多维度染整线上实验教学的设计与实践

杨 卓，樊 吉，郑亚雯，刘保江

（东华大学化学与化工学院，上海 201620）

0 引言

全球正处在信息化高度发展的时期，信息技术已融入我们生活的方方面面。在“互联网+”时代，传统的教学模式正在发生变化，以前教育需要空间和时间的集中和固定，而在互联网+时代，通过多媒体的通信功能，可以打破地域的限制，建立个性化教学模式。2012 年教育部颁布了《教育信息化十年发展规划（2011 -2020 年）》，确立了我国教育信息化发展的战略。但信息技术在革新教学模式、重构教学管理以及开展个性化学习等方面没有得到充分彰显，信息平台建设和数字资源开发尚显不足［1-2］。

2020 年随着全球疫情的爆发，教学模式发生了极大的转变，所有的课程都由线下转为线上，在一段时间里线上教学成了教学的常态。公共卫生事件给教学带来了极大的挑战，但也使教育信息化迎来了发展的契机。疫情几年我们积累的大量线上教学的经验，看到信息化在课程表现形式、教学组织形式，教学评价等方面发挥的作用，当然也存在很多不足，尤其是针对实践类课程。很多人认为，线上实验如同纸上谈兵，缺乏与实物的真实互动，无法达到实验教学目的［3-4］。诚然实验教学不同于理论教学，不仅强调对科学知识、原理的理解和掌握，更强调动手能力的培养，以及知识、技能的实际运用［5-6］。

那么，在信息化技术高速发展的今天，完全线上实验课程是不是真的不能实现呢？希瑟·塔夫脱（Heather R.Taft）是在线教学领域的资深实践者，在疫情前就一直从事在线教学工作，他认为许多实验室课程的线上化都是可以实现的。只要调整教学的目标，找到匹配的教学资源，就可以很好地实现线上教学，并保证教学质量。染整线上实验教学经过几年的不断建设，在设计线上教学的同时，将居家自主实验融入其中，将理论和实践有机结合，形成包含实验视频，居家自主实验，虚拟仿真及线上讨论多维度的线上实验教学体系。该教学模式通过线上自学-自主实验-实验分析-讨论反馈形成完整的实验教学闭环过程，并结合虚拟仿真技术实现了实验室和实际生产的贯通。

1 国内外线上实验教学现状

随着互联网技术的进步，近10 年来，在线教育得到了长足的发展。但在高校，线上教学主要作为课堂理论教学的辅助手段，并以视频课件为主流［7］。而实验教学，由于强调动手能力的培养，因此多以线下为主。自2017 年，国家开展了虚拟仿真实验教学项目，很多高校开始积极开展虚拟仿真实验建设，但这类实验主要应用于现实环境无法操作或很难开展的实验，更多是作为实验教学的辅助，不能完全替代实验教学。2020 年由于新冠疫情的影响，所有的教学活动都转移至线上开展，这给我们研究和发展线上实验提供更多的样本，也为线上实验教学的发展给予了经验。

1.1 国内线上实验教学的现状

2020 年疫情期间，由于时间紧任务重，我国大多数高校的实验课程普遍以实验教学视频+线上直播上课+虚拟仿真实验的形式开展［8-9］。教学中通过实验操作视频帮助学生了解和掌握实验过程，在有条件的情况下引入虚拟仿真实验，弥补实操的不足。但也有少部分实验教学采用了工程软件和家庭实验的形式开展。如华南理工大学的电子电工线上实验课程［3］利用电路仿真软件Multisim 替代线下实验真实的元器件，实现学生对各种电路的设计及仿真。吉林大学的大学物理线上实验课程中的综合实验部分［10］，采用家庭自主实验，即教师邮递实验材料包，再利用学生手边材料自主设计实验方案，教师直播讲解实验内容并进行纠错。而化学类线上实验由于其特殊性，普遍还以视频教学辅以虚拟仿真为主。

