“线上”+“线下”混合式仪器分析实验教学模式的建立与运行*

王会镇，郭芸芸，赖鑫悦，勾 雪

(1 西华大学理学院，四川 成都 610039；2 西南科技大学材料与化学学院，四川 绵阳 621010)

随着科技的发展，尤其是信息技术的进步，计算机在教学中的应用越来越广泛。具体到实验类教学领域，虚拟仿真技术的应用越来越深入，在教学方面发挥了巨大的作用，并得到了广泛好评。在高等教育中，实验课程是重要内容，是理论与实践联系的中间环节，具有无法替代的地位。具体到化学领域，实验课程起到了课堂理论和生产实践的衔接功能，更是理论结合实际过程中不可缺少的一环。虚拟仿真化学实验在教学和科研领域的应用价值越来越被教育和科研工作者清晰的认识到，并且迅速被各大高校接纳，受到广大师生的欢迎[1-3]。化学实验类课程传统上是在专用的化学实验室开展，由于化学实验的特殊性，容易受到场地、仪器的限制，如果不提前加以练习，熟悉相关操作，还可能存在高温、爆炸、毒害等危险。因此化学类实验课程对虚拟仿真的需求更加突出。国内诸多高校已经根据自身需求建立了虚拟仿真化学实验室。随着信息技术的发展，以及高等教育改革的深入，化学实验类虚拟仿真实验建设将会获得进一步的发展[4-7]。

仪器分析实验课程属于高校化学、医药、环境相关专业的基础课程之一，其教学目标是让学生掌握相关理论基础、了解仪器结构，进而训练学生掌握仪器基本操作、实验数据处理等技能。培养能够运用大型仪器设备进行相关领域分析检测的能力。

近年来，各级教育主管部门都在不断强调教育信息化的重要性。本着“以学生为主”的教育理念，我们将虚拟仿真技术引入仪器分析实验教学中，对原有教学内容和教学模式进行了拓展与改进，不仅提升了实验教学质量，而且有助于开展素质教育和培养创新型人才[8-12]。

1 原有仪器分析实验教学存在的不足

传统的仪器分析教学以验证性实验为主，随着时代的发展，在教学方面表现出的问题越来越多，而仪器分析实验作为化学实验课程中不可缺少的环节，存在的问题尤为突出。

1.1 仪器分析实验的理论课程内容略显抽象

理论课堂教学后，有些同学对仪器的结构不能直观的了解，对仪器的构造、原理和使用依然存在盲区，这就导致学生在使用大型实验设备的时候，极易因操作不当造成仪器的损耗和破坏。另外，因理论课程内容空泛，学生对仪器的具体操作流程依然停留在“雾里看花”的状态。这样的结果会导致学生的实验操作只是机械地模仿，而不能理解原因，直接影响教学效果[13-14]。

1.2 仪器价格昂贵、结构复杂、配套数量少、维修维护难度高

在教学经费无法大幅增加的情况下，大型设备数量较少，难以充分保障每位学生在实验课程中的实际操作机会和训练时长。这些大型仪器由于耗材成本高，仪器配置数量有限，很难满足学生从头到尾全流程操作仪器，部分实验项目只能让学生动手操作一个环节。导致实验教学效率偏低，学生无法真正掌握实验技能，教学效果达不到理想状态。

1.3 实验课时数少，实验场地有限

由于传统教学体制的延续，受限于学校整体培养计划，仪器分析实验课程教学课时设置依然在遵循传统模式。但随着科技的发展，各种仪器分析技术日新月异，即使传统的设备，其使用方法也在不断进步。另外由于课时数限制，部分先进的、复杂的仪器分析实验项目未能开设实验教学课程，不利于学生掌握最新相关实验技能。这些因素都导致我们现阶段的仪器分析实验课程落后时代，无法满足培养创新型、应用型人才的需要。

