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摘 要：随着现代化实验教学的改革，坚持“高阶性”“创新性”和“挑战性”课堂建设，提出结合慕课和虚拟仿真平台等在线资源，辅助分析化学实验课堂教学，建立线上 - 线下多元互动混合式教学体系，集基础与前沿、单项与综合、经典与现代为一体。该文从课程目标和课程体系建设等方面阐述对于促进以“需求”和“问题”为导向的教学模式结构性变革的思路，并对其在推动创新型教育和专业人才培养方面进行简要分析。
关键词：分析化学实验；虚拟仿真实验；慕课；改革创新
本文引用格式： 侯娟，牛娜，孙明礼， 等 . 线上 MOOC 和虚拟仿真助力分析化学实验教学 [J]. 教育现代化 ,2021,8(35):18-21.
Online MOOC and Virtual Simulation Assisted Analytical Chemistry Experimental TeachingHOU Juan1, NIU Na1, SUN Mingli1, LIU Yu2（1. Department of Chemistry, Chemical Engineering and Resource Utilization, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang；2. Beijing VR technology. Co., Ltd., Beijing）
Abstract: Modern experiment teaching reform adheres to the “higher” “innovative” and “challenging” classroom construction. We put forward to establish online-offline multiple interactive hybrid teaching system in combination with online resources including MOOC and virtual simulation platform, setting basis and front, single and integrated, classic and modern in one scale. This paper expounds the ideas of promoting the structural reform of teaching mode oriented by “demand” and “problem” from the aspects of curriculum objectives and curriculum system construction, and makes a brief analysis on its promotion on innovative education and professional talent training.
Keywords: analytical chemistry laboratory; virtual simulation experiment; MOOC; reform and innovation
一 教学理念和教学目标
化学作为一门实验科学，化学中的定律和学说源于实验，又为实验所检验。分析化学实验课程作为一门独立的课程，可以加深对分析化学基础理论知识的理解，正确并且熟练地掌握分析化学实验的基本操作和技术，训练学生动手、观测、查阅、记忆、思维、想象、表达等多种能力，还能培养良好的实验习惯、严谨的科学态度和工作作风，树立“量” 的概念。
分析化学实验初期，学生一般要在教师的指导下进行基本操作练习，掌握基本知识、方法和操作技能。随着教学进程的深入，学生主动进行实验的意识加强，要求自主设计实验方案、分析实验结果， 进入到实验的综合探索高级阶段。
相较于理论教学，实验教学更加突出学生为教学主体，提倡手、脑结合， 锻炼学生的创新思维和实践能力。尤其，随着现代化实验教学的改革，坚持“高阶性”“创新性”和“挑战性”课堂建设，更注重学生综合科研素养的培养和创新能力的提升，以培养学生分析解决问题的能力，实现理论知识向实践能力的高效转化。
二 线上 - 线下互动混合式实验教学升级和改革
传统分析化学实验教学主要采取课前预习、课堂讲解、课上操作、课后反馈以及期末考试等手段进行实验授课和课程评价。学生通过集中学习，便捷地从授课教材和教师那里得到教学内容，掌握确定的实验方法和操作步骤，便于管理，整体课堂系统规范严密。然而教学方法固定、教学形式单一、实验过程按书本进行，往往抑制了学生的创新能力和学习的主动性。加之课时、教学场地、教学资源等限制，传统分析化学实验课多是验证性实验为主， 缺少综合性、设计性实验，对于前沿科技知识内容的涉猎也较少，难以培养学生创新型科研能力和规范的研究习惯。
