基于翻转课堂的仪器分析实验教学改革与实践*

郭心灵，邱 婷，杨俊杰

(信阳农林学院生物与制药工程学院，河南 信阳 464000)

仪器分析是通过运用各种仪器为生产和科研提供大量的物质结构、形貌和组成信息，是医药、化工、材料、环境、生物等科学研究和工业控制的“眼睛”。仪器分析课程注重培养学生的实践操作能力、理论联系实际的应用能力、严谨的工作作风和锐意进取的创新能力，是一门实践性较强的应用型学科，对培养具有工程特色的应用型人才发挥及其重要的作用[1]。但由于仪器分析是多学科融合的交叉学科，具有覆盖范围广、知识点纷杂多，操作步骤多，结果分析复杂的特点，仅仅依靠有限的课堂实验教学难以达到预期的效果[2]。因此，迫切需要探索构建新的教学模式，最大限度的发挥学生的主观能动性，培养学生的自主学习能力、主动探索的精神对学生掌握知识、培养实践创新能力至关重要[3]。

建构主义理论倡导“以学员为中心，以学为主”，教师扮演引导者的角色，注重培养学生协作交流和创新精神，强调知识内化是学习者积极主动构建知识体系的过程，而不是教育者“填鸭式”的灌输[4]。建构主义理论所倡导的理念和观点与现阶段国际上认可的以学生为中心的教育教学理念不谋而合，符合仪器分析的自身特点所要求教学方法。在信息网络化时代，如何有效的实施建构主义教学模式？翻转课堂是通过课前教师创建视频和学生自主学习、课堂师生互动交流合作解决难题、课后评价反思和创新拓展的教学模式。因此，探索一种基于翻转课堂的仪器分析实验教学改革与实践是建构主义下一种解决问题的有效途径[5]。

1 仪器分析实践教学活动中发现的问题

1.1 实验教学存在“三多三少”的矛盾

由于各类仪器繁多，部分仪器价格昂贵，并且仪器更新换代速度快，而学校经费有限，仪器分析实验教学普遍存在“三多三少”的矛盾[5]。即实验内容多而实验课时少、班级实验人数多而教师少、基础验证性实验多而综合设计类实验少。在有限的实验条件下，为了尽可能让学生接触更多的仪器，教师往往设计一些基础验证性实验，采取“保姆式”的教学方法，教师课前设计实验、准备实验材料以及实验前处理，老师在课堂上讲解、示范，然后学生“机械式”的按照实验步骤进行操作，抄写实验报告，这种“等、靠、抄”的实验教学模式不利于学生实验技能和创新思维的提高和训练。

1.2 学生的自主学习能力差

仪器分析包括光学、电化学、色谱、质谱的十几种分析方法，不同分析方法之间无明显的联系，保持相互独立，并对初学者而言几乎没有知识铺垫。仪器分析是一门理论内容丰富、实践性较强的学科，要求学生不仅要掌握不同分析方法的晦涩难懂的理论知识，而且还要掌握不同样品的前处理方法、选择合适的方法、正确操作实验步骤、实验条件优化和复杂的数据处理分析等。学生仅仅依靠课堂教学无法掌握、理解、熟练应用各种仪器分析方法。而且经过高考高压态势下洗礼后，学生的目标不明确、自主学习能力明显下降，大学鼓励学生自主发展和个性化发展，“保姆式”的教学方式明显不适应培养创新型和应用型人才的目标。

1.3 评价考核形式单一

实验考察上往往采取平时成绩、实验报告成绩与期末成绩的加和，平时成绩往往依出勤率为依据，实验报告千篇一律，学生只追求实验报告的整洁和篇幅，甚至抄袭、篡改实验数据以求高分，所以平时成绩和实验报告分值往往相差不大。学生往往通过考前突击背诵，忽略了实践的认知过程。这种考核方式不能有效的反馈学生的学习情况，也不利于调动学生的积极主动性性。

2 翻转课堂在实验教学中的改革与实践

针对仪器分析实验教学普遍存在的上述问题，根据我校的实际情况，结合制药工程中药药剂专业人才培养计划和仪器分析实验课程的特点，初步尝试将翻转课堂应用于仪器分析实践教学改革，从实验项目设计、课程实施、课程考核方式三个方面进行如下改革[6]。

2.1 精选实验项目 合理安排实验教学

为了提高仪器分析教学效果，提高学生的学习的主观能动性和实践创新能力，我们将建构主义理论应用于仪器分析实验教学过程中，充分发挥了学生的在学习过程中的主体地位，体现知识建构的自主学习过程，重视学生互助协作、交流互动的学习环境。我们对实验项目进行尽心设计和合理安排。

(1)在仪器分析实验教学学时32学时的基础上，增加学生课外自主学习时间24学时，建立翻转课堂教学平台为学生提自主学习、交流互动的学习平台。教师引导学生做好课前知识内化、课后知识巩固和拓展创新，课堂上由教师指导、师生互动交流、并由独立完成实验过程；

(2)由于实验室大型仪器昂贵，仪器有限，为了使每一位同学都有机会参与实验过程，独立操作，我们按20～30人的行政小班进行上课，分为三大组，每个大组做会用到不同仪器的不同的实验，每个大组再分为2～3人的若干个小组协作完成整个实验过程。这种“大组轮转-小组协作”的方式很好的解决了仪器少人员多的问题，避免实验“等、靠、抄”的现象，有利于提高学生的实践操作技能[7]。

