仪器分析实验翻转课堂教学模式改革实践

薛 也，熊 峰，袁卉华

（南通大学 生命科学学院，江苏 南通 226019）

随着科技进步和工业制造能力的提升，新型分析仪器种类日益繁多，功能日益强大，分析领域也逐渐细化。仪器分析实验是面向化学类、生物技术类、环境科学类本科学生开设的实用型课程，兼顾科学理论和实践，对于学生未来从事科研或生产工作都具有重要作用。实际教学中发现，学生在完成前导课程学习的基础上，依然存在理化知识基础不牢，对仪器分析实验课程不够重视或有畏难情绪，理解仪器分析原理存在困难，无法做到全面掌握实验操作技巧等问题。面向生物技术专业学生的教学实践表明，将翻转课堂教学模式引入仪器分析实验教学，有利于提高学生参与仪器分析实验课程的积极性，提高课程教学质量。

1 生物技术专业仪器分析实验教学存在的问题

1.1 学生基础无法适应课程难度

生物技术专业主干课程为生物化学、细胞生物学、分子生物学等概念型课程，因而学生的物理化学基础主要集中在与生物分子结构、功能和相互作用相关的生物化学知识，以及在生物技术领域中应用的相关技术原理和方法。比如，生物化学着重于蛋白质、核酸等生物大分子的结构、功能和相互作用原理，以及生物化学反应所涉及的动力学和热力学。分子生物学技术着重于DNA 的双链结构、碱基配对规则，以及PCR 等实验技术的原理和参数控制。而仪器分析更加侧重于数学、物理和工程类的原理，仪器分析理论多涉及复杂的数学建模和公式推导。比如，色谱分析是通过物质在固定相和流动相之间的分配行为实现分离和定量的方法，色谱法中的塔板理论和速率方程理论涉及流体动力学、传质过程及分离效率等物理原理。在色谱分析中，学生需要理解如何选择柱填料并优化条件、流速和保留时间的关系等数理概念。学生在这些领域的基础普遍较为薄弱，部分学生对涉及数学推理和物理理论的内容存在排斥心理，进而因缺乏兴趣或无法看到课程与生物技术专业的直接联系而感到困惑或失去学习的动力。

1.2 硬件条件无法满足实验操作需要

仪器分析实验是一门实用性很强的课程，是科研和生产工作中的“眼睛”和“耳朵”[1]，涉及多种定性和定量分析方法。课程内容设置多以化学学科内容为基础，需要使用一些精密、昂贵的仪器，比如傅里叶变换红外光谱仪、气相色谱仪、液相色谱仪等。由于昂贵的价格和维护费用，一般学校拥有这些仪器的数量有限，且多用于研究生的科研工作，由专业人员专门使用和维护。一般而言，相比有限的仪器设备，学生人数多且课时量少，无法确保每一位同学都有充足的时间接触和操作实验仪器。

1.3 教学方式和教材选择增加教学难度

基于现有的实验硬件条件，仪器分析课程多以常规实验授课方式进行，即课堂上首先进行实验讲解和演示，说明操作方法和技巧、注意事项等，其后安排学生分组实验，最后开展实验总结与讨论。这种教学方式较为适合具有扎实课程基础的学生，而对于数学物理知识相对欠缺的生物技术专业学生来说，以这种教学方式进行仪器分析实验授课一定程度上增加了学习难度。此外，市面上现有仪器分析实验教材多与化学或化学工程类专业内容结合较多，而与生物专业内容联系不多。即便是一些生物类仪器分析教材，与生物相关的具体内容仍然有限，与专业匹配度不足也增加了教学的难度。

2 翻转课堂模式的实施要点

翻转课堂特点是将基础知识的学习前置，课堂上开展更为深入的学习和探究。随着信息技术的发展和互联网的普及，曾经制约翻转课堂教学模式施行的技术问题已不存在。实施翻转课堂教学模式的优势日益凸显。第一，有利于个性化学习。学生可以根据自身的学习基础和学习习惯，自主预习和学习。同时，还可根据学习需要多次观看教学视频或阅读材料，从而加强理解和记忆。第二，有利于提高学习主动性。课前自主学习需要学生独立思考并解决相应问题，基于自主学习，学生对知识的掌握程度和思考深度都会有所提高，有利于参与课堂上的讨论与合作，提升解决问题和团队协作的能力，学习的主动性也大大增强。第三，有利于提高教学质量。学生带着问题进入课堂，课堂参与度的增加有利于强化课程要点，教师可对学生仍存在的疑惑，进行有针对性的指导和解答，保证取得更好的教学效果[2]。

仪器分析实验实施翻转课堂，任课教师可将经过精心筛选的教学资源分享给学生，让他们在课前熟悉实验原理、实验仪器的结构、实验的操作流程和技巧，从而让学生在课堂上做到心中有数，提升学习效率和学习质量。实践表明，翻转课堂实施有助于解决生物技术类专业仪器分析实验教学现存的问题。一可弥补数理知识欠缺的问题。课前学习可帮助学生了解相关基础知识，理解仪器分析实验原理中的重点和难点，将复杂的抽象问题通过视频形象化，强化学生理解复杂问题的能力。二可弥补仪器少、分配不均，人均操作仪器时间短和对仪器不熟悉等问题。采用直观的视频资源或模拟实验帮助学生突破实验理论性强、抽象性概念多、操作复杂等难点。运用在线资源突破时空限制，可弥补课堂时间短及资源有限的问题[3]。三可解决学生学习积极性弱的问题。翻转课堂形式更为灵活，可通过最新的专业案例，帮助学生充分认识仪器分析实验课程与生物领域科研、工作密不可分的关系，从而激发学生学习的热情和动力。

