基于虚拟仿真和微视频的模块化实验教学改革

李 延，罗丽娟，韩晓刚，叶 欣，封 磊，范立维

（福建农林大学 资源与环境学院，福州 350002）

就业和创新能力培养是高等教育的重要使命。《中共中央国务院关于深化教育改革 全面推进素质教育的决定》中明确指出：“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神”，并要求“重视实验教学，培养学生的实际操作能力”。[1]高校学生实践能力、创新能力培养贯穿于教学的每个环节，其中最重要、最现实和最有效的方法就是重视、加强和改进实验教学[2]。然而，传统的教学理念下，实验教学只是理论课程的辅助形式，难以自成体系，加之教学手段陈旧、教学形式单一等弊端，制约了学生学习的积极性、主动性，不利于学生实验技能和创新能力的培养。随着中国高等教育改革的不断深入，实验教学越来越受到高校的重视。面对用人单位对毕业生实践动手能力和创新能力要求越来越高的现实，实验教学改革已迫在眉睫。本文以福建农林大学农业资源与环境专业的实验教学改革为例，论述构建专业实验教学体系、创新实验教学手段的改革措施及其成效，旨在为实验教学更有效地服务于学生的就业和创新创业提供借鉴。

一、专业模块化实验教学体系的构建

模块化教学起源于美国的模块化技能培训（Modules of Employable Skills）和国际劳工组织的能力本位教育（Competency Based Education），以提高学生的操作技能为核心，将 “按需施教”“学用一致”作为基本原则[3]。目前国外许多大学已将模块化教学应用于专业实验教学。实践表明，模块化实验教学符合实践教育的认知规律，可以有效提高学生的动手能力和解决实际问题的能力[4]。此外，该模式还可为大学生创新创业能力培养提供新的平台[5]。依据自然保护与环境生态类专业教学质量国家标准[6]，将农业资源与环境专业的实验内容分为“专业基础、专业特色和创新创业综合实验”三大模块。

（一）专业基础实验模块

涵盖无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验、植物生理学实验、生物化学实验等课程。该模块以培养学生基础专业实验技能和方法为目的，实验内容主要以观察性实验和验证性实验为主，涉及称量、试剂配制、滴定、固液分离和萃取、常规分析检测技术等。通过该模块的学习，学生可以获得“三基”（基本操作、基本技能、基本素质）的培养，为今后的专业实验和创新创业综合训练实验打下良好的基础。

（二）专业特色实验模块

该模块课程有植物营养学实验、土壤与肥料分析实验、农产品品质分析实验和环境监测实验等，以培养学生从事土壤肥料测试、农产品品质分析、环境监测等岗位的就业和创业技能为目的。该模块大幅度整合具有相同前处理和相同测定方法的实验内容，重点开设以培养学生科学思维和专业技能为目标的综合性、设计性实验。例如，植物营养学实验中的“施肥对蔬菜生长和品质影响的实验”，学生在教师的指导下制定实验方案，以分组的形式开展蔬菜不同施肥处理的盆栽试验，观察施肥对蔬菜生长的影响，并采样分析测试不同处理蔬菜的硝酸盐、亚硝酸盐、维生素C和蛋白质含量，依据国家食品质量标准对结果进行评价，结合课程理论知识阐明施肥影响蔬菜品质的原因。实验中，学生不但掌握了盆栽试验和样品采集的方法、蔬菜重要品质指标的测定技术，而且学会了实验方案的设计、实验结果的分析和解释，培养了学生科学思维的能力和团队合作的精神。

（三）创新创业综合训练实践模块

该模块依托国家、省、校、院“四级”大学生创新创业计划项目、专业技能竞赛等，开展面向产业需求的研究性、探索性和创新创业性实验。该模块以学生为主导，教师参与指导实验方案、实验方法的制定，提供实验必需的场所、仪器和试剂，保障实验的顺利开展。探索性是该模块实验的特点，创新性和应用性是该模块实验的灵魂。如农业资源与环境专业学生主持的大学生创新创业计划项目 “废弃硅藻土原位修复镉、锌复合污染菜地的机理研究”，利用啤酒工业、食品行业的废弃硅藻土作为土壤改良剂，研制以废弃硅藻土为主原料的镉、锌复合污染土壤改良剂。实验过程中，学生在查阅大量的文献资料的基础上，通过分析废弃硅藻土的理化性质，研究改性废弃硅藻土制备的物理、化学和生物方法，再经盆栽实验筛选、大田试验验证，研制出可用于Ⅱ级镉、锌污染菜地的土壤改良剂，为废弃硅藻土的资源化利用和土壤重金属复合污染修复提供了解决方案。该模块实验全面培养学生的创新思维方式和创业的商业意识。

