光谱法实验多样性教学模式的设计与实践——以荧光光谱法实验为例

贾莉，马锴果，徐金荣，赵浩，朱志伟

（北京大学化学与分子工程学院，化学国家级实验教学示范中心，北京 100871）

0 引言

光谱法在基础研究和应用领域应用广泛［1］。光谱法实验是化学类本科生实验教学的重要组成部分，掌握分析仪器的基本组成、工作原理及分析方法是其重要教学目标，也是高水平化学人才的必备素质［2］。目前，我院开设的光谱法实验教学仍采用教师课前讲解和学生动手完成实验的传统教学模式，实验内容设置以验证性实验为主。但随着实验项目的开设，学生普遍反映实验形式照方抓药，内容缺乏多样化和趣味性，学生参与实验的积极性不高。以实验报告为主的成绩评定方式，也忽略了实验过程的重要性，并不能真实地反映学生对光谱分析技术的掌握情况。因此，丰富和拓展实验内容，改革和创新教学模式，势在必行。

目前，国内外都有报道学生动手搭建实验仪器并进行仪器应用拓展的大学化学实验［3-8］。此教学模式在提高学生实验兴趣、培养创新能力方面发挥了重要的作用，且与光谱法实验教学的需求相契合。因此，将此教学模式引入我院本科生光谱法实验教学体系。但如何在不增加原有课时且不减少原有实验内容的前提下，将这一独特的教学模式引入实际教学过程，以促进传统教学模式的改革和创新，还是值得探索的。本文以荧光光谱法实验为例，介绍了如何将自制仪器及应用拓展的实验模块与经典实验项目“饮料中硫酸奎宁的定量测定”内容相结合［9］，以实现激发学生的实验兴趣、培养学生理论联系实际和动手能力的作用，从而改善教学效果。

1 教学设计思路

针对传统实验教学过程中存在的问题以及目前的实验教学需求，在吸收国内外关于光谱法实验教学改革经验的基础上，根据学生的层次和能力，对传统的荧光光谱法实验教学进行了重新设计。实验教学过程是以学生为中心，以合理的课时安排和完善的实验体系为前提，将自制仪器及应用拓展、实际样品测定的实验模块引入常规实验教学，拓展实验内容的深度和广度。采用线上线下相结合的混合式教学模式，延伸实验教学的时间和空间，为拓展实验内容的开展创造条件。在教学过程中，分层次、分阶段逐步培养学生的综合实践动手能力，注重过程性评价，形成多元化的评价体系，并以问卷反馈来追踪学生对教学效果的评价。通过改革和创新教学模式，使实验教学将理论知识学习、动手实践和研究探索相结合，更好地实现教学目标。

2 教学设计的实施

2.1 教学内容

在实验内容的设计上，力求将基本操作技能和综合创新能力的培养相结合，促进学生理论与实践的融会贯通。原有的经典实验“饮料中硫酸奎宁的定量测定”以常规实验开展，以训练和学习基本实验技能为主。在此基础上，增加了自制仪器及应用拓展、实际样品测定的拓展实验模块。此模块作为学生综合实践动手能力的进阶，以探究型实验开展，具体内容包括：①利用乐高积木、LED 灯珠、硅光电二极管和简单电子器件搭建简易荧光光度计，绘制标准曲线并测定未知样品［10-11］；②自制荧光光度计的性能评价及应用拓展［11］；③利用自制仪器或商用仪器测定实际饮料汤力水中的奎宁含量。通过探究型实验，激发学生实验兴趣，加强学生创新能力和综合分析能力的培养。

原有经典实验用已知浓度的硫酸奎宁溶液作为饮料样品让学生进行测定，以检验学生实验数据的准确性。然而学习荧光光谱法不是为了学而学，而是要将其作为工具运用起来，以解决实际问题。所以，在探究实验中增加了实际饮料样品中奎宁含量的测定，让学生在解决实际问题的过程中体验学以致用的乐趣并从中获得成就感和自信心。

