基于课堂虚拟实验室的《仪器分析》课程立体化教学模式研究

【摘要】针对目前仪器分析课程存在的问题，在充分调查学生对课程现状的意见与建议后，应用CAI、网络资源等多种现代教育技术构建课堂虚拟实验室，将理论知识和实验操作有机结合，形成《仪器分析》课程立体化教学模式，实现教学过程中真正的互动及各种教学资源的有效利用。

【关键词】虚拟实验室;立体化;教学模式

根据2010年《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的精神，以就业能力为导向，强调知识与技能并重，优化现有教学体系，创新实践育人模式成为了目前高校教育教学的重点。

《仪器分析》在高校教学设置中是一门具有实践性的重要基础和专业课程，在教学中需既重视理论知识的传授，更重视实践操作的培养。传统的《仪器分析》课程教学模式以教师为中心，教学方法和手段单一，无法调动学生的积极性和主动性，不利于学生能力的培养和素质的提高。同时，由于经费和实验空间的限制，大型精密仪器的购买和使用成为了高校实验室建设的“短板”，因此，引入现代化的教学手段，整合教学资源，优化该课程的教学模式迫在眉睫。

虚拟实验室的开发成为了高校仪器分析课程教学改革的方向之一。国内外多所大学如霍普金斯大学、上海交通大学、大连理工大学等都已对虚拟实验室建设进行了研究，并建设了一些适合于药学、化学专业的虚拟实验室[1]。但基于课堂虚拟实验室的《仪器分析》课程立体化教学模式研究尚未被提出，这值得我们深入研究和探讨。

1.核心概念的界定

1.1 虚拟实验室

虚拟实验室亦称为合作实验室，最早由美国弗吉尼亚大学的Willian Wolf教授于1989年提出的，最初是为了方便不同实验室的科研人员远程协作或共享数据[2]。

虚拟实验室的本质是借助于图形图像、仿真和虚拟现实操作流程等，在计算机上所营造的可辅助或部分代替传统实验各个操作环节的虚拟实验教学系统，是现有教学实验室的数字化和虚拟化，是可为学生提供高仿真模拟度的、全程参与的操作平台。

1.2 立体化教学模式

立体化教学模式是一种以课程为单元，以能力培养为轴心，以教学资源为平台，动用所有教学元素的立体化、全方位的教学体系[3]。其中，教学资源立体化是指教学过程中纸质和数字化教学资源相结合;教学方式立体化是指采用启发式、讨论式、互动式、类比式等多方式完成教学过程;教学手段立体化是指在传统课堂授课的基础上，融合CAI（Computer Assisted Instruction，计算机辅助教学）技术、课堂虚拟实验室、网络资源等现代教育技术，多种手段相辅相成，最终形成教、学一体的格局。

2.课程虚拟实验室的构建

目前我们自行开发软件，构建“原子吸收”、“红外光谱”课堂虚拟实验室。该虚拟实验室的构建包括以下板块：仪器组成与构造展示板块、仪器原理介绍板块、实验操作与模拟分析板块，并在此基础上探讨建立《仪器分析》课程立体化教学模式。

2.1 仪器组成与构造展示板块

“原子吸收”虚拟实验室包含锐线光源、原子化系统（火焰、石墨炉）、分光系统、检测系统等四大部分。“红外光谱”虚拟实验室展示傅里叶变换型红外光谱，包括光源、迈克尔逊干涉仪、吸收池、分光系统、检测系统等五大部分。当鼠标移动到相应系统时将每部分放大展示，并显示文字说明，以便让学生更好的了解仪器组成与结构。

2.2 仪器原理介绍板块

此板块主要介绍原子吸收光谱法和红外光谱法。原子吸收光谱法主要介绍朗伯比尔定律、共振吸收线、峰值吸收法等基本理论，红外光谱法主要介绍分子振动方式和红外光谱产生的基本条件。主要是帮助学生强化记忆，促进实验操作的完成。

