虚拟仿真与慕课结合助力《材料分析方法》实验教学*

曹 静，李凌云，王 晨

(福州大学材料科学与工程学院，福建 福州 350108)

材料分析表征是材料学科中重要的组成部分，在新型材料的研发中起到举足轻重的作用。因此无论从教学还是科研角度出发，《材料分析方法》实验在材料及其相关学科中都发挥着十分重要的作用。以福州大学材料科学与工程学院为例，《材料分析方法》作为材料科学与工程专业的核心课程，在人才培养方面发挥着至关重要的作用。为了培养学生的综合能力和科研素质，课程实验内容设计了大型精密仪器测试分析相关的实验项目，包括：红外光谱测试技术与图谱解析、紫外/可见/近红外分光光度计定量测试方法、X射线衍射实验、扫描电镜样品制备与形貌观察、透射电镜样品制备及测试技术等。但由于以上项目设计的大型仪器设备存在价格昂贵、操作相对复杂、台套数有限等诸多问题，使其实验教学环节受到较多制约，学生动手操作的机会很少，难以满足工程教育对于本科实验教学的要求。

1 《材料分析方法》实验教学中面临的问题

在传统教学方法中，大型精密仪器的实验教学环节主要为演示实验，为了保证仪器设备的“安全”，教学内容、教学过程和考核点等的设置都收到很大的限制，学生学习印象不深，实验教学难以达到预期效果。具体来说，以《材料分析方法》为代表的这类课程，实验教学中主要存在以下几个问题。

1.1 实验受仪器、时间和空间限制

近年来随着一流学科建设进程的推荐，我校、我院大型精密仪器的数量逐年增加，但该类设备一般都存在价格昂贵，维修费用高等特点，无法实现多台套的教学需要，而面对我院每年将近200名的本科生，仪器设备明显不足，因此在过去传统的本科实验教学中，主要以演示实验为主，学生参与动手的机会很少，部分学生甚至无法看清实验过程，难以达到实验教学目的[1-2]；此外，大型精密仪器所涉及的原理知识比较抽象，且部分仪器操作过程比较复杂，需要学生投入较多的时间去反复学习和操练，而受仪器资源限制，因此最后不得不牺牲实验学时数。在以往传统的教学中，学生课前对相关知识理解不深，在课堂上更难以接受复杂的仪器操作和分析方法，而这类实验课程又难以为学生创造反复操练的机会，导致实验教学效果非常有限。

1.2 实验内容和考核点设置受限

传统实验教学中，为了保证设备的正常运行，在实验内容的设置上，教师根据自己的经验设置正确的仪器参数及程序，选择理想的样品，或教师演示实验，或要求学生在设定的参数条件下进行操作[3]，按部就班地完成实验，最终实验结果是得到正常的、理想的数据。虽然保证了实验成功率，保障了设备安全，但无法体现数据多样性，因此学生无法体验参数设置偏差、样品制备不理想、测试数据效果不好等结果，更无从理解和分析偏差原因。因此实验课上学生收获甚微。这大大违背了当前“以学生为中心”的教育理念。

1.3 部分实验成本高、能耗大，存在安全隐患

大型仪器设备一般会涉及水、电、气，部分还包括大量有毒有害化学药品，甚至易燃易爆危险气体的使用等。如果将其在本科教学中直接使用，势必存在较大的安全隐患，包括实验室安全、设备安全、人员安全等方面，无法保障实验教学的正常开展；此外，部分实验项目需消耗大量有害溶剂或实验耗材，使实验成本高或造成环境污染等。

2 解决途径-慕课建设与虚拟仿真技术结合

近年来，网络及信息技术的快速发展及其在实验教学中的逐步应用，为我们改革实验教学方法提供了一些启发和思路。其中，自2012年以来在世界范围迅速兴起的慕课，就是互联网和高等教育结合的产物。慕课教学模式打破了教育的时空界限，颠覆了传统大学课堂教与学的方式[4]，将各高校课程资源与世界各地的学者分享，实现在线学术交流与讨论学习[5]。但遗憾的是，目前已有的慕课教学主要应用于理论课，在实验实践教学中应用的例子极少。我院已建成的《材料物理性能与结构表征实验》慕课作为福建省实验类省级精品在线开放课程，就很好的利用了慕课教学的优势和作用，将原本复杂的操作、抽象的原理以教学视频的形式展示给学生，学生可以实现在线预习、反复观看视频进行学习[6]，直到看懂、看清操作过程为止。可以说，《材料分析方法》实验慕课资源的建设为学生提供了清晰、丰富的教学资源，同时使学习时间和学习方式更加灵活，提高了学生学习的主观能动性。