二、基于虚拟仿真和微视频技术的实验教学改革

传统实验是一种灌输式的教学方法。课前学生预习，上课时教师先详细讲解实验原理、关键实验步骤的注意事项，然后学生根据实验指导书按部就班地进行实验，课后学生按固定模式写出实验报告。这种实验教学方法导致教师只注重实验结果，对实验过程关心不够，实验中学生只需照方抓药，完成任务了事，实验过程枯燥，降低了学生实验学习的兴趣，不利于学生实验技能和创新创业精神的培养。当前，实验教学中存在两个共性问题：一是教学手段陈旧，导致实验预习效果不好、效率不高；二是授课形式单一、过多强调教师的主导地位，难于激发学生学习兴趣、导致学生实验操作能力不强。针对此问题，近年来福建农林大学农业资源与环境专业开展了基于虚拟仿真实验和微视频的翻转课堂的实验教学改革，具体做法如下。

（一）实施学生主体与教师主导相结合的“翻转课堂”实验教学

后现代主义教育观认为，在知识网络化时代，高校的课程不再是统一、同质、线性的，而是多元、异质、差异性和网络性的，教师应为学生自主学习创造条件，把学生看作是研究性学习的能动者[7-9]。人本主义教育观认为，教师是学习的指引者、协助者，强调激发学生的学习兴趣和潜能，建立以学生为主导的教育方式[10]。翻转课堂以人本主义和后现代主义教育理论为依据，强调以学生为中心教学模式，倡导学生的主体地位[11]。翻转课堂实验教学让学生带着问题进实验室，指导教师解答学生预习时存在的问题，讲解实验步骤的重点、难点及其注意事项，在与学生的互动中，进行有针对性的辅导。这种遵循“学生主体，教师主导”原则的教学方法，充分调动了学生实验的积极性和主动性[12-13]。

（二）创建基于虚拟仿真实验技术和微视频的实验教学在线平台

翻转课堂能否取得显著的教学效果，关键取决于教学资源的质量。虚拟仿真实验具有安全性、生动性、直观性和低成本等特点，是高等教育信息化建设和实验教学改革的重要举措[14]。针对农业资源与环境专业某些实验周期长、流程复杂、物料和设备损耗大、试剂易燃和有毒等特点，利用虚拟仿真技术构建了污水处理工艺、生活垃圾无害化处理、堆肥化生产有机肥等15项虚拟仿真实验。“微视频”是指时长不超过10分钟、可通过PC和手机等多种视频终端播放的视频。对于实验教学而言，贵重仪器使用、关键步骤操作演示的微视频对学生掌握实验技能、正确操作仪器有极其重要的作用[15]。为此，农业资源与环境化学分析福建省实验教学团队在 “爱课堂”“学堂在线”建设了“实验化学”“高等仪器分析”“植物营养学原理与实验”“土壤与肥料分析实验”“农产品品质分析实验”“环境监测实验”“农业资源与环境专业实验”等系列在线实验课程，制作了常用仪器操作微视频和系列重点、难点实验步骤的微视频；主编了由高等教育出版社出版的 《农业资源与环境专业实验技术数字课程》《植物营养学原理与实验技术数字课程》教材，教材内容涵盖实验教学指南、实验微视频、习题等教学资源，以及利用资源开展翻转课堂教学的设计。互联网原住民的90后和00后学生习惯和善于用“互联网+”的方式学习[16]，而虚拟仿真技术、微视频等教学资源将复杂实验步骤和操作可视化，激发了学生的学习兴趣，促进了对实验的理解，提高了实验预习的效果。

（三）建立融合线上线下实验教学质量的监控措施

“农业资源与环境专业实验技术”等在线课程的“学习档案”和“在线答疑”板块，可以让教师及时掌握学生的学习情况，时刻关注新教学模式存在问题，并及时加以改进、完善。如针对学生反映的电脑不方便随时学习的问题，建设了基于手机APP的“农资专业实验教学移动平台”，实现了移动式学习。改革实验成绩的考核标准，将学生线上自主学习的成绩、实验操作技能以及实验结果作为评价其成绩的指标；将学生参加创新创业计划项目、专业技能竞赛纳入实验教学评价体系，对按时结题、获得竞赛名次的学生给予分数奖励。

三、教学改革成效

构建模块化实验教学体系，开展基于虚拟仿真和微视频的翻转课堂实验教学改革，充分调动学生自主学习的积极性和主动性，提高了学生实验操作技能、就业竞争力和创新创业能力。通过实验教学改革，农业资源与环境专业学生的 “专业技能综合考核”优秀率达到20%以上，良好率达到50%以上，分别较改革前提高了5～12个百分点和9～13个百分点。农业资源与环境专业毕业生的实验技能也得到了用人单位的认可。中国农资公司、中国检验认证集团等多家用人单位反馈，农业资源与环境专业毕业生的实验操作技能强，能胜任肥料和农产品品质检验的专业工作。实验教学改革也培养了学生创新创业的意识。近3年来，农业资源与环境专业学生主持完成的省级以上大学生创新创业计划项目达16项，部分已转化为学生自主创业的项目。

四、结语

以就业和创新创业为导向，把基础实验、专业实验和创新创业实践有机串联起来，构建以知识-技能-创新为主线的实验教学体系，开展基于信息技术的实验教学改革，显著提高了实验教学的效果和人才培养的质量。如何打破隔阂，建立跨专业、跨学院乃至跨高校的实验教学资源共建共享机制是今后亟待解决的问题。