操作者通过鼠标完成虚拟仪器中光路的动态演示，可以直观了解实验原理。同时，软件中集成“原子吸收”、“红外光谱”操作的演示视频，能够让学生对不清楚的操作进行自学。

2.3 实验操作与模拟分析

“原子吸收”虚拟实验室中包括“火焰原子吸收光谱法测定水中的含钙量”的模拟实验分析过程。“红外光谱”虚拟实验室包括“未知试样（C8H10）的定性分析”、“未知试样（C7H9N）的定性分析”两个模拟实验分析过程。该板块为验证性实验，学生通过计算机操作，模拟实验过程，完成定性或定量分析，进一步理解仪器工作原理。

在完成实验操作中，关键操作步骤设有陷阱，只有当学生严格按照操作规程完成，该实验评分才为满分，否则，软件会自动减分，并在实验结束告之操作不当的步骤。如此，学生可以反复练习，直至最终掌握仪器的使用流程。

同时，在“原子吸收”虚拟实验室中存入常见元素如镁、钙、锌、铜、铅等分析线数据，“红外光谱”虚拟实验室中存入常见有机物的红外吸收光谱图，学生自主选择实验项目，完成分析测定，为开展综合性、设计性实验奠定基础。

3.《仪器分析》课程立体化教学模式的探索与实践

3.1 《仪器分析》课程的特点及传统教学模式存在的主要弊端

《仪器分析》课程是我校环境工程、化学工程与工艺及无机非金属材料工程专业开设的一门重要专业基础课程。课程主要内容是利用现代分析仪器，根据物质的物理和物理化学性质进行定性、半定量和定量分析，主要包括光学分析法、色谱分析法和电化学分析法。

在《仪器分析》课程的传统教学中，通常采用“传授—强化—记忆”的教学模式进行，并且理论教学与实验教学是在不同时间、空间独立进行的。该模式中，教师占主导地位，教学内容是单向信息传输[4]，能使学生在短时间内接受大量的信息。但传统模式中教学形式单一、理论与实验教学不同步[5]、实验仪器不足、实验教学以示教为主、学生动手机会少，导致学生无法有效掌握专业技术知识，严重影响了该课程的教学效果，不利于培养学生的创新思维和解决实际问题的能力，并在一定程度上影响教学质量的提高和人才的培养。

3.2 《仪器分析》课程立体化教学模式的调查

Tyler（1949）曾指出：学生的“需要”与“兴趣”是教育目标的主要来源之一[6]。因此，以学生需求为导向，满足学生求知，提高授课效果，优化教学模式是非常重要的。我们设计了“《仪器分析》课程教学现状问卷调查表”，在充分了解学生对课程现状的意见与建议后，确定立体化教学模式的构建。

3.3 《仪器分析》课程立体化教学模式的构建

在课堂教学模式的研究中，基于本专业培养计划和该课程教学大纲，将板书、CAI技术，实验视频、课堂虚拟实验室等教学手段相结合。利用板书提高教师即兴讲解的阐述效果;利用CAI技术和实验视频提高视听效果，增加课堂信息量;利用课堂虚拟实验室演示仪器装置、原理及使用方法，与学生互动，使理论和实践操作的学习同步，促进专业知识的掌握。同时采用启发式、讨论式、互动式、类比式等立体化教学方式，引导学生发现问题、解决问题，进而理解相关的原理和概念。

在课内实验教学模式的研究中，将传统实验与课堂虚拟实验室有机结合，发挥各自优势，提高学生自主学习的能力。主要体现在以下几方面：①预习实验。为解决传统实验预习停留在对单纯文字的理解这一问题，要求学生在预习时，自主观看并运行虚拟实验室，使其明确实验目的、理解仪器工作原理。②虚拟实验与现场实验同步。借助虚拟实验室，先对学生进行示教实验，如看完原子吸收实验教学软件，即刻将学生带入实验场地，对实物进行观摩学习。这时教师重点介绍仪器的工作原理，再进行仪器基本操作，加深感性认知。③实验和规范操作同步。教师完成示教后，以虚拟仪器代替传统实验仪器，可安排学生直接在计算机上完成实验操作，不熟悉的部分还可反复运行，规范并强化实验操作。

在实训教学模式的研究中，保留具有代表性的验证性实验项目，再利用虚拟实验室的优越性，教师给学生划定题目范围或鼓励学生根据热门话题自拟实验项目，按照真实仪器正常运

行的过程进行探索性仿真操作，逐步开展综合性、设计性实验。在这个过程中，使学生经历完整的科研实践体验：查阅文献-确定选题-设计实验-操作实验-处理数据-完成报告，培养学生独立思考、自主学习和创新思维的能力，为今后走向工作岗位打下良好的基础。