实验慕课建设解决了学生课堂学习效果不好的问题，但学生在实际操作环节中存在的问题仍无法解决，而虚拟仿真实验项目的建设则可以有效克服实体实验中存在的上述问题[7]，利用其高效率、绿色环保、直观、安全、不受时间和空间限制等特点[8]，允许学生尝试设置不同参数、不同实验条件、不同样品等对结果产生的影响，及实现数据的多样化。学生可比较并优化实验条件，同时对较抽象的材料微观结构、仪器工作原理、运行状态等有更直观的认识和理解，实现实体实验教学和慕课教学无法满足的教学目标[9]。在虚拟仿真与慕课相结合的背景下，《材料分析方法》实验教学采用全新的教学模式(图1)，将“线上慕课预习+虚拟仿真实验”与“线下课堂指导+实际操作”相结合，虚实结合[10-11]，即将传统的预习过程和实验演示过程转移到线上进行，通过视频微课程讲解实验相关原理、演示实验过程、阐述实验注意事项；线上虚拟仿真实验为学生提供实际操作演练平台，学生还可反复尝试和设置不同的实验参数，体验不同的实验结果，从而对操作过程留下深刻印象，通过平台的答疑室，学生还可随时与指导教师在线交流。

借助慕课平台与虚拟仿真技术，一个完整的学习流程可描述为：学生利用慕课系统进行在线预习，了解基本原理、学习操作过程和注意事项，并结合虚拟仿真平台进行操作练习，直到通过操作考核。在此基础上在线提交预习报告，写明实验材料和实验步骤，设计实验方案和关键实验参数等；经指导教师审核通过，学生进入实验室，分组完成实验操作，最终得到所需测试数据；课后学生根据预习内容，结合自行查阅文献对数据进行分析，最后完成实验报告。教学过程强调以学生为主导，教师只在关键节点和发现问题时予以指导。充分体现以学生为中心的教学理念，将“学”的主动性交给学生[12]，有助于提高学生思考问题和解决问题的能力，培养创新意识。在学习过程中设置师生交流在线答疑环节，这对于提高学生的满意度和学习积极性也很有帮助[13]。

图1 线上线下结合、虚拟仿真与慕课结合的实验教学模式

3 教学体系构建要点

3.1 制作理论与实验操作指导兼具的实验教学视频

将每个实验项目分步制作成2～4个微视频，每个微视频时间控制在15～20分钟，内容包括实验相关原理、实验目的、仪器结构及原理、仪器操作方法及注意事项、数据处理及分析等[14]。操作视频中将实体实验中难以向学生清晰展示的关键部分以特写镜头展示(见图2)，并引导学生通过改变实验条件，获得更优的实验结果。此外将重要的注意事项醒目地提示，在教学视频中，根据视频讲述内容及时提出问题，督促学生带着问题去学习，通过实验寻求解决方法，彻底改变了以往实验课上学生被动学习的状态。除视频资源外，还设置课后作业和测验题，供学生巩固所学知识。

在实现上述功能的基础上，我院《材料分析方法》实验慕课还通过慕课平台与微信的关联，在平台增加微信提供课程进度功能，使学生及时了解课程内容及课后作业、测验题等的发布时间安排。此外还设置了讨论区，便于学生与教师、学生与学生之间就课程内容进行深入交流、讨论。

图2 慕课截图-扫描电镜样品室内部结构

需要注意的是，相比传统教学方法，慕课将大量的知识浓缩在一段段的短视频中，这些视频作为学生实验操作的“指南”，需要做到准确、全面。由于该课程实验项目中涉及精密贵重仪器设备，因此视频中必须讲明重要的注意事项。