1.2 国外线上实验教学的现状

与国内相比，国外的线上实验教学起步更早，形式更加丰富一些。Kelley［11］调研了疫情期间不同国家（包括美国、澳大利亚、德国、墨西哥、斯洛伐克、西班牙和英国等国家）化学类实验的相关教学情况，其中采用家庭实验教学占29.7%，实验视频教学占50.5%，虚拟仿真实验教学占45.1%，讨论式教学占比36.2%（由于其调研的课程并非采用单一模式授课，因此这里的总占比大于100%）。可见除了常规的实验教学视频和虚拟仿真实验，很多老师还采用了家庭实验和讨论式的教学模式。泰国国王科技大学的分析化学课程［12］，利用番石榴叶的天然提取物作为铁离子的螯合剂，进行比色实验，实验中学生利用实验包在家完成实验，然后利用手机自带的图像处理程序（如ISO 的Pixel Picker和Android 的Color Grab）评估颜色强度。美国摩西山大学［13］开展了“厨房里的化学”实验课程，通过食物的烹饪开展14 个实验，包括，牛奶中乳糖的分离，不同乳化剂对油的乳化的效果，手持折光仪分析果汁和饮料的总糖浓度等。除此之外，还有很多高校利用无毒的化学材料替代传统实验中的化学品，使学生在家开展实验，如自己搭建简易的蒸馏设备，从芳香植物中提取精油的实验［14］，用层析纸和染料进行层析实验，及CaCl2溶解热焓计算［15］等。

虽然线上教学是疫情时期的无奈之举，但也使大家认识到，线上教学绝不是一时之需，而是一种新的教育理念，是随着信息技术的发展而产生的一种顺应时代的新的教学方式。

2 染整线上实验教学的设计与实施

2.1 线上实验教学内容的设计

在线教学是利用互联网等现代信息技术进行教学，但科学理论的建立和发展离不开科学实验的佐证。因此即使是线上实验，也应想办法让学生从实践中获取知识。染整实验包含：①线上自学环节。通过视频微课和操作演示视频自学实验内容；②自主实验环节。根据实验要求，自主准备实验材料和工具，居家完成实验，或通过虚拟仿真完成实验；③撰写报告环节；④线上讨论环节。每个环节建立与理论概念、实验实践、探索分析、思维开发相对的教学目标，具体如图1 所示。

图1 染整线上实验教学设计

自学环节，主要是掌握基本理论、基本实验方法和检测手段。由于单纯的线上教学，学生无法真实操作实验设备获得数据，缺少感性认识。因此在自学环节后，紧接着是自主实验环节。每个自学的实验内容均对应一个自主实验环节。该环节主要以建立理论知识和实际应用之间的联系，深化对理论知识的理解，培养学生实验设计和动手能力。如“温度、电解质对直接染料上染纤维素纤维的影响及皂洗和摩擦牢度的测定”实验对应的自主实验为“植物染料的提取以及温度、电解质对其上染纤维素纤维的影响”。两个实验均包括温度、电解质浓度对染色的影响，但是实验对象不同，前者为合成直接染料；后者为天然有色分子，但获得的实验现象和结论是一致的。实验后，学生将实验过程、现象、分析、结论等用科学的语言表达形成实验报告，锻炼学生的文字表达能力，和抽象思维能力。课后针对学生实验现象，及报告中的问题，开展集中的讨论，一方面发现实验中的问题和不足，另一方面开拓学生的思路，提高实验分析能力。

2.2 网上教学资源建设

线上实验课程的设计不能简单地将原有的线下课程资源照搬到网络上，应根据线上教学特点，结合教学目标，既要保证课堂的效率，又要助力于学生的深度参与，可以在兼顾教学要求的前提下应适当增加实验挑战性、复杂性。线上实验教学资源主要包括实验教学视频、操作演示视频两部分。由于网上实验教学不同于线下实验，一方面线上教学，教师和学生之间缺少面对面的真实交流，学生注意力难以控制；另一方面线上实验，学生缺少真实操作体验。因此我们要充分利用多媒体技术，将文字、声音、图像、视频、动画等融入教学视频，提升学生的学习兴趣和热情，促进其对知识的理解和掌握。操作演示视频的制作要遵循短小精悍的原则，视频时长最好控制在3～7 min，如果实验内容过多，可以分段展示。由于学生无法真实进行实验操作，线上演示视频应具有类似培训的效果。确保当学生进入真实场景后，可以跟着视频独立完成实验操作。因此线上实验教学视频应力求简洁明了，重点出图，而不要设计过于复杂的实验过程。