4.结论

虚拟实验室在仪器分析课程立体化教学模式中的应用是一个全新的课题，实践也表明，这种方式大大激发了学生的学习兴趣，提高了课程的教学质量，但虚拟实验室作为一种新型的教学手段，仍处于探索阶段，尚有一些不足之处需要完善。

立体化教学模式的建立，是对现有教学观念的突破，打破了理论课、实验课、实训课的界限，将理论教学和实验操作教学融为一体，在实践中教理论，在运用中学技术，实现教学过程中真正的互动及各种教学资源的有效利用。

参考文献：

[1]邓碧如.辅助教学的虚拟仪器分析实验平台建设探讨[J].职业教育研究，2012（7）：172-173

[2]李育，赵靖霞，杨根金等.探讨分析仪器虚拟实验室的设计[J].中国医药科学，2012，2（23）：163-164

[3]唐文武，王汉青，王志勇等.立体化教学模式的构建与实践——以创新能力培养为视角[J]湖南工业大学学报（社会科学版），2011，16（4）：105-107

[4]王大红.高职“一体化”教学模式的探索与实践——以《仪器分析》课程为例[J].武汉职业技术学院学报，2011，10（6）：72-76

[5]郝玉翠，艾智，孟丽军.分析化学实验教学改革与实践[J].大学化学，2012，，27（4）：20-22

[6]徐胜臻，曹敏惠，陈长水等.构建农林院校有机化学实验立体化课程体系的研究[J].实验室科学，2013，16（6）：63-65

唐山学院教育科学研究基金项目：编号JG1402

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虚拟实验室亦称为合作实验室，最早由美国弗吉尼亚大学的Willian Wolf教授于1989年提出的，最初是为了方便不同实验室的科研人员远程协作或共享数据[2]。

虚拟实验室的本质是借助于图形图像、仿真和虚拟现实操作流程等，在计算机上所营造的可辅助或部分代替传统实验各个操作环节的虚拟实验教学系统，是现有教学实验室的数字化和虚拟化，是可为学生提供高仿真模拟度的、全程参与的操作平台。

1.2 立体化教学模式

立体化教学模式是一种以课程为单元，以能力培养为轴心，以教学资源为平台，动用所有教学元素的立体化、全方位的教学体系[3]。其中，教学资源立体化是指教学过程中纸质和数字化教学资源相结合;教学方式立体化是指采用启发式、讨论式、互动式、类比式等多方式完成教学过程;教学手段立体化是指在传统课堂授课的基础上，融合CAI（Computer Assisted Instruction，计算机辅助教学）技术、课堂虚拟实验室、网络资源等现代教育技术，多种手段相辅相成，最终形成教、学一体的格局。

2.课程虚拟实验室的构建

目前我们自行开发软件，构建“原子吸收”、“红外光谱”课堂虚拟实验室。该虚拟实验室的构建包括以下板块：仪器组成与构造展示板块、仪器原理介绍板块、实验操作与模拟分析板块，并在此基础上探讨建立《仪器分析》课程立体化教学模式。

2.1 仪器组成与构造展示板块

“原子吸收”虚拟实验室包含锐线光源、原子化系统（火焰、石墨炉）、分光系统、检测系统等四大部分。“红外光谱”虚拟实验室展示傅里叶变换型红外光谱，包括光源、迈克尔逊干涉仪、吸收池、分光系统、检测系统等五大部分。当鼠标移动到相应系统时将每部分放大展示，并显示文字说明，以便让学生更好的了解仪器组成与结构。

2.2 仪器原理介绍板块

此板块主要介绍原子吸收光谱法和红外光谱法。原子吸收光谱法主要介绍朗伯比尔定律、共振吸收线、峰值吸收法等基本理论，红外光谱法主要介绍分子振动方式和红外光谱产生的基本条件。主要是帮助学生强化记忆，促进实验操作的完成。

