基于特殊情况的仪器分析实验教学模式研究*

袁 婷，韦 波，施少君

(常熟理工学院材料工程学院，江苏 常熟 215500)

2020年初，一场突如其来的新冠肺炎疫情在全球蔓延，全国各省市自治区启动重大突发公共卫生事件一级响应，导致多地大学无法如期开学。为了保证疫情防控期间正常的教学进度和教学质量，教育部要求采取政府主导、高校主体、社会参与的方式，共同实施并保障高校的在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”[1]。在此号召下，全国高校纷纷开展在线教学，采用各种远程教育方式保障理论教学的稳步进行。

实际上，除本次的新冠肺炎疫情外，还存在不少类似的特殊情况。2003年“非典”疫情席卷全球，多所大学的正常教学进度被打乱。2014年埃博拉病毒在非洲爆发，造成尼日利亚、利比里亚等非洲多国教育停滞。此外，一些国家局势紧张、学生抗议活动等情况造成的大学停课、教育停摆现象也时有发生。虽然可以借助网络、教学平台和多种媒体开展理论教学，但是对化学专业的实验教学却造成了严峻的挑战[2]。目前，多数高校的化学类实验教学主要采取的还是面对面、手把手进行教授，这不仅存在地点上的局限，对实验设备要求也较高。加上化学类实验设备普遍都是专用实验器皿、设备或大型检测仪器，要做到台套数满足学生数要求非常困难。特别是在地处中西部欠发达地区的高校，大型设备的购置经费问题突出，也很难完全满足化学学科实验教学需求。

在高等教育中，实验教学是化学专业教学环节里的关键组成部分，如何在社会冲突或自然灾害造成的临时性停课、经费条件不足、设备台套数不够等特殊情况下保证教学质量是现代教育改革中必须考虑的部分。本文以化学专业基础必修实验——仪器分析实验为例，探讨了特殊情况下化学专业实验教学的主要困难，并针对性地研究了实验教学改革模式。

1 特殊情况下化学专业实验教学的主要困难

1.1 实验教学面授条件不足

仪器分析实验目的是学习化学定量分析和仪器分析的基本技能和分析方法。因此教师要在专业的化学实验室为学生讲授实验目的原理、仪器的操作以及在实验过程中需要注意的事项等。这种教学模式需要教师、学生、设备三方面条件同时具备，缺一不可。但是在社会冲突或自然灾害发生时，学校往往采取临时性停课的措施，教师和学生无法集中，以面授方式进行实验教学的条件产生缺失。此外，即使在正常情况下，由于仪器分析实验往往涉及色谱、质谱、光谱等大型仪器，极易存在实验教学师资不强、实验教学的可重复率较低以及设备购置经费不足等问题。经常会出现仅仅老师演示、学生并未实际操作或者数名乃至十余名学生操作一台设备的情况，一些高校因为未购置相关设备而取消部分实验项目的现象也时有发生。在这些特殊情况下，实验教学的条件无法得到满足，严重影响了学生对化学专业理论知识的理解以及创新能力的培养。

1.2 线上实验教学资源不足

近年来在信息技术的飞速发展下，不少高等教育正向着数字化转变，慕课、微课等在线课程的建设和实施也已广泛深入地开展了多年。这次疫情中，教育部要求面向全国高校全天候免费开放了全部优质在线课程和国家虚拟仿真实验教学项目共享平台[3]。但在这些在线课程中搜索发现，用于化学专业实验如仪器分析的资源非常有限。这是因为实验教学长期以来主要采用面对面授课形式，线上教学的优势和潜能并未得到充分重视。不少学校投资数百万甚至上千万建立的优秀化学实验测试平台仅用于本校有限学生的实验教学和教师科研，用于建设实验在线课程项目的寥寥无几。这就导致一来本校师生资源有限，大型仪器设备平台不能物尽其用，大型仪器开机维护费用高却无人使用；二来大型设备仪器原理、操作和维护手段复杂，遇到实验师资变动等特殊情况时平台的持续利用效率也会降低。而在中西部偏远高校中，大型设备如电感耦合等离子体光谱仪、气象色谱仪等动辄数十万数百万，学校很难具备相应的仪器分析手段。这使得有条件的高校不能充分发挥平台优势，而条件欠缺的高校无法共享到这些有限的资源，在疫情等特殊情况下更是显得捉襟见肘。

1.3 实验线上教学考核困难

长期以来，除对实验教学的在线课程建设缺乏重视以外，实验类线上课程的建设困难也是造成教学资源匮乏的重要原因之一。这主要是因为化学类实验教学具有其特殊性，必须涉及到学生的实操以及部分团队协作的项目等。线上网络教学由于是远程教育，学生以看和听为主，对操作能力的培养就存在比较大的局限。而在考核指标上，实验教学与理论教学也存在较大差异。理论课程的考核主要以考试形式进行，线上课程的相关设置完全可以满足要求。实验课程的考核一般以学生的实操能力为基础，同时考察学生的学习态度、团队协作能力、创新能力等，这些考核指标在网络课程中难以体现，这也是对实验教学线上课程的巨大挑战。此外，实验教学的线上课程要求教师同时具有较高的操作能力和信息技术水平，教师信息技术素养和信息化教学水平的不足也直接影响了实验课程的线上教学效果。

2 特殊情况下化学专业实验教学模式研究

面对特殊情况下进行实验教学的种种问题，本文以仪器分析实验为例，积极开展了在特殊情况下化学专业实验教学模式的探索和研究，以保障特殊情况下化学专业实验教学的顺利进行。

