让本科生也能“触摸”高端仪器

      对于“抢”高端大型仪器设备这件事，苏州大学材料与化学化工学部教师徐敏敏有着深刻的记忆。“预约一些热门科研仪器，课题组研究生需要用几台笔记本电脑同时刷，好不容易才能抢到一个测试时间段，其紧张程度可想而知。”课题组尚且如此，更不用说本科生实验训练了，大型仪器简直是难以企及的“奢侈品”。

     “动手实践操作是化学实验课程的重要环节，但大型仪器设备价格昂贵，主要用于科研，即便本科教学实验室购置了部分大型仪器设备，也无法满足所有学生的实验操作需求。这已成为高校化学实验课程开设的共性问题。”苏州大学材料与化学化工学部副主任姚英明告诉《中国科学报》。

      如何破解化学实验教学中这一瓶颈问题，引发了苏州大学材料与化学化工学部的思考。

      像玩游戏一样做实验

      下周有仪器分析实验课，苏州大学应用化学专业本科生祁昭熟练地扫描二维码，登录化学实验教学网站，选择实验室，核磁共振仪赫然出现在眼前。

      这节视频课由苏州大学材料与化学化工学部副教授李晓虹讲解，讲解内容包括实验原理、内容及仪器操作事项。祁昭点击鼠标，还可以360度观摩核磁共振仪，“连仪器的剖面图都可以看见”。

      给课程做“硬件”支撑的是近700多平方米的现代化多媒体网络化实验室，其中共有11间大小不一的仪器专用实验室，囊括的设备有大型核磁共振仪、气相色谱、原子发射光谱等。每台仪器均实现联网，并配备了大屏幕显示设备。

      拆开来看每个“零件”，微课、虚拟仿真、可视化教学并没有多稀奇，可是“集成”到了一起，“线上学习+线下实操”无缝联通的混合式实验教学模式却是国内高校首创，曾获得2021年江苏省教学成果奖一等奖。

     “你能想象用类似玩游戏的方式进行课前预习，通过互联网技术远程操控高端大型仪器吗？这样的化学实验课简直太酷了。”祁昭说。

      从前的化学实验课可不是这样。

      姚英明以高效液相色谱为例指出，从前学生做实验，教师们会把样品准备好，学生只需要用注射器把样品打进去，通过仪器智能分析得出结果。学生对实验的具体过程等不甚了解，尽管教师会在课堂上讲解仪器的工作原理，但因为没有直观印象，学生学起来很吃力。

      徐敏敏的学生时代就有这方面的“难忘”记忆。“十多年前的化学实验课上，老教授严厉批评我们上课不预习，其实并不是我们不预习，而是大家面对书上的文字，缺少对仪器的直观认识，无从下手。”

     “如今，高校越来越重视学生的动手能力，但分组实验中依然摆脱不了‘两个在做，两个在看’，并不能人人都上手的问题。”姚英明说。有了虚拟实验，每个人都可以提前在虚拟环境中一遍遍走实验流程，等到线下做实验时就没有了胆怯感，每个人都有跃跃欲试的冲动。

      翻转课堂重构教师角色

      做好数字化集成的第一步，是将传统文本实验教材进行数字化处理，建立实验教学网络平台。

      早在2015年，苏州大学材料与化学化工学部就开始探索“线上+线下”混合式的实验教学模式。数十位教师投入到视频资料的脚本设计、动作分解、场景分段，以及后期制作、配音优化等工作中。他们最终形成了总时长1560分钟的76个微课视频，包括虚拟仿真实验、在线开放课程、实验操作视频、多媒体实验课件、在线试题库等实验教学内容。网站运行3年间，访问量突破7万余次。

      然而，对于教师而言，最大的触动并不是建设网络平台的艰辛，而是通过翻转课堂重新定位了教师角色。

今天要做的是罗丹明及荧光素的荧光分析实验。早在一周前，苏州大学材料与化学化工学部教授吴莹就布置多道开放性的问题，涉及实验原理、背景、仪器构造、实验应用等，比如让学生通过查阅它们的分子结构，总结荧光物质的结构特征，从雅布伦斯基能级示意图理解激发光和发射光之间的关系，再通过视频观摩，学会如何选择最强发射波长和最佳激发波长。“解答这些问题，能够帮助学生实验前充分掌握实验原理、熟悉仪器操作，心里更有谱。”

      上课当天，吴莹把学生们分为三组。由于深知实验课程中哪些是重点、难点，哪些是实验重要注意事项，“我只需要对问题进行点评，并解答实验关键点，就能顺利完成当天的授课任务。节约下来的时间，我可以放手让学生自主探究实践，而不再需要花大量时间讲解如何操作，以及手把手演示实验。我希望启发学生有兴趣地学，并且能将化学实验知识学以致用”。

      对于这样的方式，学生很认可。

      参加了微课学习后，祁昭早已迫不及待地开始了虚拟仿真的实验操作。他对照设置好的参数路径，操作电脑中的模拟小手进行绕圈，完成了绕丝动作；然后用鼠标将纺丝挂在屏幕中的钩子上，实现了挂丝步骤，一切做得从容而自如。“聚酯合成、纺丝实验、缩聚实验，这些平时在化工厂里才能接触到的工业生产步骤和化工设备，我们足不出户就能实现近距离观察和全过程模拟操作。”

      虚拟给现实带来了什么

      虚拟仿真在工科教学中很普遍，但应用在理科教学中却并不多见。如今，工程实验逐渐从虚拟仿真迈向了“真题真做”时代。那么，理科教学中的仿真实验又会给真实操作带来哪些帮助？

      大型核磁共振仪比较昂贵，本科实验教学开展相应实践很难实现。苏州大学核磁中心安装有高清云摄像头，教师在多媒体教室进行远程控制，助教在核磁中心做好配合工作。学生通过摄像头可以观看600兆大型核磁正常的测试过程以及每个操作细节。

      在另一间教学实验室内，配备有80兆台式小型核磁仪picospin80，其磁体是永磁体，不需要液氦、液氮冷却，大大节约了成本，而且与大型设备基本工作原理相同。“并不是看完远程操作演示就下课了，而是需要学生亲自动手，在小型核磁上进行进样、数据采集、谱图处理，这样才能基本掌握核磁的测试过程及操作方法。”任课教师李晓虹说。

     “荧光物质定量分析实验的操作过程比较复杂。以往我们要在教师的指导下完成，而且容易忘记，期末考试很害怕抽到这个实验。现在预习透彻、实操到位，且有视频随时指导，我们再也不害怕这个实验了。”苏州大学物理化学专业研究生吴千说。

      实验课程结束后的问卷调查显示，师生对该教学模式的整体满意度达到95%，线上教学平台的整体使用感受满意度高达96%。大部分学生认为，“线上+线下”混合式实验教学模式对实验理论学习、实验操作以及操作考试有实质性帮助，实验动手能力的培养成效显著。

     “本科生学习时使用的仪器设备通常落后于实际工作中的高端大型仪器设备，正是通过这种方式，我们节省了很多对公司众多仪器的适应时间，大大提升了就业的竞争力。”就职于天津某公司的苏州大学化学专业毕业生刘伟显兴奋地说。