MOOC，即大规模在线开放课程，是国际开放教育近年来出现的大众化网络在线学习模式，具有大规模、自主性、开放性等优势，成为远程学习的热点。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实平台，结合多媒体，实现人机交互，构建高度仿真的实验虚拟环境和实验对象，具有内容精彩、形象生动、技术先进、操作灵活等优点，能够有助于实现自主化、科学化、多元化、智能化教学。
坚持问题、需求作为导向，以学生作为教学的主体，紧密结合社会发展对高等学校人才发展的需求，将互联网和信息化技术充分运用到分析化学实验课程的实践教学中， 设立大型开放式在线课程，采用虚拟仿真和实践操作相结合的方式，设立线上 - 线下互动混合式实验教学，集基础与前沿、单项和综合、经典与现代为一体，探索符合实际要求和时代发展的课程体系， 循序渐进，平衡创新，以达到巩固学生专业技能， 提高教学质量的目标。
三 线上 - 线下互动混合式课程体系建设
（一） 线上资源构建学习自主化
在以往的分析化学实验教学中，学生往往通过课本了解实验内容，并做预习报告，流于形式，不能深入思考。通过 MOOC 资源，在教学中开展翻转课堂，利用网络的便利性和碎片化时间，学生自主地进行线上学习和培训，将实验操作的要点、难点、知识点进行预习和熟悉，增加实验的探究性，使学生从“听 - 做”变成“看 - 想 - 学 - 问 - 做 - 反思”，从以教师为主体变成学生为主体 [1-3]。
我校分析化学实验资源共享课在超星网络课堂，网址是 https:// mooc1-1.chaoxing.com/course/91375104.html。 教 师按照教学计划和教学要求，发布课程内容，包括授课视频、操作视频、授课课件、注意事项、章节测试等必备的教学资源，学生利用课余时间进行自学， 教师可随时查看学生学习进度、学习时间和任务点完成情况，鼓励学生及时在线反馈学习效果，并针对实验内容自主查找相关资料以加深理论知识的理解，充分满足学生在线学习的个性化要求。
（二） 虚拟仿真辅助教学智能化
虚拟仿真平台利用计算机和网络平台创建可视化的实验操作环境，提供简单的交互界面、计算并模拟实际实验状态和仪器操作状态，同时分析用户的操作流程，具有交互、时效和仿真性 [4] 。这种科技感很强的辅助教学方式，集理论、细节、图片、动画、演示于一体，明显引起了学生的学习兴趣和操作欲望。学生可以单独在线学习每个基础操作技能，将实验进行模块化，逐个研究，也可直接开展总体实验的练习并进行相应的考核测试。我校分析化学实验采用的是北京微瑞科技化学虚拟仿真实验平台。
平台内置基础操作练习，验证性实验和综合设计类实验内容，学生可根据自己的基础和兴趣选择合适的实验方法，主动构建自身的知识体系和实训项目。每个实验都有相应的原理、注意事项和实验室安全内容提示，以便对实验有进一步的了解。实验操作分为三种模式，分别为演示模式，提示模式和考核模式。通过观看演示模式可以了解正确的实验操作步骤，页面上方具有实验步骤的相关提示， 按照提示也可顺利进行实验，考核模式下则由学生自己独立完成实验内容，并记录考核模式分数（图 1）。通过后台大数据的分析和记录，教师可以查看学生的考核得分细节和学习达成度，对学生的学习效果进行多元全面的客观评价，更有针对性地总结课堂教学重点，以提升教学效果。
（三） 线上 - 线下课堂体系丰富化
1.教学内容革新
线上实验教学单元可以设置基础操作练习、简单的验证性实验内容和学科领域前沿热点实验等几部分，学生可以不局限于教学场地、时间、设备等， 利用碎片化时间，进行课程学习，巩固知识的同时， 了解前沿进展，以切合经济社会发展对于人才培养的要求 [5-7]。线上线下混合式实验单元由虚拟仿真项目和实体实验项目共同完成，通过精简、设计课程， 以专业课程需求为主，满足人才培养方案，重构课程体系。尤其在实体教学中，应尽量淘汰常规验证性、陈旧性的实验项目，引入优质、综合性强的设计开放性实验题目，除锻炼和规范学生的操作技能外， 还能有效提高学生分析解决实际问题的能力，培养学生创造性思维，调动其知识潜能。
2.教学模式革新
在 MOOC 和虚拟仿真等信息技术辅助的教学环境中实行课堂教学。将学生在线学习的结果纳入课堂考核中，遴选重难点内容，由学生根据在线学习产生的问题举一反三，深入掌握相关原理、内容， 旨在推广探究式学习方式，基于问题、基于案例， 由学生作为课堂教学主体，开展自主、合作、研讨、互动型教学模式。此外，对于设计性、综合性、创新性实验题目，摒弃常规“讲 - 授”的教学模式， 鼓励学生自主完成方案设计和实验环节。我们列出