2.2 教学模式

（1）基于北京大学教学网，进行线上线下混合式教学。利用北京大学教学网作为学习平台来有效地组织学习资源，在教学网相应课程中建立了荧光光谱法实验板块，开展了线上线下混合式实验教学。课前，通过翻转课堂的形式让学生进行在线预习和测试，以增加课堂动手实践机会，为拓展实验内容的顺利开展创造条件。课中，通过常规实验与探究型实验来扩展知识的实际应用。课后，通过追踪学生在课前、课中、课后等环节的表现和问卷反馈来综合评价学生的学习效果，并配合微信讨论群来完善实验教学过程。整体的教学设计如图1 所示。

图1 教学设计

（2）优化在线教学资源，激发学生主动学习的意识。为弥补大学一年级学生理论知识方面的欠缺，激发学生自主学习的意识，满足各层次学生的学习需求，提供了多样化的在线教学资源，内容包括导学资源和学习资源两部分。①导学资源为学生提供课前学习指导［12］，具体包含学习目标、重难点、学习任务和成绩评定方式等内容，见表1。学生在导学资源的引导下，完成在线学习任务，了解实验流程。②学习资源分为微视频、预习测试题、往年实验数据、拓展实验讲义和MOOC资源等。微视频对荧光光谱法的基本原理、实验基本操作和仪器操作流程的重难点进行了讲解和演示。以预习测试题来以考促学，帮助学生查漏补缺，更好地掌握学习内容。学生通过分析往年实验数据，提出减小实验误差的方案，为能够在实验中获得准确的结果做准备。以目标为导向，编写了探究型实验部分的讲义，帮助和引导学生进行拓展实验内容的探究。MOOC学习资源供学有余力的学生更加全面深入地学习荧光光谱法的相关理论知识，并拓宽视野。

表1 荧光光谱法实验导学资源

（3）分层次、分阶段教学，满足学生的不同需求。由于学生的基础和兴趣有所差异，在实际教学过程中探索采用层次分明、阶段性强的教学形式，来满足不同层次学生的个性化需求，以充分调动学生的学习热情，从而更有效地实现教学目标［12-14］。

课前，将学习资源分为必学和选学两部分。其中观看微视频、完成测试题目和往年实验数据分析为必做，纳入实验教学内容和评价体系，MOOC资源为选学内容。通过为学生提供多样化的选择，来满足不同学生对知识的不同需求。课中，实验内容包括常规实验和探究型实验，常规实验为必做，探究型实验内容学生3 选1。通过为学生提供自主选择自由探究的机会，充分调动学生们的学习热情，在学习过程中遇到困难也会全力以赴，取得更好的学习效果。

学生综合实际动手能力的提升是一个循序渐进的过程。因此，整个实验教学过程以加强基础，注重能力，引导创新为指导，分4 个阶段来引导学生进行学习和实践：①通过在线预习、测试及书写预习报告，完成基础知识的学习和认知；②通过常规实验，完成基本知识的应用；③通过探究型实验，完成知识的整合、运用和提高；④通过实验报告，完成知识内容的回顾与总结。

（4）注重教师引导，逐步培养学生综合实践动手能力。在教学过程中，教师作为引导者分阶段逐步引导学生不断研究、探索、获取新知识。课前，通过教学网后台提供的数据分析，及时把握学生的学习进度及知识掌握情况，便于明确实验前集中讲解的重难点。课中，学生通过课前预习和教师的课前讲解环节对实验内容有了更加清晰的了解。因此，教师可以更有针对性地引导学生实验，及时帮助学生解决实验中遇到的问题。尤其在探究型实验开展过程中，如何引导学生搭建出高性能的荧光光度计、如何以实验数据来验证仪器性能、如何促使学生充分发挥想象力来丰富自制仪器的应用，这是考验教师教学能力的重点和难点。通过教师的引导和帮助，使学生在追求精益求精的过程中搭建出高性能的仪器，在体验工匠精神的同时，了解仪器性能对实验结果的影响，使学生在实践中逐步具备分析判断、逻辑推理、根据实验结果得出实验结论的能力。课后，教师通过综合学生的课堂表现、实验报告等情况，利用微信群来解答学生实验中存在的问题和疑惑，并及时调整教学方法、教学活动，为下一次混合式教学的开展做总结［15］。同时挑选优秀实验报告加入优秀作业展，促进小组间的相互学习和改进提升。

