受新型冠状病毒疫情的影响，今年春季学生无法返校，各大高校利用各种远程教学工具，开展了线上教学活动。相对于理论课，实验课线上教学活动的开展较有难度。

中国科学技术大学化学实验教学中心(以下简称“中心”)建有基础化学实验、仪器分析实验、综合化学实验三大实验教学平台。仪器分析实验教学平台本学期承担化学院与少年班学院大三年级本科生的“仪器分析实验^[1]”课程。该平台利用自主开发的大型仪器虚拟仿真资源，结合线上直播课，顺利开展了线上教学与实验；在九月学生返校之后又开展了线下实验，通过线上线下结合的方式，不仅顺利完成了实验教学任务，而且有效拓展了实验教学内容。

疫情期间线上课程的安排主要是以直播课结合虚拟仿真实验的方式进行(图 1)：首先由教师以直播课的形式为学生讲解实验原理，分析实验中可能出现的问题，接着学生完成虚拟仿真实验，并下载虚拟实验数据，完成实验报告。根据教师们各自的要求，还会补充实验小测，或者文献调研等任务以加深学生对实验的理解。

本学期仪器分析实验线上教学部分有四个班级同时开设实验，每周完成一个实验项目，即由一名教师分别对每个班级开设直播课堂，采取小班教学、互动课堂的方式以保障教学效果。

课程组使用教务处提供的Blackboard实验平台结合Classin互动课堂直播工具，有效地实现了直播展示、课堂提问、课堂讨论等功能，课堂气氛活泼，互动效果良好(图 2)，且课堂内容可以回看(线上课程发布于中国科学技术大学Bb+网络教学平台(https://www.bb.ustc.edu.cn/，课程号：019029))。

在线教学前，在Blackboard教学平台发布微课和实验操作视频等学习资料，要求学生课前自学。在气相色谱直播课中，教师现场向学生展示色谱柱，并利用仿真的气相色谱模型让学生了解仪器的结构与工作原理，并演示仪器的基本功能；以随机提问的方式，通过“气相色谱柱为什么要设计成毛细管柱？”“为什么液相色谱柱不能设计成毛细管柱？”等十余个问题，促进与学生之间的互动，活跃课堂气氛。这种“以问代讲”的形式能够更好地启发学生思考，使学生更深刻地理解仪器的工作原理^[2]。

本次线上课程所用虚拟仿真软件并非公司采购，而是由仪器分析课程组有经验的一线教师贴合课程建设的需要，自主设计实验开发完成。内容涵盖仪器介绍、实验原理、样品制备、仪器参数设置、样品测试、数据分析等完整的实验流程。经过反复讨论修改，确保每个实验环节的科学性和合理性^[3]。依照“虚实结合”的原则，所有实验素材及实验数据均从真实仪器上获得，保证学生能够根据实验数据顺利完成实验报告。虚拟仿真软件曾获高等学校虚拟仿真实验教学资源建设成果奖一等奖，并发布于中国科学技术大学虚拟仿真实验教学项目平台http://xnfz.cmet.ustc.edu.cn/virexp/ (图 3)。

在完成虚拟实验之后，学生需要使用获得的实验数据进行数据处理，提交实验报告。并且根据教师布置的任务，设计下一阶段真实实验的实验方案。

师生的良好互动对于实验教学的顺利开展尤为重要。在教学过程中，课程组综合利用了教务处开发的多种网络平台：Blackboard网络教学平台用于发布课程资源，进行学生网上测试，教师批改作业；Classin直播工具用于远程互动式教学；虚拟仿真平台(学校自建)用于完成在线虚拟实验；QQ群用于课后讨论(图 4)。

除直播课之外，对于实验中的关键环节，课程组还制作了其他课程资源供学生探索，如气相色谱实验拍摄制作了微课视频(图 5)，制作了“气相色谱相性50问”(图 6)供大家讨论。

秋季学期学生返校后，学生到实验室补做了真实实验。由于课时的限制，教务处要求所有学生实验必须要在四周内完成。课程组采取每个下午开设两组实验课，以小循环的方式开展实验。由于学生经过在线教学，对实验流程有了一定的了解，线下实验在要求学生提前预习的基础上，进入实验室后即可省略讲解过程，立刻开始实验，节省实验时间。

真实实验和虚拟实验内容有所不同，对于气相色谱实验，虚拟实验开设的是“外标法测定饮料中香兰素含量”的实验项目，侧重标准曲线法的掌握；而真实实验开设的是“内标法测定蘑菇醇的含量”项目，侧重认真细致的实验习惯的培养，对内标法和外标法(图 7)优缺点的认识，以及误差的分析。所有样品要求学生进入实验室自己配制，每个实验全部完成大约需要两个课时的时间。由于真实实验只要求补交实验参数、实验数据记录和数据处理结果，大部分同学能够在实验现场完成。

本实验有着清晰的评价标准，通过色谱保留时间的重复性，可以衡量学生进样手法是否规范；通过标准曲线的线性，可以衡量学生溶液配制过程是否规范；通过外标曲线的线性还可以衡量学生每次取样是否准确和进样操作是否规范；通过学生的计算结果，可以衡量学生是否真正掌握内标法的原理及计算过程。

在本次实验过程中，绝大部分学生做出的内标标准曲线线性拟合度达到本实验的最低要求(R² > 0.999) (图 8)，说明绝大多数学生对内标法掌握较好，标准溶液配制过程规范认真。而同一组溶液做出的外标标准曲线线性较差，由于本实验为两人一组，通常是两人轮流进样，说明学生之间的取样量重复性较差，且进样技术有待加强。大部分学生测出的未知样浓度在误差范围内，少数偏差比较大的情况来自于计算错误，或是对于溶液稀释过程没有清晰的理解等等。

