大学化学, 2022, 37(2): 2107050-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107050

专题

线上线下混合式实验教学模式的改革与探索

章建东, 吴莹, 严吉林, 姚英明, 赵蓓, 姚建林,

Reform and Exploration of Online and Offline Mixed Experimental Teaching Mode

Zhang Jiandong, Wu Ying, Yan Jilin, Yao Yingming, Zhao Bei, Yao Jianlin,

通讯作者: 姚建林, Email: jlyao@suda.edu.cn

收稿日期: 2021-06-30   接受日期: 2021-08-11  

基金资助: 江苏省教育改革项目.  2015JSJG244
苏州大学第二批本科教学团队项目.  5831501820

Received: 2021-06-30   Accepted: 2021-08-11  

Abstract

University chemical experiment course is a comprehensive practical training link to train talents of materials, chemistry, chemical engineering and other majors to apply basic operation and theory to solve practical problems. This paper discusses the bottleneck of the current university chemical experiment development due to the large-scale, professional, high cost, fast update and other factors, designs the online and offline mixed experimental teaching mode, carries out the corresponding software and hardware construction, and carries out the reform and exploration of online and offline mixed experimental teaching mode. The teaching mode has good teaching effect, and can be copied and popularized, which provides a useful reference for the cultivation of innovative talents and the innovation of experimental teaching.

Keywords: Online and offline mixed teaching mode ; Experimental teaching ; University chemistry

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章建东, 吴莹, 严吉林, 姚英明, 赵蓓, 姚建林. 线上线下混合式实验教学模式的改革与探索. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2107050-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107050

Zhang Jiandong. Reform and Exploration of Online and Offline Mixed Experimental Teaching Mode. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2107050-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107050

大学化学实验是化学、材料、环境以及生命科学等学科相关专业学生的必修基础课程。它的任务是使学生掌握化学实验的基本理论、基本操作技能和技术;学会应用各种化学实验设备以及相关检测方法,以培养学生的综合科学素养,顺应社会对应用型人才的需求[13]。为了培养学生解决复杂化学问题的创新实践能力,不少大学化学实验教学必须借助大量大型分析仪器,然而随着“互联网+”时代实验教学的创新发展,高校化学实验教学却面临诸多挑战。一方面,仪器种类繁多,投入成本高,昂贵的仪器价格限制了实验配备的仪器台套数量;另一方面,仪器发展日新月异,实验仪器的配备无法跟上设备的更新发展;再则,大型仪器设备构造复杂,专业性强,为了维护仪器、保证实验的正常进行,每次实验前教师需要花大量的时间去讲解,不仅增加了指导教师的工作量,更重要的是学生实际操作时间变短。为了解决目前高校本科化学实验教学中的上述瓶颈问题,苏州大学材料与化学化工学部进行了线上线下混合式实验教学模式的探索与实践[4, 5]。构建了化学实验教学网络交互平台,学生利用实验网络平台的线上学习、仿真实验、远程实验等方式,结合线下的实操练习,突破时空的限制,提高了实验教学效率和质量。

1 线上线下混合式实验教学模式

苏州大学在2009年获批建设教育部“理工结合模式培养化学化工科技创业人才实验基地”的基础上,重点探索面向理工交叉融合创新人才培养的化学专业实验教学体系改革。经过7年探索研究,5年的实践检验,线上线下混合式化学专业实验教学体系的构建与实践取得了显著成效。

以计算机网络技术为核心的信息时代的到来,为化学实验教学尤其是那些依赖仪器和计算机的实践教学环节提供了解决困难的方法和手段[6, 7]。我们利用先进的网络信息技术、虚拟化技术构建了化学实验教学网络交互平台,发展了网络环境下的线上学习结合线下充分实践的混合式实验教学模式(图 1)。该模式首先要求建立一个实验教学网络交互平台,平台上不仅有实验要求、实验原理、操作视频等丰富的实验教学资源,还有最新仪器的介绍,学生在实验前进行线上学习,包括仪器预约、实验预习、观看操作视频、完成预习练习等,然后进入实验室进行线下实操练习,实验中的结果数据随时上传到网络平台,实验结束后在网络平台上完成实验报告。整个过程以学生为主体,进行自主学习。教师只起辅助作用,负责网络平台的资源建设及实验设计,实验时以翻转课堂形式代替了以往的大量讲解,完成整个过程的辅导及监督、实验报告批阅及成绩评定。使有限的实验课时、有限的仪器设备得到充分的运用和延伸,使学生可以进行一系列的虚拟仿真实验、远程实验以及自主开放实验。在该模式下,学生利用线上化学实验教学平台资源,进行仪器预约、实验预习、报告提交等操作,从而高效便捷地完成线下实验操作与练习,充分发挥学生的主观能动性和创造性。教师有更充裕的时间设计实验,高效地进行实验教学管理,突破时空的限制,随时对学生进行指导和交流。

