“課堂、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真”三維一體化儀器分析教學(xué)模式在食品專業(yè)的創(chuàng)新與實(shí)踐

董亮 紀(jì)超凡 林心萍 梁會朋 張素芳

摘 要：儀器分析課程是我校乃至全國各高校食品科學(xué)工程和質(zhì)量安全專業(yè)一門基礎(chǔ)專業(yè)課程。該課程通過基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握不同分析儀器抽象的理論。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課程基于理論教學(xué)內(nèi)容，通過實(shí)踐對基礎(chǔ)理論加深認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。本文擬創(chuàng)建一種“課堂實(shí)訓(xùn)+網(wǎng)絡(luò)多媒體+虛擬仿真”三維一體課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分整合本校現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，結(jié)合實(shí)際操作講解，達(dá)到提高儀器分析教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：儀器分析；教學(xué)模式；三維一體

Innovation and Practice of "Classroom，Network，Virtual Simulation"

Threedimensional Integrated Instrument Analysis

Teaching Mode in Food Specialty

Dong Liang Ji Chaofan Lin Xinping Liang Huipeng Zhang Sufang

National Engineering Research Center of Seafood，School of Food Science and Technology，

Dalian Polytechnic University LiaoningDalian 116034

Abstract：The instrumental analysis course is a basic professional course for food science engineering and quality and safety majors in our school and even in colleges and universities across the country.This course enables students to understand and master the abstract theories of different analytical instruments through the study of basic theoretical knowledge.At the same time，the experimental courses are based on the theoretical teaching content，deepen the understanding of basic theories through practice，and cultivate students' creativity.This paper intends to create a threedimensional integrated course teaching and experimental teaching system of "classroom training+network multimedia +virtual simulation"，fully integrating the existing network platform and virtual simulation experiment platform of the school，combined with the actual operation explanation，to improve the teaching quality of instrument analysis purpose.

Keywords：instrument analysis；teaching mode；threedimensional integration

儀器分析在食品、化工、材料和醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究中起著極為重要的作用，是人類認(rèn)識世界的“眼睛”和基礎(chǔ)，是對物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和鑒定最主要的分析方法。儀器分析包括理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分，是我校乃至全國各高校食品科學(xué)工程和質(zhì)量安全專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程。通過該課程基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解和掌握不同分析儀器抽象的理論。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課程基于理論教學(xué)內(nèi)容，通過實(shí)踐對基礎(chǔ)理論加深認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競爭力。

1 儀器分析課程簡介及現(xiàn)狀

儀器分析作為化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，是一門要求綜合能力很強(qiáng)的應(yīng)用型課程，它具有很強(qiáng)的理論性，又需要大量實(shí)驗(yàn)作為支撐，對培養(yǎng)和儲備學(xué)生的科研能力具有重要的意義。目前，國內(nèi)高校此門課程的設(shè)置主要包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，然而，現(xiàn)有的教學(xué)方式存在種種弊端，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想，其主要體現(xiàn)在現(xiàn)有單一的理論教學(xué)手段不能滿足課程知識面覆蓋廣的要求以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到設(shè)備、場地、時(shí)間和空間的限制，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重脫鉤。此外，如何同時(shí)滿足理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求更是當(dāng)前儀器分析課程教學(xué)改革的重點(diǎn)?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)多媒體及虛擬仿真技術(shù)利用豐富的聲音、運(yùn)動的圖像以及多彩的文字，直觀、生動地展現(xiàn)不同儀器分析的基本原理和實(shí)驗(yàn)流程，可激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。同時(shí)，也可幫助教師更加方便及時(shí)地了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，從而更有針對性地進(jìn)行指導(dǎo)。因此，網(wǎng)絡(luò)和虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。本課題旨在利用我校所購買的泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺及我校2017年引進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，創(chuàng)建一種“課堂實(shí)訓(xùn)+網(wǎng)絡(luò)多媒體+虛擬仿真”三維一體課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，該模式的探索有望提高學(xué)生對基礎(chǔ)理論的熟悉和實(shí)踐程度，為造就創(chuàng)新性人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)階段儀器分析教學(xué)中存在的主要問題

現(xiàn)階段儀器分析理論教學(xué)和實(shí)踐中面臨著諸多的問題，現(xiàn)總結(jié)如下：

2.1 理論教學(xué)手段單一導(dǎo)致教學(xué)效果低下

傳統(tǒng)的儀器分析教學(xué)的重點(diǎn)主要放在分量較重的儀器構(gòu)造、工作原理、公式推導(dǎo)和數(shù)據(jù)計(jì)算等過程中。這種教學(xué)方式最突出的問題就是知識的學(xué)習(xí)很大程度上依賴于枯燥無味的教材，學(xué)生接受知識的途徑少而效率低，因此普遍表現(xiàn)為教師“死灌”、學(xué)生“死學(xué)”。其次，教學(xué)的課堂氣氛也比較死板，常常是教師一人“獨(dú)唱”，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和積極性大大降低。