通过本次虚实结合的气相色谱实验，学生对于上学期所学的仪器知识有了进一步巩固，对于气相色谱的测试过程有了充分的了解，对于内标法与外标法的优缺点更是留下了深刻的印象。本次实验由于时间的限制，偏重于定量分析，但是在虚拟实验中，我们设计了多组不同参数的平行实验，有部分学生尝试并总结出了仪器参数(柱温、流速)的改变对于实验结果的影响。本次实验的时间跨度比较长(3–10月)，对于教师和学生的要求比较高，但总的来说，通过虚实结合的实验模式，我们达到甚至超出了实验课的培养目标。

现代科技极大地丰富了教学资源，包括各种图片、视频、动画、微课、虚拟资源等等。在此背景下，作者认为对于仪器分析实验课程而言，教学的目标已经不仅仅限于训练学生操作仪器的技能，而且要更进一步，培养他们解决问题的思路，如：1) 针对某一测试目标，如何选择合适的仪器以及实验方案来完成测试任务；2) 针对某一种仪器，清楚它的应用范围，如何进行测试以及如何优化实验方案；3) 针对实验过程中可能出现的问题，应如何分析、采取什么方法去应对，以减少结果的误差；4) 实验习惯与实验意识的培养，如实验中认真细致的习惯及实验室安全意识等等。

要完成以上培养目标，需要教师在教学过程中循循善诱，让学生“知其然且知其所以然”，通过设置系列问题，如：“气相色谱柱为什么要设计成毛细管柱？这样做有什么好处？既然有好处，为什么液相色谱柱不用毛细管柱？”“如果峰分不开怎么办？如果还是分不开怎么办？如果依然分不开怎么办？”“哪一环节会产生误差？如何减小误差？”等，转变原来手把手教的教学方式，引导学生思考，充分发挥学生的主动性，使用“以学生为中心，以学生自主探索为主”的思路来开设实验课。

在疫情发生之前，仪器分析实验教学平台已经开始尝试利用“智慧课堂”教学模式推进线上线下相结合的实验课程建设。利用已有的虚拟仿真软件，对原有的实验内容进行重新编排与设计，将实验课上需要教师讲解的内容制作成微课供学生学习，提前通过虚拟仿真实验让学生了解实验过程，教师不再手把手教学，而是让学生自主了解实验要用到的知识，自主完成实验(图 9)，实验成绩方面也建立更为全面的评价体系，不以实验结果作为单一的评价标准。

智慧课堂的实施，使仪器分析实验由原有的以教师讲授为主、学生为辅的教学模式，转变为以学生为中心的教学模式，大大提高了学生的学习自主性，也提升了他们分析解决问题的能力。

用“以学生为中心，以学生自主探索为主”的思路开设实验课，意味着对于原有课程的延伸和拓展。要完成这一目标，对教师和学生都提出了挑战。对于教师而言，首先要对原有的实验进行重新编排，设计开放式的实验路线；需要制作大量课程素材；要在整个线上线下课程期间积极与学生进行互动；要完善原有评价方案，从多方面对学生进行综合评价。对于学生而言，除实验课以外，也要花大量的时间完成各种测试、微课的学习，以及虚拟实验、调研、讨论等工作。

由于疫情期间学生时间相对比较充裕，所以本次在线实验课程效果较好。通过实验报告和测试可以看出，学生巩固了上学期所学的理论知识；对于实验的流程、思路和计算方法都有非常清晰的认识。虚拟实验还实现了一些真实实验在规定时间内较难完成的任务，如：仪器参数的改变对实验结果的影响，具有一定的优势。

线上实验能在一定程度上加深学生对仪器的理解，使学生在走进实验室之前就清楚实验的基本操作流程，有助于让学生在真实实验中更关注如何解决实际问题，可以作为真实实验一种很好的补充，以及在无法开展真实实验的情况下作为一种很好的替代。但是作者认为，线上实验依然无法取代真实实验。

在本次实验结束之后，我们对所有学生的实验数据做了统计，并探讨了“如何正确对待科研工作中的挫败感”这个话题。可以看出，即使我们在实验中使用的仪器、移液枪、进样针、样品都非常可靠，实验方案也非常合理，仍然避免不了实验中的各个细节出现各种问题，导致结果有一定误差。以气相色谱实验为例，在溶液配制和进样过程中，学生总会产生操作误差，这是虚拟实验中无法体验的。因此，依照教学安排，学生最后依然需要回到实验室完成真实实验。

在仪器技术飞速发展的今天，仪器操作水平在学生科研能力的培养中也至关重要。在“互联网+”的背景下，学生更加容易获取想学的知识，包括网上的各种资料、仪器公司的各种培训课程等等，这些对于我们的仪器分析实验教学提出了挑战。因此，实验教师也应与时俱进，积极学习利用各种教育工具，对实验内容和实验方法进行调整，以更好地完成课程培养目标。

本次疫情期间的线上教学是一次尝试，也是一个挑战。我们非常高兴地看到，学生对于这种新的教学方式接纳度很高，普遍认为仪器分析实验很有趣，并且期待走进实验室完成下一阶段的真实实验。实践证明，虚拟实验可以作为真实实验的补充，也可作为在没有条件开展真实实验时的一种良好的替代方式。以中国科学技术大学化学实验教学中心为主体的化学虚拟仿真实验教学中心作为国家级虚拟仿真实验教学中心，所建设的大型仪器虚拟仿真实验资源已免费向社会开放，我们欢迎大家的使用，也很期待与同行们共同探讨智慧教学的明天。