“课堂、网络、虚拟仿真”三维一体化仪器分析教学模式在食品专业的创新与实践

董亮 纪超凡 林心萍 梁会朋 张素芳

摘 要：仪器分析课程是我校乃至全国各高校食品科学工程和质量安全专业一门基础专业课程。该课程通过基础理论知识的学习，使学生了解和掌握不同分析仪器抽象的理论。同时，实验课程基于理论教学内容，通过实践对基础理论加深认识，培养学生的创造力。本文拟创建一种“课堂实训+网络多媒体+虚拟仿真”三维一体课程教学和实验教学体系，充分整合本校现有的网络平台及虚拟仿真实验平台，结合实际操作讲解，达到提高仪器分析教学质量的目的。

关键词：仪器分析；教学模式；三维一体

Innovation and Practice of "Classroom，Network，Virtual Simulation"

Threedimensional Integrated Instrument Analysis

Teaching Mode in Food Specialty

Dong Liang Ji Chaofan Lin Xinping Liang Huipeng Zhang Sufang

National Engineering Research Center of Seafood，School of Food Science and Technology，

Dalian Polytechnic University LiaoningDalian 116034

Abstract：The instrumental analysis course is a basic professional course for food science engineering and quality and safety majors in our school and even in colleges and universities across the country.This course enables students to understand and master the abstract theories of different analytical instruments through the study of basic theoretical knowledge.At the same time，the experimental courses are based on the theoretical teaching content，deepen the understanding of basic theories through practice，and cultivate students' creativity.This paper intends to create a threedimensional integrated course teaching and experimental teaching system of "classroom training+network multimedia +virtual simulation"，fully integrating the existing network platform and virtual simulation experiment platform of the school，combined with the actual operation explanation，to improve the teaching quality of instrument analysis purpose.

Keywords：instrument analysis；teaching mode；threedimensional integration

仪器分析在食品、化工、材料和医药等领域的研究中起着极为重要的作用，是人类认识世界的“眼睛”和基础，是对物质分子结构进行分析和鉴定最主要的分析方法。仪器分析包括理论和实验教学两个部分，是我校乃至全国各高校食品科学工程和质量安全专业的一门基础专业课程。通过该课程基础理论知识的学习，学生可以了解和掌握不同分析仪器抽象的理论。同时，实验课程基于理论教学内容，通过实践对基础理论加深认识，培养学生的创造力，增强学生就业竞争力。

1 仪器分析课程简介及现状

仪器分析作为化学及其相关学科的基础课程，是一门要求综合能力很强的应用型课程，它具有很强的理论性，又需要大量实验作为支撑，对培养和储备学生的科研能力具有重要的意义。目前，国内高校此门课程的设置主要包括理论教学和实验教学两部分，然而，现有的教学方式存在种种弊端，导致教学效果不理想，其主要体现在现有单一的理论教学手段不能满足课程知识面覆盖广的要求以及实验教学受到设备、场地、时间和空间的限制，导致理论教学与实验严重脱钩。此外，如何同时满足理论和实验教学的要求更是当前仪器分析课程教学改革的重点。现代网络多媒体及虚拟仿真技术利用丰富的声音、运动的图像以及多彩的文字，直观、生动地展现不同仪器分析的基本原理和实验流程，可激发学生的好奇心和求知欲。同时，也可帮助教师更加方便及时地了解学生实验中出现的问题，从而更有针对性地进行指导。因此，网络和虚拟仿真在实验教学中有传统教学无法比拟的优势。本课题旨在利用我校所购买的泛雅网络平台及我校2017年引进的虚拟实验平台，创建一种“课堂实训+网络多媒体+虚拟仿真”三维一体课程教学和实验教学体系，该模式的探索有望提高学生对基础理论的熟悉和实践程度，为造就创新性人才打下坚实的基础。

2 現阶段仪器分析教学中存在的主要问题

现阶段仪器分析理论教学和实践中面临着诸多的问题，现总结如下：

2.1 理论教学手段单一导致教学效果低下

传统的仪器分析教学的重点主要放在分量较重的仪器构造、工作原理、公式推导和数据计算等过程中。这种教学方式最突出的问题就是知识的学习很大程度上依赖于枯燥无味的教材，学生接受知识的途径少而效率低，因此普遍表现为教师“死灌”、学生“死学”。其次，教学的课堂气氛也比较死板，常常是教师一人“独唱”，学生学习的主观能动性和积极性大大降低。