2.2 儀器設(shè)備數(shù)量無法滿足要求

近年來，我國高校的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，雖然實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模也在擴(kuò)大，但現(xiàn)代儀器設(shè)備人均臺數(shù)仍顯不足。由于受到經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)室場地、儀器數(shù)量限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般需要進(jìn)行分組教學(xué)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的人數(shù)較多，學(xué)生動手的機(jī)會少，大部分學(xué)生只能觀摩，綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)沒有條件實(shí)施，極大地制約了學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3 高危險(xiǎn)長時(shí)程的實(shí)驗(yàn)無法開出

一些有毒有害的實(shí)驗(yàn)如病毒、放射性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)等危險(xiǎn)程度高，因擔(dān)心學(xué)生獨(dú)立操作對健康與安全有較大影響，所以需要專業(yè)的老師指導(dǎo)才能完成，因此開設(shè)面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。此外，一些生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)周期長、操作難度大、實(shí)驗(yàn)成本高，由于受學(xué)時(shí)的限制，短期內(nèi)無法完成，學(xué)生很難理解這樣的實(shí)驗(yàn)過程，限制了教學(xué)效果。

2.4 儀器更新慢致實(shí)驗(yàn)和理論脫節(jié)

現(xiàn)代科技發(fā)展迅猛，新型儀器不斷推出，但由于缺少場地、經(jīng)費(fèi)等原因，高校中普遍存在大型儀器更新慢、少數(shù)先進(jìn)儀器無法購買、教學(xué)中只能開出部分或無法開出新儀器實(shí)驗(yàn)課的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)脫節(jié)。

2.5 現(xiàn)代儀器設(shè)備不適合廣泛開放

現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)課程使用的大都是價(jià)格昂貴的大型精密儀器設(shè)備，使用和維護(hù)成本較高，對使用者操作技術(shù)的要求很高，對配套設(shè)施、運(yùn)行環(huán)境要求嚴(yán)格，需要細(xì)心操作，定期進(jìn)行檢測、調(diào)試、清潔、保養(yǎng)。如果廣泛開放使用，難以保證大型精密儀器的安全使用，并可能對儀器的靈敏度、精密度、穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響。

3 “課堂、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真”三維一體化教學(xué)模式的構(gòu)建

針對上述儀器分析教學(xué)中的各種問題，如何同時(shí)滿足理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新形勢下的要求是當(dāng)前儀器分析課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。近年來，依托于計(jì)算機(jī)的多媒體網(wǎng)絡(luò)平臺及虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的方法和平臺，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢。首先，聲音和影像疊加的動態(tài)系統(tǒng)能將抽象的理論教學(xué)內(nèi)容直觀化、生動化，可有效地吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，有利于學(xué)生對所學(xué)知識的快速掌握和深刻記憶；其次，多媒體網(wǎng)絡(luò)及虛擬仿真技術(shù)可突破理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間與空間上的局限，充分延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，展現(xiàn)在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程；再次，多媒體網(wǎng)絡(luò)及虛擬仿真技術(shù)具有互動性和可重復(fù)性，能夠更加靈活和具體地動態(tài)演示實(shí)驗(yàn)流程，可以幫助學(xué)生提前預(yù)習(xí)課堂教學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)可以幫助教師更好、更有效地進(jìn)行課堂指導(dǎo)，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的缺憾。鑒于此，本文旨在創(chuàng)建一種“課堂+網(wǎng)絡(luò)多媒體+虛擬仿真”三維一體化儀器分析理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。通過課堂講授、泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)際操作演練三者結(jié)合，探索出一種“網(wǎng)絡(luò)多媒體+虛擬仿真”課前預(yù)習(xí)、“網(wǎng)絡(luò)多媒體+課堂授課”理論教學(xué)、“虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新型教學(xué)方法，提高學(xué)生對知識的掌握程度，為具有創(chuàng)新型、綜合型素質(zhì)學(xué)生的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。具體思路如下（見下圖）：

構(gòu)建思路圖

3.1 基于泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬仿真平臺，構(gòu)建課前理論知識的預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)新維度

通過學(xué)校泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬仿真平臺，制作并上傳關(guān)于儀器分析基本理論原理、相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作等視頻，以便學(xué)生在課前通過視頻對所要進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)。

3.2 基于課程授課和泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)建線上、線下理論教學(xué)模式新維度

探討采用單一的課堂授課，或單一網(wǎng)絡(luò)授課，或者二者結(jié)合的方式教學(xué)效果的影響，建立不同理論教學(xué)模式教學(xué)效果的評價(jià)體系。利用網(wǎng)絡(luò)平臺的管理功能，對學(xué)生的預(yù)習(xí)效果進(jìn)行評定，根據(jù)完成情況和效果進(jìn)行打分，納入平時(shí)成績，提高學(xué)生預(yù)習(xí)效率。

