多媒体网络化教学平台在仪器分析实验教学中的探索与实践

周云张连庆 林金明

(清华大学基础化学实验教学中心 北京 100084)

计算机与化学

多媒体网络化教学平台在仪器分析实验教学中的探索与实践

周云＊张连庆 林金明

(清华大学基础化学实验教学中心 北京 100084)

介绍网络化多媒体教学平台的构建、特点及其在仪器分析实验教学改革中的探索与实践。改革实践表明,与传统的实验教学相比,网络化多媒体教学平台以其特有的可观赏性、虚拟现实性、交互性以及可扩展性在弥补了传统实验教学中某些不足的同时能提高学生的学习兴趣和学习积极性,显著提高实验教学质量。

实验是大学实践教学的重要环节,网络化多媒体教学平台是现代教育发展的一大趋势和必然。计算机和网络硬件及软件技术的迅速发展,为实现网络化多媒体教学提供了非常好的契机。因此,如何充分利用校园网络,应用WEB开放式技术构建多媒体网络化教学平台,不仅是拓展校园网应用的需要,而且也是现代教育技术发展的必然选择[1]。

仪器分析实验是仪器分析课程的重要实践教学环节,是学生了解各种仪器的结构,熟悉各种仪器的操作方法,懂得各种仪器的原理,理解课堂上所学理论知识的重要途径。仪器分析实验课与其他实验课有很多不同,它的一个特点是,分析仪器是实验中的主要工具,而这些仪器的集成化、智能化和多用途化让学生少有接触仪器内部结构以真正了解其功能及掌握其原理的机会。而且,现在的仪器分析实验教学中,很多是采用示教教学,即教师先演示示教,学生观看后通过练习,逐渐掌握仪器的正确操作方法。这种教学方式虽然能在较短时间内让学生学会如何操作仪器,但也有很多不足。例如:教师示教仪器操作时,多名学生围在教师和仪器周围,学生由于受到所站角度的限制,难以完整地观看到每个操作细节;一些大型贵重分析仪器,如电感耦合等离子发射光谱仪、质谱仪、核磁共振波谱仪等,一般学校只购置一台,如果要对学生进行实验教学有一定困难。而且,为了保护分析仪器不受损害和灰尘干扰,一般是不允许向学生展示其内部结构的。这样导致的结果是,学生学完仪器分析实验后对仪器的内部结构及工作原理还是不太清楚,做完实验后也只是掌握了机械地去操作仪器的方法。如果要想真正让学生掌握仪器分析实验并让它成为学生在今后的科研和工作中的得力助手,这显然是不够的。

近年来,随着计算机应用的普及,多媒体课件被广泛应用于仪器分析实验教学中,如 PPT课件、Flash动画课件及用 Author ware等软件制作的课件等[2]。这些课件都能在一定程度上传授仪器原理,但是这些课件往往只是一些简单、单调的平面多媒体,不能直观、真实、互动地将实验内容展示在学生面前,如果只是用这样的课件是不能最大限度激发学生学习兴趣的。目前,基于流媒体技术、虚拟现实的三维动画技术及交互技术综合应用的课件在仪器分析实验教学中的应用还不多[3-4];因此,为了提高实验教学质量,很有必要开发实验课教学新方案,构建仪器分析实验多媒体网络教学平台。

1 设计思路

仪器分析实验课的特点决定了多媒体网络教学平台的功能与风格。在设计中既要考虑到授课对象的多样性和课件的可观赏性,同时还要考虑到网络课件的交互性、可扩展性和易用性。另外,由于课件中的主要内容均以视频的方式展示,因此还要考虑在线观看时的网络传输速率问题。由于授课对象的基础不同(既有化学系的学生,又有非化学系的学生,还有外校学生或参加工作的人员等),因此,课件中既要有演示仪器操作、介绍仪器构造的内容,又要有针对那些理论知识不足者的基本理论知识;另外,还要有针对仪器分析实验中的分析方法在现实生活中应用的精彩展播,以激发学生的学习兴趣。学生在学习的过程中和学习结束后,往往还会有些疑问需要与教师或同学进行交流与沟通,这就决定了网络课件要有交互性;随着教学内容的更新和教学对象的变化,教师有时要对课件进行更新或扩展,这就决定了课件要有可扩展性,同时还要考虑到教师对课件进行扩展的易用性。综合考虑上述因素,我们在设计时,决定课件的内容以视频展示方式为主,采用流媒体技术以实现网络在线的观看模式,播放的进度和内容均可人为控制。对仪器内部结构的展示采用虚拟现实三维动画技术,这样可以真实展现仪器的整体或局部。对仪器的操作方法教学,既有DV视频讲解,又有基于虚拟现实三维技术的动画演示。对于学生问题的反馈或学生之间或师生间的交流,采用学生易于接受的网络Blog方式,既可以充分展示学生的个性,又可以方便使用者间的交流与沟通。在体现仪器分析实验中的分析方法在现实生活中应用时,采用视频编辑合成等技术,将现实生活中的真实案例有选择地展示出来。为了更好地激发学生的学习兴趣,吸引更多的学生参与到多媒体网络课件的学习中来,网络体系中用专门的频道展示学生在实验过程中的精彩瞬间和成就等。