2.1 线上线下混合，创造实验教学条件

实操动手是化学类实验课程的必要环节，掌握实验研究的基本手段和方法，具有一定的实验技能和动手能力是理工科学生必备的专业基础。因此，如果完全照搬理论课程的线上教育方案将无法完全满足实验教学需求。虽然在科技飞速发展的今天，AR 增强现实、VR虚拟现实等前沿技术已逐渐被开发，但应用于实验教学还需要时间和科技的积累，目前很难实现全民普及。因此，现今乃至未来的几十年内，线上和线下的混合才是解决特殊情况下实验教学条件不足的实际途径。

线上教学主要进行实验室的个人安全防护、危险化学品泄漏处理等基础知识的学习，“电化学电致发光测定氨基酸含量”、“气相色谱的定性和定量分析”、“离子选择性电极法测定天然水中氟含量”等认知型实验基本原理的预习，以及大型设备如紫外可见分光光度计、气相色谱仪、原子吸收光谱仪、红外光谱仪等测试实验的观摩这几个方面。线下教学主要就包括简单认知型实验的实操部分如红外压片、电位滴定、调节溶液的pH等。待疫情等特殊情况结束以后，学生返校对基础实验操作进行练习即可，而基础化学实验室大部分高校都具备。值得注意的是，实验教学的考核评价模式也需要有相应的改变。线上教学要根据实验慕课的学习情况、模拟操作的结果、线上讨论及作业完成等情况来考察，同时综合线下的实验操作能力进行学生考核评价。这也有助于学生对系统实验方案、目的及原理的理解，加深对专业知识的巩固，避免了学生在实验课程中只是一味地机械模仿和重复，更注重对学生实验综合素质的评价，实现全方位考核。通过虚实结合的实验教学和评价模式，可以充分发挥学生的自主学习能力，同时培养学生的实践能力[4-6]。

2.2 遴选优质资源，加强线上课程建设

尽管网络课程建设已经开展数年，但目前全国范围内实验课程的线上教学资源少之又少。在科技及信息技术迅速发展的今天，大部分家庭都能普及家庭电脑、网络等常规设备，如果拥有成熟的教学软件和网络课程资源，通过线上直播授课、录像授课、虚拟实验室等方式，可以满足特殊情况下实验课程线上教学的需求。这就需要几方面的共同努力：一是支持有条件的高校，充分利用其优质资源，加快开展相应实验教学在线网络课程的建设，建立内容丰富的实验网络资源库，扩大实验网络资源的广度，保障特殊情况下的基础实验教学能顺利开展[7]。二是充分发挥实力雄厚的名校以及名师力量，推动经典和富有特色的实验在线课程建设，形成优质精品实验教学线上资源，加大实验网络资源的深度。三是鼓励拥有优质网络和实验平台的社会力量，积极开发各类配套实验仿真软件、虚拟实验室、在线实验平台等网络资源，构建虚拟实验教学平台，配合高校教师制定在线教学方案。通过高校、教师、社会力量的结合，有效拓展实验教学线上内容的广度和深度。线上课程是未来教学发展的一大必然趋势，有效地实现了资源共享和能力提升。而教师通过线上课程的建设，可以加深对实验教学及专业技能的理解和应用，同时在此过程中适应互联网时代的知识传播方式，紧跟时代步伐，对教师自身也是提高的良好契机。

2.3 加强课程设计，发挥科技平台优势

要充分发挥线上课程教育在化学专业实验教学中的作用，就不能只是将理论课程线上教育的经验及方案生搬硬套，简单地把课程放在互联网上，需充分考虑实验课程的优势与特点，加强课程设计，形成切实可行的实验课程在线教学方案。从实验课程的特点出发，全面统筹教学内容，提供差异化、个性化、智能化的教育，有效地利用这些各位平台科技资源来提高实验教学的质量和效率。如仪器分析实验中的认知型实验，可以由授课老师录制实验原理和目的等基础知识的视频，同时组织线上讨论，讨论内容可以包括实验方案设计、实验设备选择、实验团队分工等，剩余简单实验操作待条件允许后分小组线下进行。观摩性仪器分析实验涉及到的大型仪器比较复杂，应由具备优质实验平台的高效及社会力量进行课程建设，组织专业人员录制实验仪器的内部结构及操作视频，并以慕课的形式进行整理。将仪器背景知识、原理、操作步骤碎片化，一个知识点对应一个短视频，学生可以利用手机、平板、电脑等工具随时观看，对不甚了解或者感兴趣的模块反复学习，满足学生个性化需求[8-9]。

3 结 语

如今新一代信息5G网络开始应用，可解决网络接入和平台稳定性、线上教育资源整合、在线教育平台交互功能不足等问题[10]。直播平台如QQ、ZOOM、钉钉等，最大限度地满足教学需求。而一些顶尖科技如3D应用技术、AR增强现实技术、VR虚拟现实技术也已逐渐成熟，应及时开展这些新型科技在实验教学中的模拟研究，可以极大地丰富教学应用模式和场景[8]。互联网大数据分析，可以实时精准掌握每个学生的学习行为和学习情况，更有助于对学生进行个性化培养，针对性教育。

作为人才培养的重要环节，实验课程是学生实践与研究的基础，也是从知识理解向科学研究的转化。这次疫情给实验课程的教学改革提供了一个很好的契机，倒逼高校和教师去思考如何开展特殊情况下的实验课程教学。在疫情及各种特殊情况常态化的背景下，在线教学将是发展的大趋势，成为与线下教学融合并行的教学方式，对传统教育进行有效辅助和补充。其打破时间空间限制，实现优质资源共享，更有利于促进教育的公平化和全民化，让即使处于特殊情况的学生也享受到学习权利。