下面以“温度和电解质对直接染料上染纤维素纤维的影响及皂洗和摩擦牢度的测试”为例介绍线上资源的建设。线上资源包括实验教学视频和实验操作视频，其中教学视频主要包括两个理论要点，即温度和电解质效应，两个实验要点，即染色工艺曲线绘制和染色工艺参数的计算。实验后，学生应能根据工艺曲线明确染色流程，设计直接染料染色工艺，并明确染色的影响因素。在讲解理论要点时，可在讲解过程中插入短视频、图片和趋势图等，帮助学生建立感性认识和理论知识之间的联系。在讲解实验要点时，可借助手绘板，边绘制曲线、计算边讲解，有助于学生跟随老师思路，防止走神。该实验常规的线下实验，包括两个不同温度的染色实验和两个不同电解浓度的染色实验，及色牢度测试，实验后学生通过不同温度和电解质对染色结果影响，掌握温度和电解质对直接染料染色的影响以及色牢度的测试方法。但是4 个染色实验采用的流程是一样的，如果线上实验我们也录制4 个实验视频，则显得过于乏味，会使学生失去学习的兴趣。因此该实验的操作视频，主要包括四部分内容，即直接染料的染色的操作视频，染色后织物k/s值的测试操作视频，皂洗牢度操作视频，摩擦牢度的操作。其中第1 个视频主要掌握染色的基本操作，后面3 个视频掌握基本的检测方法。实验后，提供织物表面k/s的随染色温度及电解质浓度变化的曲线，要求学生根据曲线对结果进行分析。

2.3 家庭自主实验的设计

家庭实验的设计要有两个基本点，一是实验安全性；另一个是实验可操作性，即所用化学品必须安全且对环境友好，实验材料和工具应容易获得，最好是家中常用或容易买到且便宜的日常材料。基于这两点，自主实验材料和工具均采用家庭日常使用的物品，或者网上可以买到的材料，如染料可用食用色素或天然植物替代，其他化学品也均为食品级材料，如玉米淀粉，食用柠檬酸，食用明矾，食用盐、醋等等，实验材料可以采用家里不用棉T恤，羊毛衫等等。我们设计6 个家庭自主实验，分别是“植物染料的提取以及温度、电解质对其上染纤维素纤维的影响”“活性染料的轧染工艺设计”“pH值对植物染料上染羊毛的影响”“天然染料媒介染色及其色牢度”“淀粉糊、海藻酸钠糊料的制备及性能检测”“天然染料的对纤维素纤维织物的直接印花”。除了“活性染料的轧染工艺设计”中的染料由教师提供外，其他染色的材料和实验工具均由学生自己准备。

下面以“植物染料的提取以及温度、电解质对其上染纤维素纤维的影响”和“天然染料对纤维素纤维织物的直接印花”为例，介绍家庭自主实验的开展。“植物染料的提取以及温度、电解质对其上染纤维素纤维的影响”实验包括3 部分的内容，染料的提取、不同温度条件下植物染料对纤维素纤维的上染、不同电解质条件下植物染料对纤维素纤维的上染，以了解染料结构和上染性能的关系。实验前学生需要准备有色植物如玫瑰花、洋葱皮、栀子等。先用水萃取法提取植物中的有色成分，然后可用容器隔水加热进行染色。染色中加入食用盐观察电解质对上染的影响，可用温度计观察温度，通过煤气火焰大小调节温度在设计范围。“天然染料对纤维素织物的直接印花”实验前学生需要准备天然植物，食用淀粉或海藻酸钠。在提取的天然有色溶液中加入淀粉或海藻酸钠，其中淀粉可用隔水加热的煮糊法调制，海藻酸钠则可在室温下直接搅拌成糊。印花时，用窗户网纱布替代印花筛网，用A4纸雕刻花纹，用格尺或切面刀作为印花刮刀。印花时，将全棉织物，花纹纸，网纱布依次放好，然后在花纹一侧倒上色浆，即可完成印花，然后将织物放入烤箱，100 ℃烘干，再放入蒸锅，汽蒸10 min，汽蒸时需要注意防止水滴。如没有烤箱，也可平放自然晾干。学生实验效果如图2 所示。