2 总体架构及功能实现

从技术上讲,为了适应现代远程教育和网络学习的需要,我们在设计中采用了 3层体系结构,即客户端为标准浏览器,中间层为应用服务器,最底层为数据库服务器。系统采用 Browser/Server(B/S)模式,这种模式将传统的浏览器-WEB服务器的两层体系结构扩展成浏览器-(WEB服务器 +应用服务器)-数据库服务器的 3层体系结构。这种模式采用标准的协议和技术,不受硬件平台和软件环境的限制。系统模块组成如图 1所示,主要由接入模块、交换模块、服务器模块、课件展播与互动模块和数据资源管理模块等组成。

从功能上讲,仪器分析实验多媒体网络教学平台是一个由用户管理、课件内容和交互界面组成的一体化有机系统,主要包括 6个频道。

频道一:开卷有益。该频道以电影视频的方式展播仪器分析实验课程的理论内容。开通这个频道的主要目的是为那些理论知识准备不足者提供基本理论知识。这些理论知识涵盖了仪器分析实验的理论原理和仪器工作原理,视频内容主要以文字和图片的形式进行展播。相比于现在网上流行的 PPT课件,它不需要先下载后打开,而是直接在线观看,并可以控制播放的进度和内容。

图1 B/S的多媒体网络教学平台构成

频道二:影片展播。该频道内容分为三维动画虚拟现实视频和DV视频两大部分,以电影视频方式展播仪器构造、仪器工作原理和操作流程。三维动画虚拟现实技术不仅能实现 DV视频的所有功能,而且还能展示仪器的核心部件及其功能;另外,三维动画特效技术的采用及其真实场景的模拟不仅能再现仪器的工作状态和原理,而且还能实现实际工作中没有的视觉效果,这样既不用对仪器进行拆卸,又能生动形象地对实验原理和仪器工作原理进行演示。

频道三:法在身边。针对学生对仪器分析法在现实生活中的实际应用缺乏了解的现状,该频道以现实生活中的实际案例为基础,经过视频编辑合成等技术处理后,将仪器分析法在现实生活中所发挥的巨大作用展现在学生面前。每个视频内容都与人们的生活息息相关,大多数仪器分析方法的应用都在此得到了生动的介绍。此频道的开通,深化了学生对仪器分析法的认识,同时也有助于激发学生的学习兴趣,培养学生的社会责任感和使命感。

频道四:秀我风采。此频道以视频的方式展示学生在实验中的许多精彩瞬间。在仪器分析实验中,每个学生及其所在的团队都会留下精彩的瞬间。无论是学生在实验过程中对实验方案的激烈讨论,还是学生在实验过程中的全神贯注;无论是学生在实验结束后因实验有所获而高兴的表情,还是学生在户外采样时的神态;这些精彩瞬间的展示既是对学生学习的肯定,同时又能起到相互激励的作用,并为后来者树立好的榜样。

频道五:雁过留声。此频道采用易于让学生接受的 Blog方式,既可以充分展示学生的个性,又可以方便使用者间的交流与沟通,为学生架设了一个交流与沟通的平台。Blog(Web log,网络日志,缩写为Blog)是继 Email、BBS、 IM(InstantMessaging,即时通讯、实时传讯)之后出现的一种网络交流方式,它以网络为载体,可简易迅速便捷地发布自己的心得,及时有效轻松地与他人进行交流。由于沟通方式简单、容易,而且表达方式生动,Blog已成为家庭、公司、部门和团队之间越来越流行的网络交流工具。在多媒体网络教学平台中,通过开设“雁过留声”这个Blog频道,使学生之间或师生间的交流变得很容易和便捷;而且由于学生在这个频道上的留言和讨论是以匿名形式进行的,因此,学生除了可以写下自己对教学内容的学习心得外,还可以大胆评论;这样对于知识和情感的交流更加真实可信,教师也可以真实地掌握学生的思想和对教学的意见或建议。