3.2 虚拟仿真实验设计

利用虚拟仿真技术，将大型精密仪器操作部分、高危、高能耗、涉及有毒有害药品的实验操作部分制作成虚拟仿真实验。通过在模拟的三维空间中设计人机交互操作，实现物理世界与虚拟世界的无缝交融[15]，其内容强调交互操作，给学生较多的动手操作和学习机会，便于学生在虚拟环境中多次尝试，反复练习。虚拟仿真系统设置学习模式和考核模式两种类型。其中学习模式引导学生按实验流程一步步完成参数设置、实验操作、数据处理分析等，并在适当节点出现操作相关思考题，以引导学生通过查阅相关资料、回放慕课内容来解答问题；考核模式则根据考核内容及安全操作要求等，设计并写入不同实验参数下的实验结果，即实现实验数据的多样化，如当设置或选择不同参数时出现的正确结果、错误结果，设置为操作过程的选择题或填空题，当学生做出选择后，系统评判正确与否，并进行答案及相关知识点解析(见图3)；此外，从安全角度考虑，还设计了当实验参数设置不合理，导致实验者受伤、仪器故障等后果，如操作者被烫伤、烧伤、中毒等的动画效果，将这些实体实验无法实现的结果和效果，通过虚拟仿真动画直观地展示出来。通过以上多样化数据和动画效果的展示，使学生加深印象，了解正确的操作方法，明确参数设置依据，并提高了安全意识。

图3 虚拟仿真实验项目操作中的题目及答案解析

3.3 合理设置考核方式

结合新型实验教学模式，将实验报告内容及考核方式[16]进行了全面更新。考核分为线上、线下两部分，线上考核包括预习报告和虚拟操作，预习报告中要求学生能正确写出实验操作步骤，正确设计实验参数，并写明实验可能存在的问题和关键注意事项，通过以上内容考察学生对相关知识的理解程度和对项目的掌握程度；操作考核成绩则根据学生在虚拟仿真平台的考核模式中操作是否熟练，能否正确选择实验材料及用具、正确选择表征设备、正确回答操作相关题目等，由虚拟仿真系统给出。线下考核内容包括实际操作和实验报告两部分，实际操作中，指导老师根据学生操作的熟练程度和对问题的解决情况进行评价；实验报告包括正确回答慕课平台中的理论部分相关问题，以及虚拟仿真平台中操作部分相关问题，并就实际操作所得数据结果，正确进行数据处理，并结合参考文献正确分析数据。

3.4 课外活动拓展

除了基本知识和方法的讲授外，通过在线上设置实验项目相关知识点考题，并结合学科前沿，设置包含多个项目知识点的综合类试题，为学有余力的学生提供继续提升的平台。设置答题闯关游戏、答题金币等趣味活动，提升学生学习兴趣，作为课堂教学活动的有效延伸。线下设立课外科研拓展班，为基础扎实、对科研有浓厚兴趣的学生提供训练科研能力的平台。科研拓展班以限制名额的方式，优胜劣汰，学生在教师的引导下，提出具有科研价值或开发背景的课题，到教师的研究室或实验室进行实验研究，尽早了解科学研究的思路和方法。这种模式使学生直接介入学科前沿，利于培养学生的实践能力和科研素养。

4 教学秩序和教学质量保障

为了保障新型教学模式下的实验教学秩序，保证教学质量达到预期目标，主要措施有：(1)课程团队组织方面，实验教学中心在教学副院长的带领下负责实施教学工作。各课程负责教师承担实验大纲和指导书的制定和校对工作，并结合教学反馈定期进行必要的修订；专职实验技术人员除负责线下指导外，在教学过程中还定期通过线上、线下途径收集学生关于慕课和虚拟仿真教学资源的反馈意见，并根据需要及时进行更新。团队成员各司其职，互助合作，保证教学过程有序进行；(2)成立院内实验教学督导组，对实验课程教学质量不定时检查与评估，包括课程实施过程及实施结果等，并将检查结果及时反馈给课程组。

5 结 语

综上所述，将虚拟仿真与慕课相结合，互促互补，通过线上、线下的学习和实际操作，通过教学资源的巧妙设置和合理利用，能够开发出更多的实验教学资源，向学生呈现更加丰富、全面的知识内容，提供全方位的知识体系，激发学生对实验课程的兴趣和学习主动性，为提高实验教学质量、提高大型精密仪器利用率[17]提供了全新的方法和思路。