操作者通过鼠标完成虚拟仪器中光路的动态演示，可以直观了解实验原理。同时，软件中集成“原子吸收”、“红外光谱”操作的演示视频，能够让学生对不清楚的操作进行自学。

2.3 实验操作与模拟分析

“原子吸收”虚拟实验室中包括“火焰原子吸收光谱法测定水中的含钙量”的模拟实验分析过程。“红外光谱”虚拟实验室包括“未知试样（C8H10）的定性分析”、“未知试样（C7H9N）的定性分析”两个模拟实验分析过程。该板块为验证性实验，学生通过计算机操作，模拟实验过程，完成定性或定量分析，进一步理解仪器工作原理。

在完成实验操作中，关键操作步骤设有陷阱，只有当学生严格按照操作规程完成，该实验评分才为满分，否则，软件会自动减分，并在实验结束告之操作不当的步骤。如此，学生可以反复练习，直至最终掌握仪器的使用流程。

同时，在“原子吸收”虚拟实验室中存入常见元素如镁、钙、锌、铜、铅等分析线数据，“红外光谱”虚拟实验室中存入常见有机物的红外吸收光谱图，学生自主选择实验项目，完成分析测定，为开展综合性、设计性实验奠定基础。

3.《仪器分析》课程立体化教学模式的探索与实践

3.1 《仪器分析》课程的特点及传统教学模式存在的主要弊端

《仪器分析》课程是我校环境工程、化学工程与工艺及无机非金属材料工程专业开设的一门重要专业基础课程。课程主要内容是利用现代分析仪器，根据物质的物理和物理化学性质进行定性、半定量和定量分析，主要包括光学分析法、色谱分析法和电化学分析法。

在《仪器分析》课程的传统教学中，通常采用“传授—强化—记忆”的教学模式进行，并且理论教学与实验教学是在不同时间、空间独立进行的。该模式中，教师占主导地位，教学内容是单向信息传输[4]，能使学生在短时间内接受大量的信息。但传统模式中教学形式单一、理论与实验教学不同步[5]、实验仪器不足、实验教学以示教为主、学生动手机会少，导致学生无法有效掌握专业技术知识，严重影响了该课程的教学效果，不利于培养学生的创新思维和解决实际问题的能力，并在一定程度上影响教学质量的提高和人才的培养。

3.2 《仪器分析》课程立体化教学模式的调查

Tyler（1949）曾指出：学生的“需要”与“兴趣”是教育目标的主要来源之一[6]。因此，以学生需求为导向，满足学生求知，提高授课效果，优化教学模式是非常重要的。我们设计了“《仪器分析》课程教学现状问卷调查表”，在充分了解学生对课程现状的意见与建议后，确定立体化教学模式的构建。

3.3 《仪器分析》课程立体化教学模式的构建

在课堂教学模式的研究中，基于本专业培养计划和该课程教学大纲，将板书、CAI技术，实验视频、课堂虚拟实验室等教学手段相结合。利用板书提高教师即兴讲解的阐述效果;利用CAI技术和实验视频提高视听效果，增加课堂信息量;利用课堂虚拟实验室演示仪器装置、原理及使用方法，与学生互动，使理论和实践操作的学习同步，促进专业知识的掌握。同时采用启发式、讨论式、互动式、类比式等立体化教学方式，引导学生发现问题、解决问题，进而理解相关的原理和概念。

在课内实验教学模式的研究中，将传统实验与课堂虚拟实验室有机结合，发挥各自优势，提高学生自主学习的能力。主要体现在以下几方面：①预习实验。为解决传统实验预习停留在对单纯文字的理解这一问题，要求学生在预习时，自主观看并运行虚拟实验室，使其明确实验目的、理解仪器工作原理。②虚拟实验与现场实验同步。借助虚拟实验室，先对学生进行示教实验，如看完原子吸收实验教学软件，即刻将学生带入实验场地，对实物进行观摩学习。这时教师重点介绍仪器的工作原理，再进行仪器基本操作，加深感性认知。③实验和规范操作同步。教师完成示教后，以虚拟仪器代替传统实验仪器，可安排学生直接在计算机上完成实验操作，不熟悉的部分还可反复运行，规范并强化实验操作。

在实训教学模式的研究中，保留具有代表性的验证性实验项目，再利用虚拟实验室的优越性，教师给学生划定题目范围或鼓励学生根据热门话题自拟实验项目，按照真实仪器正常运

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