1.4 教学模式不容易转变，教学条件、课程培养目标、教学计划仍停留在传统轨道上

目前的培养方案中，大多数仪器分析实验课程以验证性实验为主，以完成实验流程操作为主要手段，以完成实验报告为考核方式。现阶段，综合性和创新性实验开设较少，实验过程无法精准考核，难以体现实验课程的特点。另外，传统课堂模式，仪器分析实验内容单一，过程简化，与实际应用存在差距，降低了学生的学习兴趣，不利于培养学生独立思考、创新性思维的能力[15-16]。

2 仪器分析虚拟仿真实验教学的优势

虚拟仿真化学实验通过模拟真实实验室场景，具有突破实验场地限制、拓展实验范围等诸多优点。通过凝练实验重点、突出实验细节，同时满足多人在线操作，极大提高授课效率。

(1)方便学生课前预习，对于刚接触仪器分析实验课程的学生来讲，大型设备是一个非常陌生的事物。在进入大型仪器实验室之前，可以在虚拟仿真实验平台上熟悉仪器结构和实验原理，多次模拟仪器操作过程，可以使学生通过虚拟仿真单元操作建立一定的流程概念。还可以大幅增加实验分组，使学生通过身临其境般的模拟操作，大幅提升学生的实验技能。

(2)改善实验教学条件，突破时空限制，提供开放式实验环境。从教学条件上来讲，在实验教学中引入虚拟仿真技术，使实验内容通过虚拟教学环境得以展现，既克服了仪器设备数量不足的问题，又打破了教学时空的局限，延伸了实验教学的广度和深度。拓展学生视野，突破传统实验教学硬件和场地的限制，增加更多的实践场景，充分达到教学实践相结合的目的。将虚拟仿真实验技术与创新型、探索型实体实验有机结合，挖掘实验关键点，放大真实实验不易观察到的细节，最大程度发挥实验教学作用。

(3)将虚拟仿真技术引入仪器分析实验课程中，这是实验教学的一次深化改革，是对“智能+教育”人才培养模式的探索和推进。通过一种全新的模式，延伸实体实验范畴，将实验室无法实现的场景模拟呈现。通过增加由于多种限制因素平时不易接触的实验环节，优化实验流程和结构，丰富实验教学内容，使仪器分析实验更加贴近实际。通过虚拟仿真实验平台，我们将现实不易操作的环节以动画的形式呈现，大大拉进了该实验与实际应用的距离，激发了学生兴趣，提高了教学效果。

(4)增加教学内容的完整性，多数仪器分析实验课程包括样品制备(采集)、仪器开机、样品检测、数据处理、仪器关机、报告撰写这六大环节。其中样品检测和数据处理环节属于基础性实验内容，为线下仪器分析实验课程授课重点。但是具体到实验项目，受制于实验条件，这些步骤通常无法全部呈现。而虚拟仿真实验项目恰好解决了这一问题。通过虚实结合与互补，可以提前感受全流程实验细节，多次演练，激发学生的专业学习兴趣和创新实践能力，获得更广阔的专业视角、更先进的知识体系。

3 “线上+线下”混合式仪器分析实验教学实施方法

我们利用“西华大学化学虚拟仿真实验平台”构建了多个实验项目的“线上”+“线下”混合式教学新模式，并取得了良好效果。

图1 西华大学化学化学虚拟仿真实验平台框架Fig.1 Framework of virtual simulation experiment platform for chemical in Xihua University

3.1 多媒体课堂讲解理论

课堂理论讲解是传统仪器分析实验的重要组成部分，教师根据教学目标的要求，对涉及的仪器分析实验理论部分进行讲解，对仪器构造、运行原理、使用方法、数据处理等进行重点介绍。原先课堂以课本为主、PPT为辅，内容抽象学生理解吃力。现阶段我们结合多媒体课堂的特点以及网络视频资源，将理论知识变得生动形象，充分调动学生学习的积极性，主动融入到授课过程中。培养学生主动学习的能力，加强师生互动，整体提高仪器分析实验的课堂理论教学效果。