图2 学生的自主实验效果图

相比常规的课堂实验，家庭实验由于实验条件和选择工具、方法不同，实验结果会有一定的未知性，可以引发学生更多思考，加深对理论知识的理解。如有的学生采用化妆棉进行染色实验，因为化妆棉中含有一些未去除杂质，且没有经过丝光处理，染色效果很差，最终导致了实验失败。在分析原因的过程中，学生深刻理解了棉织退浆、煮练和丝光的意义，将染色和前处理的知识联系在了一起；又如实验中学生发现天然染料色牢度较差，不仅水洗褪色明显，晾晒时也有明显的泳移现象。这一现象在常规实验教学中是观测不到的，因为商品染料和纤维的亲和力更高。这可帮助学生深入理解染料亲和力这一抽象的概念，以及现代合成染料开发的意义；印花实验中，由于窗户网纱布较厚，会导致透浆量增加，这要求色浆应调制更黏稠，否则容易出现花纹渗化的情况，这也可以帮助学生深刻理解印花网板张力和开孔率的意义；家庭汽蒸过程难以避免蒸锅内水滴滴落布面，形成印花疵点。而实验室汽蒸机顶部有加热管，可防止水滴滴落，一般不会出现印花疵病。可以帮助同学直观了解印花疵病产生原因，以及染整设备结构设计的重要性。

家庭实验通过准备实验材料、搭建实验设备，控制实验过程，学生实验参与度更高，实验热情更浓厚。而在课堂实验中，由于实验材料和设备都是统一的，实验现象也是确定，因此学生更多的是被动的参与和接收。

2.4 虚拟仿真实验的建设

染整是一个工程类学科，学生应熟悉实际的生产环节，并具备工程应用及开发的能力。但小样实验在模拟工业生产时，存在设备原理不一致，参数控制不精准，实验过程不连续等问题，导致教学和实际生产脱节。为了使教学无缝衔接实际生产过程，利用虚拟仿真技术，构建三维设备模型，再现真实生产场景，帮助学生掌握设备内部运行原理，织物在设备中运行状态等。通过人机交互，学生可在虚拟环境开展模拟生产，如设备选型，工艺设计，染色操作，故障处理等。

根据纺织品染色的两种主要生产方式：间歇式和连续式，设计了两套虚拟仿真实验，分别是“纺织品气（溢）流染色过程虚拟仿真实验”（见图3）和“纺织品全流程连续染色生产仿真实验”（见图4）。虚拟仿真实验构建了高度仿真的3D 染整设备模型，该模型可实现自由拆解和染色原理动画演示及生产工艺设计、运行及质量管控。该虚拟仿真实验包括原理学习，染色工艺设计，生产仿真操作考核三部分内容，如图3 所示。原理学习包括设备结构拆解及染色原理学习，帮助学生深入掌握设备构造及其运行原理，掌握小样和实际生产之间的区别，为染色工艺设计打下基础；染色工艺设计，包括参数设计、开机运行、故障处理等过程。加深学生对于单元机工作原理及染色原理的理解，掌握染色基本生产流程，染色中各参数的意义及设计原理。生产仿真操作考核，包含不同织物染色工艺流程设计，学生需要根据产品要求选择设备，建立染色生产线，并设计染色工艺及参数，是对学生学习效果的综合考核。