频道六:他山之石。这个频道主要给学生提供了一个更广泛的学习资源。这些资源都是国内知名大学化学系的网上学习资源。他山之石,可以攻玉。学习其他知名大学的网络教学资源能开拓学生的学习视野,提高自身水平。

3 运行效果及学生评价

仪器分析实验多媒体网络教学平台于 2007年 12月底完成开发,自 2007年年底试运行,应用于清华大学化学系、化工系、环境系及核物理学院等院系的仪器分析实验教学中。

对于平台应用效果的评价,我们采用了学校的网上教学评估系统中的数据。此系统由学生对所学课程进行匿名评价(留言)和打分,每学期大约有 12000名本科生在网上对所选课程(包括本科生理论课、双语课、实验(设计)课和体育课)的授课教师进行评价,参评学生人数占应参评学生总数的 92%左右。每学期发放问卷约 110000份,收回问卷约 108000份,回收率约为 98%,其中有效样本约 106000份;参评院 (系、所)40个,评估课程 1053门,被评估教师约1500人次,其中实验(设计)课教师人数为 255人。表 1是平台运行后学生对仪器分析实验课程的教学评估统计。从表 1可以看出,在平台运行后,仪器分析实验教学质量得到了明显提高。在最近的连续 5学期的教学评估中,个人得分都大大超过系里和学校;实验课的平均分有3次进入了全校排名的前 15,有两次进入了全校排名的前 20,在化学系里的实验教学评估中,连续 5次进入前 5(学校只给出排名范围,没有给出具体的排名顺序)。

表1 学生对仪器分析实验的教学评估统计

另外,由于教学平台的作用,学生对实验的兴趣大为提高,有相当一批学生参加了我们开设的“以兴趣为导向的研究型仪器分析综合实验”。这个实验的整个过程对本科生而言,实际上是一个小型而完整的科研过程,它以学生的兴趣为出发点,包括提出方案、查阅文献、讨论方案、确立方案、实施方案、数据处理和撰写论文等一系列过程。这对学生是非常有意义而难得的训练。实验完全由学生组成的兴趣小组完成,教师只起指导作用。实验对象包括化学系、化工系、环境系和核物理学院等院系的学生,同时还包括一些研究人员和社会工作人员等。学生设计的方案所涵盖的内容广泛,题材新颖并与现实生活结合得相当紧密。表 2列出了部分兴趣实验的方案。学生在实验过程中的留言或实验结束后的实验感想中,都对教学平台给出了很高的评价。更令人高兴的是,仪器分析实验多媒体网络教学平台在参加 2008年“清华大学优秀教学软件”的评奖中获得了二等奖。

表2 “以兴趣为导向的研究型仪器分析综合实验”方案(部分)＊

4 结束语

本文对多媒体网络教学平台的功能和应用效果进行了详细介绍,展示了该平台在仪器分析实验教学改革探索与实践中的作用。虽然该平台主要是针对仪器分析实验教学而开发,但该平台的教学模式也可以应用于其他学科教学中。平台中所采用的多媒体技术和虚拟现实的三维动画技术进一步提升了网络教学的功能、效率和可观赏性;另外,Blog的使用也方便和丰富了学生与学生之间、学生与教师之间的沟通。可以说这种形式多样、可观赏性强、突破教学时空限制和传统教学的多媒体网络教学模式,有着很大的发展空间,这种教学模式已经并且将继续在提高教学质量、拓宽学生视野、加强素质教育等方面发挥作用。

[1] Brusilovsky P,Eklund J,Schwarz E.ComputerNetworks and ISDN Systems,1998,30(1-7):291

[2] Thomas J E.The Journal of Life-long Education,1997,17(1):1

[3] Usluel Y K,Mazman S G.Procedia-Social and Behavioral Sciences,2009,1(1):818

[4] Jones G R.网络教育——21世纪的教育革命.万小器,程文浩译.北京:高等教育出版社,2000

＊ 通讯联系人,E-mail:zhouy@chem.tsinghua.edu.cn