仪器分析实验课程翻转课堂模式实施过程分课前、课中、课后三个阶段（如图1）。

图1 仪器分析实验翻转课堂模式实施示意

2.1 课前准备、任务布置及课前考核

任课教师在备课时，提前准备好与课程相关的文字资料和视频教学资源，并在课前将这些资源发布给学生。通过课前导入教学视频，帮助学生做好预习，更快融入课堂。随着网络和视频技术的普及、教育部门的推动，教学视频资源日益丰富，以中国大学MOOC 为代表的教学网站深受广大师生欢迎[4]。经梳理，有一批教学资源可用于课前自主学习环节[5]（如表1）。这些视频资源涵盖了光谱法、色谱法和其他分析技术的实验内容，无论在知识点的深度和广度，还是在思政教育方面，都有高质量的保证。

表1 可用于仪器分析实验翻转课堂教学的视频资源

教学资源的筛选应考虑多种因素：一是时长合适，不过度占用学生课前时间；二是难度适中，能兼顾学生的基础和教学的目标；三是形式多样，能吸引学生的兴趣。此外，为考查学生课前学习的效果，应根据课前教学资源的核心知识点，设置课前考核作业。作业内容应能覆盖课程资源主要知识点，根据知识点特征设置题型，可以是选择题，也可以是具有启发性的问答题，以让学生了解自己课前学习的成效。

2.2 课中强化

课堂上以实际操练为主。任课教师首先讲解实验原理、实验目的和需要注意的问题，接着进行实验操作演示，最后布置预留问题。在学生操作时，任课教师在教室巡视，回应学生实验操作过程中可能出现的问题并根据学生操作的熟练程度评估其课前预习效果。在学生完成实验操作后，任课教师讲解学生操作过程中存在的问题，并针对关键步骤进行提问，学生经小组讨论得出答案，最后任课教师进行总结。此环节实施过程中，教师需要留意部分表现不佳的学生，因为他们极有可能并没有在课前认真预习或者自身基础知识掌握不牢。为了防止这部分学生“掉队”，需要进行额外的训练和指导。教师还需对学生回答预留问题的表现、实验操作的熟练程度及参与团队合作的活跃度进行打分，作为考核学生课堂表现的依据。

2.3 课后考核

实验报告可作为课后考核的主要依据。除了实验报告中的常规部分，重点要增加反思性和开放性问题的比重，以达到检查学生深度学习效果的目的，从而评估翻转课堂教学模式在仪器分析实验教学中的作用。

3 翻转课堂的实施案例——以“高效液相色谱分离提纯青蒿素”实验教学为例

以“高效液相色谱法分离青蒿素”实验教学为例，在实验课开始的前一周，任课教师先筛选课前学习资料，包括视频和图片等。该实验的重点和难点是确定最佳实验参数，前提是理解液相色谱的工作原理，在理解塔板理论和速率理论的基础上掌握色谱基本分离方程各部分的实际意义[6]。

课前，给学生的学习材料应难度适中，如果视频内容仅涵盖这部分公式推导的过程，则难度较大，学生不易理解消化，故应选择以动画展示色谱分离过程，具体展示影响色谱分离过程的关键要素，帮助学生将色谱基本分离方程各部分与其具体物理含义联系起来，进而掌握选择最佳分离参数的思路和方法。动画应能化抽象为具体（如图2），例如，液相色谱的分离柱具像化为圆柱形通道，固定相具像化为大小均一的球形颗粒，以三种不同颜色颗粒间的距离表示三种不同组分的分离度，其中，1#色颗粒与固定相具有最大的亲和力，2#色颗粒与流动相具有最大的亲和力，故2#色颗粒移动速度最快，1#色颗粒流动速度最慢。2#色颗粒具有最小的相对保留值，3#色颗粒次之，1#色颗粒具有最大的相对保留值。具像化的视频可以形象展示色谱分离过程、影响因素和衡量指标，更利于学生理解。课前考核题目可设置开放性试题，如三种不同组分的相对保留值如何排序，或决定不同组分的相对保留值的因素有哪些，帮助学生巩固自学的知识。

图2 三种不同组分在液相色谱柱中的分离过程示意

课中，教师首先通过提问评估学生课前学习情况。然后，以屠呦呦发现青蒿素的过程和意义导入，既引入思政元素，又可引起学生对实验任务的兴趣[6]。任课教师演示实验并强调注意事项后，安排学生分组实验，在此过程中，任课教师注意观察学生的动手操作能力、组织协调能力等，并根据实验进度和效果，选择同学进行提问并做记录。实验结束后，需对学生的操作和表现进行点评。

课后，任课教师根据学生实验报告中的实验记录、实验反思和问题回答对学生进行课后考核，发现问题，可依托网络平台继续提供学习资源和帮助。

4 结语

在传统的仪器分析实验课堂中，学生需要在短时间内学习和消化大量的新知识，部分学生存在一定的畏难情绪，教学效果受限。引入翻转课堂教学模式，学生在课前通过视频等资料提前预习重点和难点内容，能够将抽象的名词和理论与实际的仪器结构和操作方法联系起来，提升学习效果。采用综合的评价体系，以翻转课堂所涉及的课前预习赋分、课堂表现评级、实验报告和期末考试成绩综合评价学生知识点掌握情况和综合应用能力，更为全面客观。实践证明，该教改模式可激发学生的学习兴趣，提高学习成效，并提升学生综合运用分析手段解决实际问题的能力。