图3 纺织品气（溢）流染色过程虚拟仿真实验

图4 纺织品全流程连续染色生产仿真实验

2.5 线上实验教学实施及考核

以“印花糊料制备及性能检测”为例，说明线上实验教学的实施。该实验的目的是掌握印花糊料的制备方法，及糊料基本性能的测定方法及糊料的耐酸碱稳定性。实验对应自主实验为“淀粉糊、海藻酸钠糊料的制备及性能检测”。印花糊料是印花色浆的重要组成部分，对印花效果起着关键性的影响，是印花实验的重要内容。

实验教学过程如下：发布教学信息。学生自主观看教学相关视频，掌握海藻酸钠、淀粉和合成增稠的糊化过程及其成糊的制备方法，掌握糊料黏度、抱水性的测定方法，不同糊料结构和耐酸碱稳定的关系，及搅拌器和黏度计的使用。学生根据自主实验内容，准备实验材料，完成实验。由于合成增稠剂属于合成化学品，因此自主实验对象为淀粉和海藻酸钠。自主实验包括：①淀粉和海藻酸钠糊的制备，掌握天然糊料的糊化过程及制备方法。②天然糊料抱水性能的测定；③用食用醋，食用纯碱，氯化钠，乳酸钙检验天然糊料分别在pH4，7，10 时耐酸碱性能和耐金属离子的稳定，比较不同糊料的结构和耐化学品稳定性的关系；④利用乳酸钙制备海藻酸钠凝胶。实验后，学生提交实验报告，报告包括两部分内容，自学实验和自主实验，自学实验报告按照常规实验报告格式提交，包实验目的、原理、内容、结果与讨论，自主实验除常规报告内容外，则还需提交实验设计思路，实验过程、结果及其照片。教师批改报告后，开展线上讨论。教师根据学生报告中的问题和实验现象提出问题，交流发言、分析讨论，教师再进行总结归纳。

实验考核是对学生学习效果的反馈，可以让学生发现学习中的不足，督促其发现问题并不断进步。因此不能以单一实验结果和报告作为评判标准，应建立过程考核，全方位评价学习效果。线上实验考核一方面可以结合线上教学平台的数据，另一方面通过实验报告，家庭自主实验和课堂讨论多维度地对学生实验情况进行考核。考核内容包括：自学实验的完成情况，占比10%，考察学生的实验态度和实验的参与度；实验报告的撰写，占比35%，通过实验报告撰写的规范性，语言表达的科学性，数据分析合理性，考查学生数据分析和书面表达能力；自主实验设计及完成，占比35%，通过实验过程和结果，考查学生的实验设计，问题分析和解决能力；线上讨论，占比20%，考查学生问题分析及表达能力。

3 结语

线上实验教学，强调了学生自我能动性，需要学生自主规划学习时间，制定学习计划，设计实验方案，并独立分析问题，成为学习的主体，有助于学生养成终身学习的习惯和能力。在家庭自主实验灵活开放的是教学形式中，学生脑洞大开，充分发挥想象力和创造力，遇到问题，能够主动思考解决方案，有效激发了学生好奇心和求知欲，培养了学生对技术好奇心，为后续的学习提供了动力。

线上实验教学是一种新兴的教学模式，通过合理设计实验教学内容，并结合虚拟实验和自主实验，不仅能达到培养学生实验技能的目的，还能提高学生学习热情。随着信息技术的发展，实验教学可以不局限于一种教学模式，针对不同教学对象和教学目标，开展线上、线下多种形式的实验教学。线上教学主要培养学生自学能力，提高学生学习兴趣，掌握基本实验检测和实验方法，因此比较适合初阶的学习者，和跨专业的选修学生。而线下实验则可以设计更多的高阶实验，培养学生科学研究的能力。丰富的实验教学模式，不仅可以扩展教学方式，提高学习兴趣，也可以缓解由于学时和场地的限制给实验教学带来问题。