图1

图1   线上线下混合式实验教学模式的框架及功能


2 线上线下混合式实验教学模式软硬件建设

为了实现线上线下混合式实验教学模式,必须有相应的硬件支撑与软件服务,实验教学中心历时3年左右的时间,基本完成了配套的软硬件建设。

2.1 线上化学实验教学平台——软件建设

首先我们建立了化学实验教学网站(网址:http://10.20.216.131:8080限校园网访问),网站界面如图 2所示,该网站实现了教师在线检查学生线上预习、实验原始数据,批阅实验报告、成绩评定等。学生可以进行线上实验预习、完成测试练习、调用自己的实验数据、上传实验报告等功能,2年间访问量突破7万余次。每个实验室安装了大尺寸电子显示屏,大部分仪器都可以直接联网。平台上配备了所有实验的教学微课视频,包括实验原理讲解、仪器使用及实际操作演示,同时配套了学习情况检测试题。学生在实验前进入实验网络平台,完成实验原理、实验内容、仪器操作以及结果处理等内容的学习,这一过程学生可以不拘时间、地点、形式,利用各种终端,以各种方式进行远程和交互学习,并通过相应的测验题目检查学习进程,达到必要的预习效果。线上教学平台主要包括教学管理、学习管理、实验室管理、远程实验等主要模块。

图2

图2   线上实验教学平台截图


2.1.1 教学管理模块

教学管理主要包括以下栏目。(1) 实验项目:管理教师所属实验项目,编辑实验项目内容、上传视频等资源、编辑预习测试、批阅实验数据和实验报告、添加实验问答、查看学生实验成绩列表;(2) 课表:查看本学期登录人的课表;(3) 知识:章节管理(新建、编辑、删除),单元管理(新建、编辑、删除),上传视频、图片、实验手册资源,编辑题库、测试和考试,布置作业;(4) 公告栏:通知管理(发布通知),信息发送(定向通知和邮件),历史记录查询,讨论;(5) 学习管理:查看班级成员;(6) 资源容器:上传文件或压缩包;(7) 课程信息:编辑课程信息、课程介绍,上传课程、教师图片。

化学实验教学微课视频是学生进行线上学习的重要资源,对实践过程顺利进行有重要指导作用。为此我们所有实验指导教师都加入了制作团队,有数十位教师投入了大量精力和时间进行了视频资料的拍摄和制作,脚本设计、动作分解、场景分段、后期制作、配音优化都是由项目组教师独立自主完成。目前无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等基础实验课的高清微课视频库已经制作完成,合计76个微课视频,总时长1560分钟。学生可以登陆实验教学平台后,随时在线观看,通过观看这些微课视频预习实验的相关内容并基本了解这个实验的操作过程,并以此为依据进行对应的练习测试,这些微课视频也是学生复习和巩固的重要学习资料,对于学生掌握实验原理和操作起到了重要的作用。

平台上这些教学管理栏目的设立,不仅使该课程的相关学生和实验指导教师及时了解教学安排、教学要求以及教学进程,而且师生之间就教学过程中的相关问题可随时互动。

2.1.2 学习管理模块

学习管理中学生可看到所有实验项目,在每个实验项目下有:实验内容、实验微课、预习测试、实验数据、实验报告、实验作业、实验问答、成绩管理、仿真模拟九个栏目。学生通过这些栏目可以有针对性地开展化学实验预习、模拟、复习,且这些环节不受时空的限制。

2.1.3 实验室管理模块

利用虚拟化技术,实现了所有实验室可视化,学生可以自主选择相应的实验室和仪器设备进行360度观摩,让学生在未进实验室之前就能对实验室及仪器都有比较直观的认识。实验室管理模块还具有网络预约功能。学生可以在完成一系列预习评估的基础上,进行在线预约实验,经过相关教师授权后可以进行实验操作及数据提交。

实验室管理模块可以对化学实验室进行科学管理并提高效率,使线下教学运行更加流畅和高效。特别是像一些选修综合实验,以往学生经常要和实验管理员反复沟通、预约,才能做一些合成和测试,利用实验室管理平台后,学生对实验室的空闲时间一目了然,有效避免了不必要的实验时间冲突。通过该模块,可以初步实现学生实验的完全开放及自主学习。