2.3 考核评价

拓展实验内容的引入使实验教学环节更加丰富，更有助于形成多元化的成绩评价体系［16］。将课前在线预习和测试、课中常规实验和探究实验过程、课后讨论及完成实验报告等环节均纳入成绩评定的范围，注重过程性评价，并细化每一部分的评分细则。改革后的考核评价方式，既有助于促进学生养成良好的实验习惯，又有利于敦促学生积极探索实践，同时也有助于教师引导、促进和诊断学生的学习，从而更有效地改进和提升教学［12］。

2.4 教学效果

此教学模式已经应用于2020 级学生的荧光光谱法实验。经过一学期的教学实践表明，简易荧光光度计搭建及应用拓展的实验模块非常适用于探究型实验教学，大部分学生可以完成荧光光度计的搭建，并将其应用于硫酸奎宁标准曲线的绘制，如图2 所示。

图2 学生荧光光谱法实验结果

为进一步了解学生实验的学习效果，获得更多的反馈建议，以调查问卷形式，对参与此实验的64 名学生进行了调研。调查问卷及统计结果如下：

关于实验内容，如图3（a）所示，84%以上的学生认为拓展的实验内容可以增加实验兴趣、提高分析问题解决问题的能力，这也正是本实验想要达到的效果。78%的学生认为搭建荧光光度计可更好地理解仪器结构和工作原理，内容具有灵活性和拓展性，尽管人数比例还不高，但是100%的学生乐意将此实验推荐给学弟学妹，这也是对实验内容的肯定。

图3 教学问卷统计结果

关于教学模式，如图3（b）所示，96%的学生认为非常有必要采取线上线下混合式教学模式，而且教学中提供的学习资料丰富，满足了学习需求。同时，这种教学模式有效增加了动手实践及与教师沟通交流的机会。

关于学习收获，对学生而言，80%以上的学生认为，通过此实验的学习可以掌握相关理论知识，提高动手实践能力。同时学生的自主学习能力、团队合作能力、分析问题和解决问题的能力也都得到了极大的锻炼和提高。对教师而言，通过改变传统的实验教学模式，工作兴趣得到了极大的提高。通过对教学资源的重新组织，实验内容的重新设计，对实验本身有了更深层次的理解，对理论知识与实践之间的联系有了更好地掌握。

3 结语

以荧光光谱法实验项目作为改革对象，引入仪器搭建及应用拓展、实际样品测定的实验内容，探索基于北京大学教学网的线上线下混合式实验教学模式。教学内容方面，新增探究型实验模块，以拓展实验内容的深度和广度。教学模式方面，建立了线上线下相结合的混合式教学模式，学生利用北京大学教学网提供的学习资源进行课前在线学习，以延伸实验教学的时间和空间。通过分层次、分阶段的实验教学，逐步培养学生的实践动手能力和自主创新能力。通过建立多元化评价体系，实现客观、公正的成绩评定。此实验教学模式的改革与创新，对荧光光谱法实验教学具有较好的适应性和促进性。在此基础上，还将此实验教学模式成功应用于紫外-可见光谱法和红外光谱法实验教学中，为化学实验教学的改革和创新提供了有益经验。但在“互联网+”环境下的实验教学过程中，教师还需要不断地提升自己的专业水准和综合素质，为实验教学的改革和创新人才的培养发挥积极作用。