仪器分析课程混合式教学探究

王双寿，顾 敬，颜庭轩，马 亮，刘 姿

(安徽工业大学 化学与化工学院，安徽 马鞍山 243002)

仪器分析是高校面向化学、生物学、医学、药学、食品科学、环境科学等开设的一门核心基础课程，对培养基础扎实、动手和实践能力强的应用型、技术型人才具有重要意义。该课程以四大化学为先修课程，借助相关的仪器设备通过光、电、热、磁等手段准确高效地实现物质的定性、定量与结构分析。课程内容广泛，包含各类仪器设备的结构组成、工作原理和实际应用，学科交叉性与应用性强，涉及化学化工、食品安全、药物分析、医疗检验以及环境监测等方方面面，且随着电子信息和材料制造等技术的飞速发展，仪器分析相关方法和技术正逐渐向其它领域渗透，实用性愈发明显。然而，仪器分析课程中的各类仪器分析方法有着较为独立的理论基础、仪器构造及其工作原理，章节内容联系少，分析仪器结构复杂，且理论抽象难懂，课程体系显得十分庞杂，使得该课程教学具有相当难度。

一、仪器分析课程传统课堂教学现状

线上学习者由于缺乏面对面交流而易呈现“挂线式”的屏上学习心态，学习效果因人而异，从长远来看不利于学习者的积极主动学习。更重要的是，仪器分析课程体系较为特殊，涵盖理论和实验两方面教学内容，但由于我国高等院校在实验教学中普遍存在仪器拥有量低、学生动手机会少以及实验时间和空间非常有限等诸多问题[1]，实体课堂普遍出现重理论轻仪器使用的局面，学生难以真正掌握各类仪器的结构组成、工作原理、软/硬件操作与维保等知识，与该课程的强应用性学科属性背道而驰。因此，在仪器分析课程教学中针对不同学习内容的特点引入线上线下混合教学模式很有必要。

传统实体课堂多采用“满堂灌”的方式进行教学，即课堂上由教师讲授为主，而成绩评定以期末考试为主，这样的评价方式不利于学生在学习过程中了解自身的学习情况，不利于学习方法的调整和学习效率的提高，也不利于教师对教学方法的完善和改进。在传统的课堂教学和考核方式下，教师对学生的课堂情况和考试成绩较为了解，但缺乏对其学习过程和心态的观察与评价；师生互动少，学生参与度不高、学习兴趣和主动性不强；教师注重从理论层面引导学生，而对学生实践与创新能力培养不够，导致学生缺乏独立见解和批判性思维。因此，在仪器分析课程教学中实行过程性评价十分必要。

二、仪器分析课程线上线下混合教学实践探索

采用线上线下混合教学、结合过程性评价与期末考试的教考体系是可以解决仪器分析课程传统教学存在问题的有效途径，具体如图1所示。

教学方面，由于仪器分析课程对分析仪器的依赖性强，故采用实体课堂进行理论/实验教学，保留实体课堂上师生间的面对面交流，加深学生对相关仪器设备理论知识的理解，同时提供学生对仪器的实践操作机会，达到理论与实践的结合。另外，为解决高校分析仪器拥有量低、实验场地与课时有限的问题，辅以线上课堂/虚拟仿真教学，借助图像、视频、多平台直播/录播和虚拟仿真操作等方式在计算机上营造代替传统实验室的虚拟实验场景，使学生身临其境地了解实验操作、实验过程及实验现象与结果，以作为实体课堂的有力补充。此外，仪器分析领域发展迅速，新仪器、新技术、新平台层出不穷，在科研实验室内对先进仪器的操作与应用进行线上录播，也可以让学生了解更多先进分析仪器的功能和作用，以科研反哺教学，拓宽学生眼界，培养其科研兴趣。以质谱及其联用技术为例，质谱与紫外、红外以及核磁共振等波谱技术并称为化学四大谱，应用极其广泛，然而，由于相关仪器的价格十分昂贵、结构复杂，绝大部分高校在仪器分析实验教学中不具备质谱相关仪器的实验开设条件，学生甚至连观摩的机会都没有，通过线上直播/录播和虚拟仿真教学的方式可以让学生清晰认识这类先进仪器设备的结构组成、工作原理、操作方法和相关注意事项，不仅解决了实验室硬件条件不足与课程培养目标之间的矛盾，更重要的是使学生对相应的仪器设备有了更加直观的了解，而不只是停留在抽象的理论层面，这对提升学生的动手能力无疑是有益的。