3.2 虚拟仿真软件练习

大型精密仪器技术含量高、结构复杂，很难观察到仪器内部，学生无法清晰了解仪器构造及工作原理。虚拟仿真实验很好的解决了这些问题，仪器拆解模拟动画实验可以形象地展示工作原理，配合虚拟仿真软件操作视频，重点环节加强练习，提高学生的学习兴趣和教学效果。学生分析问题和解决问题的能力得以全面提升，有利于培养高技能的创新型人才。

3.3 线下实验操作

通过多媒体课堂理论讲解，学生对将要开展的实验项目有了较为清晰的认识。之后学生自行进入虚拟仿真实验平台，可以反复进行演练，模拟实验操作流程，对课堂知识的充分消化。虚拟仿真平台演练结束后，学生对将要开展的实验有了清晰完整的认识。进入实验室后，由老师针对仪器进行一次现场讲解，之后学生分组进行实验。

3.4 “线上+线下”混合式实验报告撰写

通过多媒体课堂理论讲解+虚拟仿真软件练习+线下实验操作，学生对实验课程的掌握基本做到了全面覆盖。传统的实验报告只包含理论部分和实验过程及处理，针对简单的实验尚可，但是遇到复杂的综合性实验就显得过于抽象。因此我们开发了新型的“线上+线下”混合式实验报告。将传统报告中无法呈现的部分：如仪器细节，原理展示等以图片的形式呈现，让实验报告变得生动、形象，大大提高教学效果。

图2 “线上+线下”混合式仪器分析实验教学流程图Fig.2 “Online+Offline” mixed Instrument Analysis experiment teaching process

以化学专业现代仪器分析实验“苯甲酸红外吸收光谱的测定”为例，该实验具有很强的实用价值，是一门较为综合的实验课程。但是用到的“傅里叶变换红外光谱仪”属于大型精密设备，单价高、结构复杂，无法将仪器的内部构造真实呈现在学生面前。在传统的课堂中，仅限于PPT展示，教学效果略显不足。为此我校构建了该课程的“线上”+“线下”混合式教学，结合计算机技术，发挥虚拟仿真实验具有的交互性、开放性的特点，可以提供在线学习、实践和探索，完美呈现仪器内部构造及机理。使不同的人群在不同时间、不同地点均能够享受到优质的教学资源。为课程提供安全、可靠、经济和可多次练习的实验场景。

图3 “苯甲酸红外吸收光谱的测定”虚拟仿真实验界面Fig.3 The interface of virtual simulation experiment

4 虚拟仿真实验管理

在该平台的使用中，我们充分贯彻“以学生为中心”的实验教学理念，安排适宜的实验教学内容，坚持开放的运行模式，取得了显著效果。充分考虑到了不同年级、不同时间、不同地方学生的需要，搭建了资源共享的虚拟仿真实验平台。为所有老师及学生提供了账号，可以随时随地进入平台练习，真正打破了时间和地域的限制，方便学生利用课余的碎片化时间来进行学习，充分发挥了“以学生为主体”的教学理念。同时，我们还将虚拟仿真教学资源向社会开放，对于有需求的个人和团体，只需经过申请由平台管理员建立账号，即可进入平台进行学习，真正做到了教学资源的开放共享。

5 结 语

将信息技术融入到传统教学中的“线上”+“线下”混合式教学模新式是创新型人才培养的关键。我们基于本校化学虚拟仿真实验平台，改革传统教学理念，融合信息化技术，构建了仪器分析实验课程的线上线下混合式教学模式。在运行中，坚持平台开放，资源共享，坚持“以学生为主”，利用在线平台内容的完整性、形式的生动性等特点，将虚拟仿真和现实操作有机结合，打破了传统教学模式的局限，增加了学生的学习主动性和积极性，使仪器分析实验课程的“线上”+“线下”教学模式更加完善。