3.3 基于虛擬仿真平臺，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式新維度

補(bǔ)充和完善現(xiàn)有的虛擬仿真平臺，學(xué)生可以通過瀏覽平臺發(fā)布的實(shí)驗(yàn)操作視頻，以及利用虛擬仿真平臺操作其他綜合性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)案例，達(dá)到對自身技能的提高，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 “課堂、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真”三維一體化教學(xué)模式的實(shí)踐

依據(jù)上述構(gòu)建思路并結(jié)合我校網(wǎng)絡(luò)資源，在我校食品相關(guān)專業(yè)進(jìn)行新教學(xué)模式的實(shí)踐。理論教學(xué)部分一方面通過網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬仿真平臺讓學(xué)生在課前通過視頻對所要進(jìn)行理論進(jìn)行預(yù)習(xí)，另一方面通過課堂講授和泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺，單獨(dú)線下或線上或者線上和線下相結(jié)合的方式，探討不同授課方式的教學(xué)效果并建立相應(yīng)的評價(jià)體系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分學(xué)生可以通過瀏覽虛擬仿真平臺發(fā)布的實(shí)驗(yàn)操作視頻完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的學(xué)習(xí)。同時(shí)，定期在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布拓展知識，并開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課，以促進(jìn)學(xué)生知識創(chuàng)新綜合能力。

具體研究實(shí)施過程包括以下步驟：

（1）在網(wǎng)絡(luò)課程平臺及時(shí)補(bǔ)充課堂上難以展現(xiàn)的儀器分析基本理論知識，給出系統(tǒng)完善的儀器分析課程知識體系；展現(xiàn)食品生產(chǎn)分析檢驗(yàn)所要使用到的儀器的種類、結(jié)構(gòu)、原理和一般操作過程。同時(shí)，完善網(wǎng)絡(luò)平臺的管理功能，對學(xué)生對預(yù)習(xí)效果進(jìn)行評定，根據(jù)完成情況和效果進(jìn)行打分，納入平時(shí)成績，提高學(xué)生預(yù)習(xí)效率。

（2）通過完善實(shí)驗(yàn)仿真平臺不同儀器操作流程，視頻演示不同儀器的原理和精準(zhǔn)操作過程，使抽象的知識具體化，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更有效；通過視頻展示食品生產(chǎn)分析檢測過程中不同儀器的操作過程，更直觀地說明不同儀器的生產(chǎn)應(yīng)用，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程像看動畫或做游戲的方式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，提高學(xué)習(xí)興趣和效率。同時(shí)，構(gòu)建平臺的實(shí)驗(yàn)評分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善仿真平臺的管理功能。

（3）通過網(wǎng)絡(luò)課程平臺的互動交流模塊，實(shí)現(xiàn)師生快速有效問答交流，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的快速有效評估。

本研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于利用課堂授課、網(wǎng)絡(luò)資源平臺、虛擬仿真平臺實(shí)驗(yàn)操作三者有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)建一種“課堂+網(wǎng)絡(luò)+虛擬仿真”三維一體的儀器分析教學(xué)模式，使學(xué)生在理論課上課前實(shí)現(xiàn)充分預(yù)習(xí)，課上有目的性地尋求老師指導(dǎo)，課后自由安排時(shí)間拓展創(chuàng)新性、綜合性的相關(guān)知識；實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)以像看動畫或做游戲的方式完成，寓教于樂，全方位激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動性。通過對以上教學(xué)模式的實(shí)踐，有效地提高了儀器分析課程在我校食品專業(yè)的教學(xué)效果，從學(xué)生的反饋效果來看，有效地激發(fā)了大多數(shù)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣。同時(shí)，有效地解決了目前教學(xué)中的困難，保證了正常教學(xué)的進(jìn)行。

結(jié)語

本研究創(chuàng)建了一種適合食品相關(guān)專業(yè)的“課堂+網(wǎng)絡(luò)+虛擬仿真”三維一體化模式下儀器分析教學(xué)體系。課前，教師通過泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布相關(guān)儀器原理、實(shí)驗(yàn)操作等視頻，學(xué)生通過視頻和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺對所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和演練，通過圖文、聲影、動手，全面調(diào)動學(xué)生積極性，加深知識理解；課上，教師采用現(xiàn)場教學(xué)法，針對學(xué)生提出的重點(diǎn)問題和關(guān)鍵步驟進(jìn)行講解和演示，可節(jié)約大量寶貴的課時(shí)，針對性更強(qiáng)地解決學(xué)生的疑問，同時(shí)還可充分調(diào)動學(xué)生的積極性；課后，教師可通過發(fā)布拓展延伸的實(shí)驗(yàn)操作視頻，學(xué)生可通過虛擬仿真平臺復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)或操作其他綜合性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)案例，以提高自身的技能，探索出一套新的教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，提高授課效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，為造就創(chuàng)新性人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：本文為2021年度“紡織之光”中國紡織工業(yè)聯(lián)合會高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目《“課堂、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真”三維一體化儀器分析教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐》（2021BKJGLX298）的研究成果

作者簡介：董亮（1981— ），男，遼寧沈陽人，博士，副教授，研究方向：食品風(fēng)味化學(xué)。