识、增强科技创新能力发挥了重要作用。

图2 线下实践教学平台

3 大型仪器线上线下混合式教学的实践

3.1 大型仪器开放教学体系构建

依托相关实验、实训课程进行大型仪器教学，有利于学生构建系统的学科知识，避免形成知识孤岛。中心通过改造实验项目内容将大型仪器教学融入到认知实习、各门实验课、开放性实验、校内实训和研究创新实验等课程中[12]。通过各门课程前置的基本技术训练环节和课程中的实际操作环节，使学生大型仪器操作能力逐步提高，最终达到灵活运用的水平。对液质联用仪等功能较多、能够独立成体系及中试机组等无法整合进实验项目的大型仪器，将通过“大型仪器训练专题”项目独立开展教学。

3.2 线上线下混合式教学的开展方式

不同于单纯的实体课堂教学，混合式教学在课堂上引入了现代信息技术。为了充分发挥信息技术的优势，需要对传统的教学流程和方法进行重构。经过探索与实践验证，中心在原有教学方法的基础上，发展出了新的“SSR教学方法”，即：线上学习（study online）、线下强化（strengthen offline）、线上复习（review online）。

学生通过学习视频微实验或操作虚拟仿真实验项目，可进行大型仪器的初步学习。这个学习阶段要求学生了解仪器的主要用途、理解仪器的功能与工作原理，初步学会仪器的标准操作方法、维护与保养方法及常见故障排除方法。

技能培养是实验教学的核心。以虚拟仿真实验和视频微实验项目为代表的线上实验教学资源，是实体课堂教学的有益补充，但不能完全代替实体课堂。通过线下实操对线上获得的学习体会进行补充和强化，是大型仪器混合式教学能够成功的关键。学生完成线上学习任务并通过在线考核后，就可以获得线下实体课堂的学习资格，然后可通过各门实践课程和大型仪器训练专题项目进行线下学习。大型仪器一般台套数较少，很难开展规模化教学，但由于学生进入实体课堂前已经进行了在线学习，将使大型仪器的实体课堂教学效率得到显著提高[13]。中心在实体课堂教学过程中，还将同类设备或在同一学期应用的设备编组，采取轮训的形式进行教学，使教学效率得到进一步提高[12]。

“学而时习之，不亦乐乎”，复习对巩固原理性知识的重要性不言而喻，对技能的形成也至关重要。技能的形成是一个循序渐进的过程。多数学生技能的形成都符合先快后慢的“技能练习曲线”[14]。有限的课堂教学很难使学生对某种大型仪器操作的熟练程度达到较高水平且终身不忘，因此需要通过反复的复习式练习进行不断的巩固和持续提高。现场实操是最好的复习方式，但受学习资源的限制，学生很难在实体课堂上进行无限的复习。通过在线学习平台进行复习虽然不是最佳途径，但却是最可行和较高效的方式。

4 结语

落实大型仪器开放教学是提升高校实践教学质量、培养学生综合素质的有效方式。以在线教育为代表的现代教育技术正在推动新一轮教学方法的革命。大型仪器开放教学不能局限于传统的教学方式，要深入挖掘传统教学方法与现代信息技术的结合点，用信息技术手段来突破限制大型仪器面向本科生开放教学的瓶颈。学生通过线上学习虚拟仿真实验和视频微实验项目，可以实现对大型仪器知识的掌握和技能的初步形成，进而减轻实体课堂的教学压力，提高课堂教学的效率和效果。对一些确实无法为本科生提供上机操作的高端大型仪器，通过虚拟仿真教学能够使学生“初步学会”仪器的相关知识与技能，这对他们创新能力的培养也具有重要意义。