2.1.4 远程实验模块

学生科学素养的培养离不开大型仪器设备,然而大型仪器设备往往价格昂贵,且主要用于科研,很难进入本科生课堂。即使本科教学实验室购置了部分大型仪器设备,也无法配置足够的台套数,无法普惠学生[8, 9]。目前已经对学校测试中心的大型核磁共振仪、气相质谱(GC-MS)、原子发射质谱(ICP-MS)等大型仪器实现了共享和远程实验。利用互联网及高清摄像系统,我们可以在多媒体教室及普通实验实进行相关大型仪器的测试与教学。在助教的协助下,学生可以远程观察每个测试步骤,对一些复杂的步骤,可以通过录播反复学习模拟。远程实验的数据即时传送到服务器,学生就可以进行相应的数据处理,得到相应的化合物信息。

2.1.5 虚拟仿真实验模块

根据学部开设的化学实验课程实际情况,建设虚拟仿真实验库时,对于市场上成熟且经典的商品化虚拟仿真实验直接采购,例如传统的气相色谱、液相色谱仿真实验等。但还有很多实验的内容及设备具有一定的特定性,比如离子色谱、原子发射等实验以及材料加工方面的实验采用与相应的软件公司定制或联合开发。目前仪器分析已有8个虚拟仿真实验,材料加工已有6个虚拟仿真实验。

2.2 线下化学实验实操平台——硬件建设

实验室目前已经初步建设成一个现代化的多媒体网络化实验室。仪器专用实验室11间,总面积700多平方米,图 3展示了部分实验室照片。有仪器设备50台(套),其中包括气相色谱仪、液相色谱仪、多功能电化学分析仪、电化学工作站、红外分光光度计、紫外分光光度计、荧光分光光度计、原子吸收分光光度计、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、离子色谱、毛细电泳等大型仪器。仪器总价值500多万元。每个实验的仪器设备都实现联网,每个实验室均配备了大屏幕显示设备,可以实现多媒体教学及演示操作,解决了教师在进行实验示范操作时,学生无法看清屏幕内容等问题。仪器电脑都与服务器及数据存储器链接,具有实验数据实时更新提交等功能。部署了专用的仪器分析实验教学服务器,满足教学管理以及网站建设等功能。多媒体教室可以进行实验讲解以及进行大型仪器,如核磁共振仪的远程教学演示。初步实现了实验室智能化管理。

图3

图3   智能化线下实验室


大型仪器远程实验室建设是一个系统工程。大型仪器一般都建有专门的实验室,主要是学校和学部的测试中心负责运行和管理,首先要和这些部门进行沟通和协调,在合理的位置部署高清云端摄像头,在仪器控制电脑上安装远程访问和控制的客户端,部署专门的访问线路等,然后在线上平台预留专门的程序接口,可以实现快速访问。

3 线上线下混合式实验教学模式的实践

在软硬件基本完成建设的基础上,实验教学中心在本科生基础化学实验教学中积极开展线上线下混合式实验教学。线下实践是化学实验课程的重要环节,线上学习的目的是为线下实践服务[10, 11]。完成线上学习后,学生走进实验室时对整个实验心中有底了,实验指导教师只需花少量时间检查讨论实验中的几个关键问题,节约了讲解时间,增加学生实践机会。在实验过程中一旦操作有问题,学生可随时上网看视频的正确操作,有利于仪器的使用和维护,保障了仪器的正常运行。

核磁共振波谱仪在现代化学研究中具有非常重要的作用,但大型核磁共振仪比较昂贵,很难在大学本科实验教学中开展相应的实践,我们的线上线下混合式实验教学很好地解决了这个难点。我们在核磁中心专门部署了高清云摄像头,先采用远程教学,教师可以在普通教室或多媒体教室进行远程控制,助教在核磁中心做好配合工作。学生通过摄像头可以观看600兆大型核磁正常的测试过程以及每个操作细节(如图 4所示)。我们在教学实验室配备了80兆台式小型核磁picoSpin 80,该核磁的磁体是永磁体,不需要液氦、液氮冷却,大大节约了成本,但基本工作原理是相同的。学生观看了远程操作演示,亲自动手在小型核磁上进行进样、数据采集、谱图处理,这样就基本掌握了核磁的测试过程及操作方法。

图4

图4   远程实验教学活动


在荧光物质定量分析实验中,首先要寻找最强的发射峰位置以及最佳的激发波长,同时要避免来自光源散射光的影响,操作过程比较复杂,以往传统只有线下实践时,跟着教师的指导才能完成,很快就忘记,因此期末考试很害怕抽签到该实验。实行线上线下混合式教学模式后,因为预习透彻、实操到位,且有视频的随时指导,学生一致反映说不害怕做这个实验了。

3.1 学生学习自主性

线上线下混合式实验教学模式以学生为中心,学生可以利用丰富的线上线下实验教学资源,结合自身的实际情况,充分发挥主观能动性,进行相应的实验学习和训练,对创新能力的培养具有积极的作用。教师在实验教学的实施过程中,已经从一般的施教者转变为实验素材和实验方案的提供者,从手把手示范演示到放手让学生自主探究实践。

