虚实结合模式在“现代仪器分析实验”中的教学改革与实践

樊强文， 任绘君， 武国蓉， 李建强， 杨水平， 罗明标

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

“现代仪器分析实验”是化学和相关专业的主干课程，该门课程承担着提高学生综合应用理论知识及实验技能来解决实际问题的教学任务，对培养高素质的应用型人才具有重要促进作用。然而，随着国家需求的转变和科学技术的发展，传统的“观摩式”教学存在的问题日益凸显，已难以满足时代的要求和实现培养理论知识与实践技能并重的应用型人才的目标，因此亟须对“现代仪器分析实验”的教学模式进行改革探索。

1 “现代仪器分析实验”教学现状及存在的问题

“现代仪器分析实验”是操作性极强的一门课程，对帮助学生进一步掌握仪器结构、工作原理、操作方法具有极其重要的作用。如今，仪器分析检测已完全深入人们的日常生活中，在化学、医学、环境、地质等诸多领域均发挥着重要作用。因此，对仪器分析检测人员的需求日益凸显，尤其是新冠肺炎疫情的突然爆发，为我国分析检测人才的缺口敲响了警钟。绝大多数高校都开设了现代仪器分析理论及实验课程，以培养应用技术型人才。“现代仪器分析实验”课程作为将仪器分析相关理论转化为生产力的桥梁，在本科实验教学中发挥着不可替代的作用[1，2]。然而，在以往传统的“现代仪器分析实验”教学中，全国各类院校都面临着诸多共性问题，使得该课程的教学流于表面，无法实现对知识点的深入讲解，教学质量大打折扣[3，4]。总体来说，当前“现代仪器分析实验”教学主要存在以下三方面的问题[5-7]。

1.1 仪器设备相对欠缺

近几年来，由于高校招生规模的持续扩大以及教学经费和教学场地等因素的限制，导致现代仪器分析设备人均数量严重不足，极大地制约了学生操作能力及专业素养的培养。以东华理工大学应用化学专业“现代仪器分析实验”课程为例，该门课程开设了原子吸收、原子荧光、红外光谱、气相色谱和高效液相色谱等仪器分析实验，人均设备数量无法满足正常教学的需要。为了在有限条件下提升教学质量，尽可能地使学生在课堂上的收获最大化，教师通常采用分组模式分批教学。尽管如此，由于每个小组的学生较多，能深入接触及使用仪器的时间极其有限，这导致学生无法发现在使用仪器过程中可能遇到的问题，使动手能力及发现和解决问题能力的培养大打折扣；同时，由于实验课程学生的自由度相对较大，在分组式教学过程中，教师也较难照顾到每一位学生，使得学生学习质量降低，这与该门课程的教学任务背道而驰。

1.2 设备维护成本高

由于仪器分析实验的特殊性，使用的设备大都是大型精密仪器。这类仪器对使用者都有一定的技术要求，而且对配套设施、运行环境要求比较严苛，若操作不当，难以保证其稳定地运行，也较容易引发仪器故障。例如，在教学过程中较常见的问题是学生的进样方式不对，导致进样针变形甚至断裂；进行高效液相实验时，若样品未经滤膜过滤，将固体杂质连同测试样品载入进样系统，易导致色谱柱和管路系统堵塞。然而，像这种精密仪器的维修周期较长，且成本过高，这势必导致实验成本的增加，而且也影响正常的教学安排。

1.3 考核方式单一

与理论课程的考核方式不同，实验课程的考核应该更注重过程的考核，例如，学生操作的规范性。传统教学模式对学生成绩的评价方式主要依赖于学生的预习报告与实验报告，尽管通过实验报告可以间接地考察学生的学习态度、数据记录的规范性等，但是缺乏过程性评价，无法真正地实现对学生操作技能的考核。然而，实验课程的关键任务之一就是培养学生的动手能力。很显然，传统的评价方式较为片面，不能全方位地考核学生对实验目的的掌握程度。

综上所述，“现代仪器分析实验”的传统线下教学模式，存在设备数量紧缺、设备维护成本高、授课形式单一等多方面问题，已难以满足对当代大学生培养的需求。因此，探索一种既可弥补传统教学模式的不足，又能充分调动学生积极性的教学模式具有重要意义。

2 虚拟仿真实验辅助传统实验教学的优点

虚拟仿真实验教学主要通过多媒体、仿真软件等设备得以实现，是国家大力提倡的一种新型教学方法。在虚拟仿真系统中，采用3D动画模拟的形式将线下的大型分析仪器呈现在计算机终端，学生可参考软件操作说明进行仪器操作练习，进一步熟悉专业基础知识，而且通过线上的操作可实现线下教学不可能达到的目的，为提升学生的操作技能、实现教学实验大纲所要求的教学目的具有积极的促进作用[8-12]。具体而言，将虚拟仿真技术应用到“现代仪器分析实验”教学中有以下几种优势[13]。

2.1 解决仪器设备紧缺问题

仪器设备不足是众多普通高校面临的难题，也是制约教学质量提升的关键因素之一。在虚拟仿真系统中，一台终端电脑可同时安装多种分析仪器仿真软件。因此，通过增加终端电脑的数量便可有效地解决学生多与分析仪器台套少之间的矛盾。同时，由于仪器操作练习均在线上进行，这可有效地降低仪器损耗等相关问题，进而降低实验成本。