一系列实验预选题目，如：碳酸钠与氯化铵混合物的分析；纸类添加剂组成分析（CaCO3, Al2O3）； 某卷纸漂白剂的成分分析等。
考虑学生各方面的差异性，实验题目从易到难分成不同级别，鼓励学生自由选择设计实验题目，依托分析化学知识的积累、相关参考文献的查阅以及同学间的互动交流，按照分析测定要求选择合适的实验方法，拟定详细的实验方案和分析结果评价标准，对实验中可能出现的技术性和安全性问题进行充分的思想和技术准备后， 实行课堂汇报和实际操作，根据分析结果针对方案的优缺点进行阐述，提出方案的改进措施。这种个性化、自主化的教学课堂能够提高学生和教师间的交流互动，增加学习兴趣，还融合多科学前沿方向、先进科技、工程技术等领域，促进综合性能力的提升。
（四） 交流答疑、问题反馈及时高效化
通过钉钉、QQ 等软件构建在线交流和辅导的平台，贯穿学生实验的整个学习过程。教师在群里通报反馈学习结果，并进行鼓励和督促，学生通过学习资料的自学，向老师和同学咨询在线学习过程中的难题。学生还可以通过不同角度分享自己的学习心得，比较各种分析方法的优缺点，在分析方法的设计上提出建议等。MOOC 和虚拟仿真平台中也可进行留言互动，教师可登陆系统随时查看学习进度和虚拟仿真操作得分情况，以便及时了解并解决学生在线学习的困惑。线上交流过程中，教师可以更大程度地解决学生在预习、操作中遇到的问题，同时， 还增加了学生间的互动，在群里提问，多名学生可以参与讨论，提出新的分析思路和解决办法，更有利于发散思维的建立，能够有效提高学生发现问题和解决问题的能力 [8-9]。线下课堂教学中，同步在线课堂的知识漏洞，更有针对性地进行疏解，形成及时高效的反馈和总结。
（五） 成绩评定科学化
我们以“平时成绩 + 期末成绩”作为多元化综合考核方案，即“实验预习 + 虚拟仿真平台操作 + 实际课堂操作情况 + 实验报告书写 + 课堂交流和课后作业 + 设计性实验”作为平时成绩，期末考试作为期末成绩，以一定的系数分配形成最终的实验课成绩。与传统评价方式相比，我们增设了在线学习评价和设计性实验评价。
通过在线慕课资源的自主学习和虚拟仿真平台的操作练习，可以辅助教师对学生的实验过程进行大数据的采集和量化分析，更容易辨识学生的实验基本情况，减少主观评价偏差。设计性实验属于“高阶性、综合性、挑战性”实验单元，合理增大学生的学习投入，从方案设计到结果分析，学生全程自主参与，增加成就感和挑战度， 并实现更多元、全面、科学的评价。这种成绩评定方式更突出过程性评价，能很好地体现学生的学习态度、技能规范性和知识达成度，可以辅助培养学生的基本科研态度和科研能力。
四 课程推广和评价
MOOC 资源和虚拟仿真平台相结合，作为实物实验的补充，可与其相互搭配，虚实结合，形成有机整体，辅助课堂教学结构变革。目前，这种线上 - 线下互动混合式分析化学实验教学体系应用于我校包括材料学、化工、轻化、林产化工等多个专业， 分析化学实验教学资源的共享和利用，并建立学生自主学习平台，使学生利用碎片化时间主动、快乐、高效地掌握分析化学实验技能，适应当今高等学校教育教学改革，使师生受益 [10-11]；
（2）融合多种教学手段、丰富实验教学内容，虚拟 - 现实相辅相成， 便于理解和接受，明显提升教学效果和学生的学习兴趣，实现图、文、声、形并茂；
（3）虚拟仿真操作的每一步都很清晰且规范，增加可视化认知，打造生动、详细、易读的实验教学指南，增加实验过程的自主化，对于规范学生的操作、实验数据的正确记录都有着明显的指导作用[9,12]；
（4）整体课程构架坚持知识、素质、能力的有机融合，强调深度和广度的同时，可以使学生突破习惯认知，引导学生探究式提问，增强创新精神的培养和科研能力的锻炼。经学生反馈，80% 以上的学生掌握并加深了对实验原理的理解，提高了操作技能，并对分析化学实验产生兴趣。
当然，这种课程体系还需要不断地改进完善， 比如：革新虚拟仿真平台操作界面使其更加简单逼真，平衡虚拟 - 现实实验课程的比例，根据专业需求和人才方案不断更新实体教学内容等。线上教育资源的辅助扩充为专业基础实验课程的整合优化创造了条件，增加学生自主学习的空间，并交叉还原学科间的联系交融，构建科学的课程体系。为满足创新人才培养的要求，最大程度的提升学生融合、专业、交流、创新等多方面能力，课程改革的脚步也在持续踏进。
五 结语
MOOC 平台和虚拟仿真平台的构建推动了分析化学实验优质教学资源的共享利用，促进以“需求”“问题”为导向的教学模式结构性变革，优化了分析化学实验课程体系和教学内容，带动学生自主学习、积极反馈，满足人才培养的基本要求。在今后的教学工作中，我们将通过强化线上 - 线下课堂教学的协同配合，平衡创新，持续推进整合优质课程内容，以进一步提升教学质量。
参考文献
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