大型仪器分析实验受场地、数量、价格等限制,在高校中顺畅开展高质量教学不易。但由于大型分析仪器集化学原理、前沿测量技术、计算机自动化于一身,是材料、化学、药物、生物、环境等学科的重要检测验证手段,所以广受重视。为提高学生的实践、科研创新能力,近20年来,为适应社会发展的需要,我国很多高校进行了大量的投资,购进了大量的大型分析检测仪器。虽然硬件跟上国际步伐,但相应的管理制度、教学模式没有完全跟上。常见的现象是,很多先进仪器购进高校后,在实验教学中的作用只是用来给学生作演示,学生操作很少,而且除了实验教学课外,学生几乎再难接触仪器。由于仪器少,学生多,空间狭小,上课时往往只有前排学生看清教师的具体操作过程,导致大型仪器实验变成了一个走马观花的过程,学生很难掌握仪器的详细操作,更别提熟练应用及创新。

美籍科学家倪军接受“实验室研究与探索”杂志的采访,在谈论中美教育的差异时谈到[1],中美一流大学的生源素质差异不大,但本科4年后,两者的差距就被拉大了,这种差距主要表现在,我国毕业生动手能力、创新能力较差,欠缺解决问题的实际能力。但这种能力又很难仅通过课堂教学获得,需要通过加强实验教学来补充。

我国高校在近20年的教学改革中非常强调创新能力的培养[2-4],基于信息化手段改进教学法[5]、建设电子教学资源是很多教育工作者采取的主要策略[6-8]。欧美高校在创新型人才的培养策略上都特别重视实验技能的培养[9],在我国高等教育深化改革、提升学生创新能力的实施过程中,理工各学科都在强调实践技能培养,提出了多种强化实验的教学模式[10-15], 高效教学的实现手段[16],值得我们借鉴并在实验教学勇于开拓实践。与之相适应的是,在我国,企业对化学专业的毕业生的大型分析仪器操作能力提出了越来越高的要求。从近10多年来我校化学系本科、硕士毕业生的就业去向来看,熟练掌握操作大型分析仪器是非常受企业欢迎的一项基本技能。因此,大学化学专业仪器分析实验教学的改革就变得非常迫切。

如何在狭小的空间、有限的仪器数量、学生人数多、教学课时不多的情况下,圆满完成实验教学任务?最传统的实验教学中,采用学生围绕教师,在仪器前讲解的方式,学生实验前感性认识少,实验中进展效率低。也有部分高校采用了视频教学方式,让学生事先预习,但视频往往都较长、缺乏精准度,观看时容易走神,学生的学习积极性不高。而且缺乏针对教学视频交互手段,无法多方面收集教师、学生的意见等,这是需要进行教学改革的部分。所谓精准教学,是指在上述条件不变的情况下,采用有效的技术和过程监督手段,高效率地完成实验教学。我们采取的策略是:将整个实验划分为3~5个片段,每个片段针对一个小主题,制作成3~5 min的短视频,使学生可以精准掌握每个步骤的操作要点,提高学习效率。

精准教学模式使学生在时间花费大大减少的情况下快速掌握实验要领,保证实验进行时,每个学生都以较高的效率操作仪器,达到提高仪器使用率的目的。以一台大型光谱分析仪器ICP-AES(电感耦合等离子体)为例,实验过程表明,在一次安排9名学生的情况下,2 h内可保证每位学生都亲自动手实际操作仪器,锻炼动手能力,加深对实验的理解。

仪器实验教学能否顺利进行的一些很重要因素,包括学生对实验原理的理解、对仪器操作的感性认识、对实验目的和要求的基本理解。精准教学为顺利开展实验教学提供了必要条件,但要保障实验教学有质有量,还必须有相应的管理措施。关键在于,教师如何督促学生进行自主性学习、如何发现学生进行了自主性学习、学习的质量又如何?为了达到该目的,利用信息化教学跨地域、时域、快捷特点,在信息化教学平台中建立了题库管理系统、出题系统、微课学习统计、自主测试自动阅卷的过程管理系统。在实验进行的前一周,教师通过教学网站下达微课预习及自测指令。学生通过实验讲义、微课的学习后可以自行测试自己对实验的掌握情况,并完成教师布置的小测验。在进入实验室后,教师可以一键式查阅学生微课的学习次数、学习时间、实验内容测试是否完成、何时完成及得分情况。将这些具体的学习过程数据化,作为学生实验课程成绩考评的一部分。这种过程管理制度,使教师能够很好地掌握了学生的实验自主预习情况,学生课前预习的习惯逐步养成,保证了实验的顺利开展。

在教学安排中,通过学期的前12周仪器实验教学,学生基本掌握了教学规定的各种大型仪器的用途、实验原理、操作技巧等内容。但这些规定的实验内容,都是经教师严密设计,适合锻炼学生的实验操作技能。学生的实验过程,是一种对实验设计的简单重复,难以增强学生对实验的深刻理解、提高创新能力。