2.2 丰富教学内容

虚拟仿真实验以“以学生为中心”，能够形象地模拟实验教学模块，让学生最大限度地参与到实验操作中，弥补学生的学习盲点，激发学生的学习兴趣。高度仿真的虚拟环境，能够客观真实生动地展示仪器结构、工作原理和实验过程中的各种细节，这是线下实验难以实现，甚至不可能实现的效果。学生能够深入掌握分析仪器核心部件，而且通过反复操作，提前熟知实验步骤，更有利于学生实际操作能力的提升。

2.3 激发学生学习兴趣

传统的线下教学模式对于理论知识和仪器结构的讲解抽象、枯燥，学生注意力难以集中。虚拟仿真平台通过系列形象直观的图片和演示视频，将这些知识点动态地进行展示，突破了传统实验教学法在学生眼中的刻板印象，可较大程度地激发学生的学习热情和兴趣，从而大幅提高课堂教学质量。

由以上分析不难发现，将线上虚拟仿真与线下传统教学模式相结合可形成完美的互补效应，即虚拟仿真软件可完美地解决由于线下设备紧缺而导致学生学习深度不够等问题，同时线下教学可解决线上教学无法实现实际操作环节的训练问题。因此，采用虚实结合的混合式教学模式开展仪器分析实验教学实践具有重要的实际价值。

3 虚实结合模式在“现代仪器分析实验”中的教学改革与实践

3.1 虚实结合，创新教学模式

采用“虚拟—过程性评价—真实—综合性评价”的授课模式对“现代仪器分析实验”课程进行讲授。通过虚拟仿真系统，课程学习基本可实现“一人一台分析仪器”的教学目标；在教师讲解完课程内容后，学生学习可自主地设置任意参数，多次反复地对仿真仪器进行操作。通过线上的练习，学生不仅可熟练掌握每个参数设定值对实验结果的影响，同时对仪器的熟练操作也起到了良好的训练作用。

显然，若只依托虚拟仿真软件进行教学，学生的学习效果与在真实环境下实际操作的效果必然存在某些差距，例如，学生无法遇到线下实验存在的操作问题，无法直观地感受由于实验结果中的系统误差。因此，线下的体验式教学也尤为重要。两者可形成良好的互补，学生既可体验虚拟仿真实验的全过程操作，又能亲身感受真实实验的实际操作过程，弥补虚拟环境的操作误差，锻炼自身的动手能力。实践表明，学生经过虚拟仿真训练后，学生线下的仪器操作技能更加熟练，无须教师讲解，就能独立完成实验教学内容。

3.2 虚实结合，创新教学内容

如今，高精密分析仪器的应用已经越来越广泛，这要求学生既要会熟练地操作仪器，也要掌握仪器的结构和工作原理，进而能够正确地对仪器进行维护甚至维修。采用虚实结合的教学模式，可基于上述要求对学生进行全面的培养。以东华理工大学应用化学专业的仪器分析实验中的高效液相色谱定性及定量分析为例，该实验按照教学大纲共安排6学时。在实际教学过程中，虚拟仿真安排了3学时，其余学时为线下实际操作练习。

在虚拟仿真教学过程中，教师利用仿真软件中“仪器分解”模块，将高效液相色谱进行拆解，并重点讲解每个部件的作用，使学生对整台仪器结构有更深入的认识。例如，对于进样系统中的“六通阀”部件，教师首先通过图片和动画展示相结合的形式对其工作原理进行讲解；然后借助仿真软件中内置的教学视频讲解仪器的操作流程，同时对使用过程中需要设置的参数以及每个参数的作用进行同步讲解，这些内容的讲解在传统的线下教学环节中是难以实现的；最后让学生自行练习仿真软件的操作，要求操作过程中自行设置仪器参数，操作熟练之后，进入“考试模式”进行线上学习的过关考核，考核合格者方可进入线下操作教学环节。

3.3 虚实结合，创新考核机制

考核制度是评价教学改革质量的关键，新的教学模式必然伴随着新的考核方式。在传统教学模式中，评价学生的成绩主要对实验预习报告和实验报告的规范性进行打分，忽略了关键的实验技能操作评价。在虚实结合教学模式下，教师重新拟定了考核方法，加大了对学生实操技能的考核。在新型考核方式中，课前，基于实验内容教师先发布1—2个思考题，课堂通过随机互动和查阅预习实验报告的形式，考查学生对理论知识的预习及运用情况；课中，线上课程重点考察实验操作合理性，线下除了考察学生的操作技能外，将学习态度等素质指标纳入课程成绩考核。课程采用理论知识课前预习(20%)、虚拟仿真操作(25%)、实操技能(25%)、实验报告撰写(30%)的考核比重，总成绩为各项分数之和的方式综合评价学生的最终实验成绩。该评价机制把整个实验流程都纳入了考核体系，能够更客观地反映学生对理论知识和操作技能的掌握情况以及反馈课程的教学质量。

4 结语

通过采用虚实结合教学模式对“现代仪器分析实验”进行教学改革，发现将虚拟仿真教学与传统线下教学模式相结合，不仅有效地解决了传统实验教学中仪器设备不足、学习成效较差等问题，同时也极大地提高了学生学习热情和积极性。此外，基于线上虚拟软件拆分模块和视频教学资源，可有效地加深学生对仪器结构及工作原理的认识，同时通过线上的模拟操作训练，有效帮助了学生熟练掌握仪器操作规范，并且可独立且快速地完成线下实验内容。尽管如此，虚实结合教学模式仍处于探索阶段，相关教育者仍需在教学中不断加以完善和创新，使之能够尽早地实现规模化应用。