2.2 仪器设备数量无法满足要求

近年来，我国高校的招生规模不断扩大，虽然实验室建设规模也在扩大，但现代仪器设备人均台数仍显不足。由于受到经费、实验室场地、仪器数量限制，实验教学一般需要进行分组教学，每个实验小组的人数较多，学生动手的机会少，大部分学生只能观摩，综合性、设计性、创新性实验没有条件实施，极大地制约了学生创新意识、创新能力的培养。

2.3 高危险长时程的实验无法开出

一些有毒有害的实验如病毒、放射性物质实验等危险程度高，因担心学生独立操作对健康与安全有较大影响，所以需要专业的老师指导才能完成，因此开设面临较大风险。此外，一些生物化学实验周期长、操作难度大、实验成本高，由于受学时的限制，短期内无法完成，学生很难理解这样的实验过程，限制了教学效果。

2.4 仪器更新慢致实验和理论脱节

现代科技发展迅猛，新型仪器不断推出，但由于缺少场地、经费等原因，高校中普遍存在大型仪器更新慢、少数先进仪器无法购买、教学中只能开出部分或无法开出新仪器实验课的情况，导致实验教学和理论教学脱节。

2.5 现代仪器设备不适合广泛开放

现代仪器分析实验课程使用的大都是价格昂贵的大型精密仪器设备，使用和维护成本较高，对使用者操作技术的要求很高，对配套设施、运行环境要求严格，需要细心操作，定期进行检测、调试、清洁、保养。如果广泛开放使用，难以保证大型精密仪器的安全使用，并可能对仪器的灵敏度、精密度、稳定性等产生影响。

3 “课堂、网络、虚拟仿真”三维一体化教学模式的构建

针对上述仪器分析教学中的各种问题，如何同时满足理论和实验教学在新形势下的要求是当前仪器分析课程教学改革的重点。近年来，依托于计算机的多媒体网络平台及虚拟仿真技术的应用和发展为传统的理论和实验教学提供了新的方法和平台，与传统教学方法相比，具有许多不可比拟的优势。首先，声音和影像叠加的动态系统能将抽象的理论教学内容直观化、生动化，可有效地吸引学生的注意力，调动学生的积极性和主动性，有利于学生对所学知识的快速掌握和深刻记忆；其次，多媒体网络及虚拟仿真技术可突破理论和实验教学在时间与空间上的局限，充分延伸课堂教学内容，展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程；再次，多媒体网络及虚拟仿真技术具有互动性和可重复性，能够更加灵活和具体地动态演示实验流程，可以帮助学生提前预习课堂教学的内容，同时可以帮助教师更好、更有效地进行课堂指导，有效弥补传统实验教学方法的缺憾。鉴于此，本文旨在创建一种“课堂+网络多媒体+虚拟仿真”三维一体化仪器分析理论和实验教学新模式。通过课堂讲授、泛雅网络平台、虚拟仿真实验平台和实际操作演练三者结合，探索出一种“网络多媒体+虚拟仿真”课前预习、“网络多媒体+课堂授课”理论教学、“虚拟仿真”实验教学的新型教学方法，提高学生对知识的掌握程度，为具有创新型、综合型素质学生的培养打下基础。具体思路如下（见下图）：

构建思路图

3.1 基于泛雅网络平台和虚拟仿真平台，构建课前理论知识的预习学习新维度

通过学校泛雅网络平台和虚拟仿真平台，制作并上传关于仪器分析基本理论原理、相关实验操作等视频，以便学生在课前通过视频对所要进行理论和实验进行预习。

3.2 基于课程授课和泛雅网络平台，构建线上、线下理论教学模式新维度

探讨采用单一的课堂授课，或单一网络授课，或者二者结合的方式教学效果的影响，建立不同理论教学模式教学效果的评价体系。利用网络平台的管理功能，对学生的预习效果进行评定，根据完成情况和效果进行打分，纳入平时成绩，提高学生预习效率。

3.3 基于虚拟仿真平台，构建实验教学模式新维度

补充和完善现有的虚拟仿真平台，学生可以通过浏览平台发布的实验操作视频，以及利用虚拟仿真平台操作其他综合性更强的实验案例，达到对自身技能的提高，完成相关的实验教学。