提高学生协作、创新能力的有效方式是让学生根据自己掌握的知识去解决身边常见的实际化学分析问题。为此,安排每个教学学期的最后4周,作为学生自主开放实验周。在这期间,学生通过自由组合,形成一个小组,自定实验主题,选择学期实验课中的一种大型仪器展开实验分析,方案经任课教师认可后即可实施。这是一种充满趣味、生活结合实验课程的学习方式,深受学生们的好评。多年来,同学们将自己生活中化学分析的主题几乎挖尽了,包括同济校园内“三好坞”水、“四平路”土壤中重金属离子的测定;各种花草香气成分的测定;不同品牌茶叶香气成份测定;蔬菜农残荧光光谱的测定、宝石矿物的成分的拉曼光谱测定,等等,都成了学生实验主题。在这些自主实验中,往往会碰到实验教学中想象不到的困难,与教学安排中的情形完全不同。解决这些困难,需要实验小组自行查阅相关文献、摸索实验条件、完成数据分析,因而对学生解决实际问题能力的锻炼非常有效。部分学生由此而喜爱上了仪器分析,成为指定仪器的小专家。

微课在实验精准教学中起到了非常重要的作用,他可使实验教学的质量长期保持稳定,不会因为任课教师的变动、上课时点变化而产生较大波动。但微课的建设费时且需要视频制作的技术和经验,虽然教师对课程的理解及教学上的思考比学生精准的多,但却不一定能制作出优质的微课。学生思维活跃、激情,充满时代气息,在经过实验培训及自选实验的磨练后,完全有能力根据实验的课程要求制作出优良的精准微课。基于此,每年实验教学完毕后,发动学生参与大型仪器实验的微课建设成为同济大学化学系一项必备项目。通过这样的比赛,我们较快、较高质量地建立了各种大型仪器实验微课,包括拉曼光谱、气(液)相色谱、荧光光谱、电感耦合等离子体、安捷伦紫外光谱计等大型实验仪器。

微课的建设,对学生而言是一个再锻炼的过程。因为建设优秀的微课,前提就是对仪器的操作要求达到非常熟练的程度,对仪器操作的每个细节、先后次序、故障处理都有深刻的理解。所以,这样的比赛很自然地就起到了提高学生对仪器操作理解的目的。

高效精准实验教学,离不开信息化管理的支持。基于多年来在信息化教学开发中积累的经验,建设了信息化管理平台(http://cal.tongji.edu.cn/chemweb)。开发系统采用免费开源的Web服务器Tomcat,Struts体系结构,非常容易在Windows系统中部署并在各高校实验教学中推广。系统提供了微课管理、播放跟踪、对微课的讨论评价、各实验的题库管理、出卷系统、基于序列比对的自动阅卷系统、基于各种过程数据的查询系统,整个系统的各组成部分见图1。信息化系统保证了教师对教学过程的快速跟踪。在平台的支持下,教师可以很方便地查阅学生参与实验讨论、自测得分、微课的访问、实验测试得分、实验报告的提交及评阅意见等多方位的数据。这些数据,在实验课程开展的课堂中,教师都可以通过校园网立即查询得到,有效地保证了实验教学的严密性。

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图1   精准教学信息化平台系统组成

精准教学体系的实施,需要优质教学资源的支持,这离不开教学团队每位教师的大量教学投入,主要体现在优质微课和题库建设需要花费大量的时间,并在平日教学中养成利用信息化教学的习惯。因此,加强教学团队管理,使教师各司其职,认真负责建设部分资源,思想统一到坚持依靠信息化平台提供的基础数据对教学质量进行实事求是的评价,是保障精准教学改革实现的关键。学校多年来一直坚持通过教学改革立项促进各类教学改革,鼓励各学科的教学团队建设,为各类优质教学资源的建设提供有效保障。

大型分析仪器实验精准教学体系的建设,围绕突出仪器操作关键知识点及深化的教学法,①可以使教师加强实验每个关键节点的教学,使实验教学更加高效;②可使学生在课前在短时间内快速了解实验操作的重点,做到有的放矢,事半功倍。体系中提供的过程管理;①可以有效敦促学生实验前做好预习,对实验过程、实验的知识要点作全面的理解;②可以帮助教师全面了解学生的参与情况,认知缺陷,给学生做出较全面的成绩评定。目前,同济大学化学系的所有大型分析仪器实验已经全部纳入精准教学体系,取得了较好的效果,课程在强调学生技能培养的同时,对思维过程培养起到了启示作用。受此带动,一些传统的化学实验课程也逐步采用该管理模式教学,对化学专业学生动手能力的培养将起到良好的示范作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

培养实践能力造就创新人才(三)—访美籍科学家交大密西根学院院长倪军教授

DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2014.12.001    URL     [