3.2 实验内容全面性

以往,学生一般通过实验课本开展实验的预习,由于课本内容无法即使更新,特别是在仪器方面的学习过程中往往一头雾水,通常就是照搬一下实验原理、实验步骤等,效果很不理想。现在线上实验平台上不仅有实时的实验内容,还有原理讲解、示范操作等微课,学生对相应的化学实验不仅可以系统地掌握理论方面的知识,更对实验过程及操作有了直观了解,进入实验室后可以快速高效地开展实验。

3.3 实验教学互动性

线上化学实验教学平台是实验教学的互动中心,学生-平台、学生-学生、教师-学生、教师-平台各个方面都能够进行即时的互动与联系,为实验教学的顺利开展提供了各种便捷。

3.4 实验实施开放性

通过搭建线上线下化学实验平台,充分利用物联网进行状态采集与监控,整合实验教学与管理的数据,简化了实验室使用与管理的流程,实现开放管理。师生不受时间和空间的限制,随时随地开展化学实验的教学。

3.5 实验评价过程性

学生在实验预习–实验操作–数据处理–实验报告整个过程都是实时可追踪,真正实现了化学实验评价的过程性。实验完成后学生依据平台上自己的实验数据进行结果处理,完成实验报告并在线提交,指导教师直接在平台上批阅实验报告,评判实验成绩。有了平台上视频资料的指导,学生的实验报告写得完整了,针对性强了,且由于实验数据当场上传,保证了数据的真实性;尤其是有利于期终实验考试,学生通过对微课和数字化实验内容的再次学习及实验室的现场简单复习,很容易把一学期所有仪器的操作要领重拾起来,从容应对操作考试。

4 线上线下混合式实验教学的应用成果与效果评价

经过三年的教学实践,师生一致反映这种线上线下混合式实验教学模式很适合化学实验课程,教学效果有了明显提高。

通过每年实验课程结束后的问卷调查,师生对该教学模式的整体满意度到达95%,线上教学平台的整体使用感受满意度达89%,教学需求满足程度达85%,大部分学生认为对实验理论学习、实验操作以及操作考试有实质性帮助。很多学生都说,以往通过书本预习后进入实验室看到仪器设备感到迷茫和无从下手,需要教师重新花费大量的时间进行实验讲解,从而导致动手的时间和机会不多,操作水平和动手能力得不到提高,前学后忘,一出实验室基本不记得什么了。线上线下混合式实验教学模式很好地解决了以往化学实验教学的难题,学生们既有直观的学习素材,又能随时复习巩固,所以实验操作考试时,学生的操作能力和实验成绩都有普遍的提高。

苏州大学材料与化学化工学部的学生在最近3年在全国及省级化学实验竞赛中成果颇丰。获首届全国大学生化学实验创新设计竞赛团体一等奖,全国大学生化工设计大赛二等奖,江苏省大学生化工设计大赛一等奖3项、二等奖2项,江苏省大学生化学化工实验竞赛一等奖4项、二等奖2项、三等奖4项,首届江苏省普通高等学校大学生“安莱立思”杯水处理实验邀请赛特等奖2项、一等奖2项、二等奖2项,江苏高校化学化工联盟大学生实验竞赛特等奖1项、一等奖3项、二等奖2项等数十项国家级、省部级和校级荣誉。

5 线上线下混合式实验教学的实践经验

探索形成了化学专业实验教学的新理念。提出“培养具有严谨求实的科学态度,实验技能精湛,具备创新思维能力和复杂问题解决能力的理工交叉融合创新人才”的化学专业实验教学理念,并以此为指导,对面向理工交叉融合创新人才培养的化学专业实验教学体系进行了综合改革与探索。

构建并实践了线上自主学习和线下指导教学虚实结合的翻转课堂实验教学模式。通过基于在线实验教学平台的线上自主学习和仿真实验,基于线下面对面课堂实验教学的指导教学以及二者相融的翻转课堂教学模式,实现了学生全员实验、全天候实验、全过程记录的实验时空全覆盖,有效增强了学生的实验技能和问题解决能力。

构建了立足实验教学平台、实验教学资源、实验教学模式、实验教学评价四位一体的线上线下融合式化学实验教学体系。通过建立在线实验教学平台、拓展数字化实验教学资源、创新实验教学模式、改革实验教学评价方式等多个维度构建的线上线下混合式化学专业实验教学体系,为新时代理工交叉融合培养创新人才的教育改革和实验教学创新提供了有益的借鉴。

大学化学实验作为理工科实践教学的重要环节在许多高校均开设有不少课程,本项目探索建立的基于线上线下混合式实验教学模式具有可移植可复制性,而且该教学模式建立以后很易实现完全开放实验体系,具有较强的实践意义和推广价值。

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