4 “课堂、网络、虚拟仿真”三维一体化教学模式的实践

依据上述构建思路并结合我校网络资源，在我校食品相关专业进行新教学模式的实践。理论教学部分一方面通过网络平台和虚拟仿真平台让学生在课前通过视频对所要进行理论进行预习，另一方面通过课堂讲授和泛雅网络平台，单独线下或线上或者线上和线下相结合的方式，探讨不同授课方式的教学效果并建立相应的评价体系。在实验教学中，部分学生可以通过浏览虚拟仿真平台发布的实验操作视频完成实验教学相关的学习。同时，定期在网络平台上发布拓展知识，并开设虚拟实验平台上综合性强的实验课，以促进学生知识创新综合能力。

具体研究实施过程包括以下步骤：

（1）在网络课程平台及时补充课堂上难以展现的仪器分析基本理论知识，给出系统完善的仪器分析课程知识体系；展现食品生产分析检验所要使用到的仪器的种类、结构、原理和一般操作过程。同时，完善网络平台的管理功能，对学生对预习效果进行评定，根据完成情况和效果进行打分，纳入平时成绩，提高学生预习效率。

（2）通过完善实验仿真平台不同仪器操作流程，视频演示不同仪器的原理和精准操作过程，使抽象的知识具体化，使实验教学过程更有效；通过视频展示食品生产分析检测过程中不同儀器的操作过程，更直观地说明不同仪器的生产应用，使整个实验教学过程像看动画或做游戏的方式呈现在学生的面前，提高学习兴趣和效率。同时，构建平台的实验评分标准，进一步完善仿真平台的管理功能。

（3）通过网络课程平台的互动交流模块，实现师生快速有效问答交流，实现教学质量的快速有效评估。

本研究的关键点在于利用课堂授课、网络资源平台、虚拟仿真平台实验操作三者有机结合，创建一种“课堂+网络+虚拟仿真”三维一体的仪器分析教学模式，使学生在理论课上课前实现充分预习，课上有目的性地寻求老师指导，课后自由安排时间拓展创新性、综合性的相关知识；实验课学习以像看动画或做游戏的方式完成，寓教于乐，全方位激发学生兴趣，增强学习的互动性。通过对以上教学模式的实践，有效地提高了仪器分析课程在我校食品专业的教学效果，从学生的反馈效果来看，有效地激发了大多数学生对科学研究的兴趣。同时，有效地解决了目前教学中的困难，保证了正常教学的进行。

结语

本研究创建了一种适合食品相关专业的“课堂+网络+虚拟仿真”三维一体化模式下仪器分析教学体系。课前，教师通过泛雅网络平台上发布相关仪器原理、实验操作等视频，学生通过视频和虚拟仿真实验平台对所要进行的实验进行预习和演练，通过图文、声影、动手，全面调动学生积极性，加深知识理解；课上，教师采用现场教学法，针对学生提出的重点问题和关键步骤进行讲解和演示，可节约大量宝贵的课时，针对性更强地解决学生的疑问，同时还可充分调动学生的积极性；课后，教师可通过发布拓展延伸的实验操作视频，学生可通过虚拟仿真平台复习实验或操作其他综合性更强的实验案例，以提高自身的技能，探索出一套新的教学模式，增强学生感性认识，培养学生动手能力，提高授课效率，节约实验经费，为造就创新性人才打下坚实的基础。

参考文献：

［1］林心萍，林松毅，董秀萍，等.微生物学实驗虚拟仿真教学模式的探索与实践［J］.科学大众·科学教育，2019，5：162.

［2］纪超凡，林心萍，宋爽，等.微生物学多元化教学资源的建设及应用［J］.科技风，2020，6：100.

［3］葛媛，王登武，张翠红，等.基于线上线下混合式教学的“仪器分析”课程教学模式创新研究［J］.教育教学论坛，2020，43：173.

［4］黎晨晨，刘宁，吴春，等.虚拟仿真技术在仪器分析实验教学中的应用研究［J］.实验室科学，2019，5：235.

［5］斯琴朝克图，章爱群，李国元，等.通过虚拟仿真实验构建“仪器分析”课程线上教学平台的思考［J］.湖北工程学院学报，2020，3：55.

基金项目：本文为2021年度“纺织之光”中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目《“课堂、网络、虚拟仿真”三维一体化仪器分析教学模式创新与实践》（2021BKJGLX298）的研究成果

作者简介：董亮（1981— ），男，辽宁沈阳人，博士，副教授，研究方向：食品风味化学。