图1 基于线上线下混合教学和过程性评价的仪器分析课程教考模式

考核体系方面，采用过程性评价结合期末闭卷考试的评定方式。与传统的终结性评价方式不同，过程性评价通过全方位、多环节考核对整个教学过程进行综合、动态监控，及时发现问题并进行有效反馈，以促进教师调整教学计划和策略，促进学生调整学习方法，是一种基于对学习全过程中的持续观察、记录和反思而产生的发展性评价[2]。教师通过在课前发布预习课件、布置预习小测验和线上签到监测学生课前的准备情况；通过线上/线下课堂的课堂发言、习题讨论、虚拟场景练习和实践操作等方面评价学生的课堂表现；通过课后作业、章节测验、线上专题讨论和实验报告等综合评估学生的课后行为；最后，结合期末考试、学习全过程的表现和大作业等形式评定学生在本门课程学习中的整体成绩。

三、混合式教学的实施及成效

(一)线上线下混合教学模式的实施

线上线下混合教学主要利用多种线上授课平台(如学习通、钉钉、雨课堂、腾讯会议、ZOOM会议、微信、QQ等)与实体课堂的有机结合，仪器分析的基本理论、分析原理以及部分条件完善、实验方案成熟且耗时较短的实验(如紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、荧光光谱法和高效液相色谱法等)采用线下为主、线上为辅(如预习和线上讨论)的教学方式，而对于尚不具备或虽具备但价格十分昂贵的仪器操作实验(如质谱及其联用技术、核磁共振波谱分析等)采用线上教学结合虚拟仿真为主、线下为辅的教学方式。本文以仪器分析课程中液相色谱-质谱联用法为例，其理论和实验课程(LC-MS法测定饮料中人工食品色素的浓度)的线上线下混合教学方案分别如表1和表2。

尽管虚拟场景不能完全取代实际操作，但无疑能很好地弥补教学仪器设备不足的问题，不仅有利于教师提高信息化教学水平，也能让学生在虚拟环境中沉浸式参与实验，感受到身临其境的逼真操作，且可反复开展模拟实验而不会对仪器造成损坏。

以“药育智能”虚拟操作系统(停课不停学免费申请版)为辅助平台进行色谱-质谱联用仪的虚拟实验室场景教学，通过仿真演示操作帮助学生了解仪器的结构组成，并通过反复模拟实验熟悉仪器操作流程、软件参数设置、方法建立与调用、仿真结果分析以及数据后处理和各环节的实验注意事项等内容。

(二)过程性评价模式的实施

我校自2017年便开展过程性评价教学试点工作[3]，规定平时成绩所占比例不得低于40%，且平时成绩除了将课堂考勤和课后作业纳入考核外，还应考虑课堂发言、学习笔记、阶段性测验、专题讨论以及自主学习等其它多个方面。笔者在仪器分析课程教学中采用过程性评价与期末考试成绩相结合的方式进行课程考核，其中平时成绩与期末考试各占50%，过程性评价的平时成绩所占比例比试点之前的终结性评价有较大提高，考核环节主要包括出勤率、课堂发言、课后作业、随堂笔记和专题讨论等五项，每一项各占20%，具体打分机制如表3所示。

表1 液相色谱-质谱联用法理论教学实施案例(线下学习2学时)

表2 液相色谱-质谱联用法实验教学实施案例(线上学习2小时)

教师通常在平时成绩的考核中对每一项设置了严格的扣分条件，而一味扣分又会打击学生的学习积极性，甚至导致厌学的消极情绪，故笔者在平时成绩计算过程中创新性地采用弹性打分机制，在设定扣分条件的同时也对课堂发言成绩进行累积并允许该项成绩溢出，溢出的课堂发言成绩可以累积至其它项的得分。事实证明，这种弹性打分机制能极为有效地调动学生在课堂上的互动积极性并提高听课抬头率，几乎每一次堂课提问都会出现争先恐后的抢答局面，对营造良好的课堂氛围和提高学生的学习效率非常有利，促进了各项平时表现的良性循环。

(三)实施效果评价

通过实行线上线下混合教学和过程性评价的教考模式，仪器分析课程教学取得了阶段性成效。学生的学习成绩总体上较之前有所提高。该教考模式实施后，成绩良好的学生人数明显增加，成绩中等和优秀的人数也略有增加，而成绩为及格和不及格的人数均有明显下降。通过仪器分析课程的混合式教学，学生真切地感受到该课程极强的实用性，不仅对仪器分析技术产生了浓厚的兴趣，也提升了学习该门课程的内在动力，提高了对分析化学、药物分析、应用化学等与仪器分析课程紧密相关的研究领域的学习热情。

表3 基于过程性评价的平时成绩打分机制

四、结语

实施仪器分析课程线上线下混合教学结合及过程性评价的教考模式，将线上线下教学的优势结合，有助于学生消化所学内容，提高了教师的信息化技术应用水平；过程性评价注重对学习过程的动态监控，有助于师生在教学过程中及时发现问题并调整教学方法；弹性打分机制极大地提高了学生的学习积极性和听课抬头率，增强其学习主动性，有效提高了课程教学效果。