表1 仪器分析实验课设项目

(3)在实验项目安排上共设置12个实验，涵盖电位滴定仪、紫外、红外、原子吸收、气相色谱、液相色谱、气质联用等大型仪器的操作和应用，包括基础性、验证性、综合设计性实验的三大模块[8]。基础模块通过视频教学课件和动画模拟软件使学生掌握仪器的基本原理、基本构造，然后，由教师边规范操作仪器边讲解注意事项，随后，学生单独操作仪器，掌握操作要领和排除常见问题的方法；验证性实验通过视频教学-教师指导-学生独立完成实验的方式，使学生掌握仪器的基本操作过程、实验样品处理以及数据分析和处理的能力。综合设计类实验通过文献调研+视频教学+教师指导+学生设计实验方案并完成实验的方式，使学生强化理论知识，具备解决实际问题的综合应用能力和自主设计实验的实践创新能力；

2.2 精心设计教学过程，实施翻转课堂模式

图1 基于“翻转课堂”的实验教学模式实施过程

根据实验项目设计内容，利用现代信息技术手段，在建构主义理论指导下，将翻转课堂具体应用于仪器分析实验教学过程[10]。具体实施过程见图1。

2.2.1 课前知识传递与实验设计

首先，教师根据实验内容进行设计课前实验学习任务、制作PPT、录制微视频、设计自测练习和思考题等教学资源，并将教学资源上传至翻转课堂教学平台；学生根据教师下达的任务制定学习计划、学习教学资源、完成在线测试，通过查阅资料、小组交流讨论完成思考题和实验设计方案。其次，教师通过微信群、QQ和翻转课堂平台跟踪学生的学习情况、参与讨论过程，并对学生的疑问给出解决问题的指导性意见。最后，学生实验小组交流讨论形成实验方案。

2.2.2 课中学生自主实验与互助讨论

课堂上教师根据学生的线上线下反馈情况讲解重难点和实验操作中的注意事项。并对组织学生探讨实验方案的可行性，由每个小组推荐一位代表汇报本小组的实验方案及实施过程，师生共同参与实施方案的提出疑问进行讨论，最终教师进行综合评价，确定实施方案。然后学生由学生独立完成实验操作过程，观察并探讨实验现象、分析推算实验结果。

2.2.3 课后评价反馈与拓展创新

学生对本实验的结果进行互动交流和归纳总结，探讨实验中需要改进的地方和不足之处。教师根据学生的反馈情况和课程实施中遇到的问题及时进行疏导和调整方案，并启发学生对实际药品生产和药材种植过程面临的问题主动探索、解决现实问题。利用课余闲暇之余，教师带领学生深入中药材种植基地和药品生产企业一线参观学习实践经验，有利于学生拓宽思路，也利于帮助企业和用户解决现实面临的问题，实现企业、种植农户、学校三方共赢。比如：迷迭香中含有大量的挥发油成分，迷迭香中抗氧化成分达50%，但其色素难以脱去，其抗氧化成分利用率低，如何高效提取及应用其脂溶性氧化剂和水溶性氧化剂是企业所面临的问题。

2.3 注重实验过程考核 建立多元化实验考核体系

传统的重结果轻过程的实验课程考核方式不利于提高学生的自主学习和实践创新能力，对学生的学习情况不能起到有效的反馈作用。因此，我们基于建构理论，重视翻转课堂在仪器分析实验教学中的实施过程，构建线上与线下相结合、过程考核与目标考核相结合、基本实践操作与创新能力相结合的多元化实践考核评价体系。此评价体系贯穿课程实施的全过程，既有利于调动学生的积极主动性、加深知识的掌握程度，又有利于培养学生团结协作的精神、提高创新应用能力[11]。具体考核办法见表2。

表2 仪器分析实验课程考核评定

3 教学效果调查与评价

通过此次仪器分析实验教学改革，学生的知识掌握程度、自主学习能力和实验创新技能等方面有了很大的改观。学生的实验综合成绩相比去年的学生成绩有了明显提高，82.9%学生在课前自主学习、实验设计、小组讨论、实验环节以及课后拓展等各个考核环节表现优秀。通过课外拓展活动中，将实验拓展活动与创新创业相结合解决现实问题，提出很多值得进一步探究的课题。

评判实验教学改革的效果的优劣必须要以学生的评价放在核心位置。因此，在2017级制药工程中药药剂专业142名学生中对此次实验教学改革进行了问卷调查。调查结果如表3所示。评价项目依托人才培养计划和课程培养目标，客观全面地考察学生对此次教学改革的满意度。从调查表统计数据显示超过80%的学生对此次教学改革表示非常满意。此次教学改革在培养学生知识、能力和素质方面都取得了普遍认可和肯定。

表3 教学效果情况反馈表

4 结 语

仪器分析实验教学改革和实践，有效改善了仪器分析实验室“三多三少”的局面，学生的自主学习能力和创新实践能力得到明显提高，学生的团队协作精神明显增强，多元化实践考核评价体的建立对学生的学习发挥积极地反馈和促进作用[12]。但在教学改革实施过程中存在一定的挑战和困难：高质量的翻转课堂平台建设需要投入很大的时间和精力，并要求教师能够熟练运用现代信息技术手段；虽然采取“大组轮转-小组协作”的方式缓解了“仪器少学生多”的局面，但同时开展几组不同的实验，教师难以对每个实验小组都指导到位；有少部分同学不完全适应新的教学模式，自主学习能动性差，不善于交流讨论，在一定程度上削弱了教学效果。因此，在以后的翻转课堂平台建设上需要考虑成立专业制作技术团队，完善翻转课堂平台的学习时长、作业题库、交流互动参与度等功能来实现学生学习的有效监控和适时引导；在实验课堂中配备一名实验员，与专业教师相互协作与学生加强深度交流互动、指导学生完成实验。结合建构主义理论和课程培养目标，建立更加科学合理、动态管理的翻转课堂实验教学体系是一项长期复杂的系统工程。