周云張連慶 林金明

(清華大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 北京 100084)

計(jì)算機(jī)與化學(xué)

多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐

周云＊張連慶 林金明

(清華大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 北京 100084)

介紹網(wǎng)絡(luò)化多媒體教學(xué)平臺的構(gòu)建、特點(diǎn)及其在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的探索與實(shí)踐。改革實(shí)踐表明,與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,網(wǎng)絡(luò)化多媒體教學(xué)平臺以其特有的可觀賞性、虛擬現(xiàn)實(shí)性、交互性以及可擴(kuò)展性在彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中某些不足的同時(shí)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性,顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)是大學(xué)實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié),網(wǎng)絡(luò)化多媒體教學(xué)平臺是現(xiàn)代教育發(fā)展的一大趨勢和必然。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)硬件及軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化多媒體教學(xué)提供了非常好的契機(jī)。因此,如何充分利用校園網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用WEB開放式技術(shù)構(gòu)建多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺,不僅是拓展校園網(wǎng)應(yīng)用的需要,而且也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的必然選擇[1]。

儀器分析實(shí)驗(yàn)是儀器分析課程的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),是學(xué)生了解各種儀器的結(jié)構(gòu),熟悉各種儀器的操作方法,懂得各種儀器的原理,理解課堂上所學(xué)理論知識的重要途徑。儀器分析實(shí)驗(yàn)課與其他實(shí)驗(yàn)課有很多不同,它的一個(gè)特點(diǎn)是,分析儀器是實(shí)驗(yàn)中的主要工具,而這些儀器的集成化、智能化和多用途化讓學(xué)生少有接觸儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以真正了解其功能及掌握其原理的機(jī)會。而且,現(xiàn)在的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,很多是采用示教教學(xué),即教師先演示示教,學(xué)生觀看后通過練習(xí),逐漸掌握儀器的正確操作方法。這種教學(xué)方式雖然能在較短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生學(xué)會如何操作儀器,但也有很多不足。例如:教師示教儀器操作時(shí),多名學(xué)生圍在教師和儀器周圍,學(xué)生由于受到所站角度的限制,難以完整地觀看到每個(gè)操作細(xì)節(jié);一些大型貴重分析儀器,如電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀等,一般學(xué)校只購置一臺,如果要對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定困難。而且,為了保護(hù)分析儀器不受損害和灰塵干擾,一般是不允許向?qū)W生展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是,學(xué)生學(xué)完儀器分析實(shí)驗(yàn)后對儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理還是不太清楚,做完實(shí)驗(yàn)后也只是掌握了機(jī)械地去操作儀器的方法。如果要想真正讓學(xué)生掌握儀器分析實(shí)驗(yàn)并讓它成為學(xué)生在今后的科研和工作中的得力助手,這顯然是不夠的。

近年來,隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,多媒體課件被廣泛應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,如 PPT課件、Flash動畫課件及用 Author ware等軟件制作的課件等[2]。這些課件都能在一定程度上傳授儀器原理,但是這些課件往往只是一些簡單、單調(diào)的平面多媒體,不能直觀、真實(shí)、互動地將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容展示在學(xué)生面前,如果只是用這樣的課件是不能最大限度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的。目前,基于流媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動畫技術(shù)及交互技術(shù)綜合應(yīng)用的課件在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用還不多[3-4];因此,為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,很有必要開發(fā)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)新方案,構(gòu)建儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。

1 設(shè)計(jì)思路

儀器分析實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)決定了多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的功能與風(fēng)格。在設(shè)計(jì)中既要考慮到授課對象的多樣性和課件的可觀賞性,同時(shí)還要考慮到網(wǎng)絡(luò)課件的交互性、可擴(kuò)展性和易用性。另外,由于課件中的主要內(nèi)容均以視頻的方式展示,因此還要考慮在線觀看時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率問題。由于授課對象的基礎(chǔ)不同(既有化學(xué)系的學(xué)生,又有非化學(xué)系的學(xué)生,還有外校學(xué)生或參加工作的人員等),因此,課件中既要有演示儀器操作、介紹儀器構(gòu)造的內(nèi)容,又要有針對那些理論知識不足者的基本理論知識;另外,還要有針對儀器分析實(shí)驗(yàn)中的分析方法在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用的精彩展播,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中和學(xué)習(xí)結(jié)束后,往往還會有些疑問需要與教師或同學(xué)進(jìn)行交流與溝通,這就決定了網(wǎng)絡(luò)課件要有交互性;隨著教學(xué)內(nèi)容的更新和教學(xué)對象的變化,教師有時(shí)要對課件進(jìn)行更新或擴(kuò)展,這就決定了課件要有可擴(kuò)展性,同時(shí)還要考慮到教師對課件進(jìn)行擴(kuò)展的易用性。綜合考慮上述因素,我們在設(shè)計(jì)時(shí),決定課件的內(nèi)容以視頻展示方式為主,采用流媒體技術(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線的觀看模式,播放的進(jìn)度和內(nèi)容均可人為控制。對儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示采用虛擬現(xiàn)實(shí)三維動畫技術(shù),這樣可以真實(shí)展現(xiàn)儀器的整體或局部。對儀器的操作方法教學(xué),既有DV視頻講解,又有基于虛擬現(xiàn)實(shí)三維技術(shù)的動畫演示。對于學(xué)生問題的反饋或?qū)W生之間或師生間的交流,采用學(xué)生易于接受的網(wǎng)絡(luò)Blog方式,既可以充分展示學(xué)生的個(gè)性,又可以方便使用者間的交流與溝通。在體現(xiàn)儀器分析實(shí)驗(yàn)中的分析方法在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用時(shí),采用視頻編輯合成等技術(shù),將現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)案例有選擇地展示出來。為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,吸引更多的學(xué)生參與到多媒體網(wǎng)絡(luò)課件的學(xué)習(xí)中來,網(wǎng)絡(luò)體系中用專門的頻道展示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的精彩瞬間和成就等。

2 總體架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

從技術(shù)上講,為了適應(yīng)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的需要,我們在設(shè)計(jì)中采用了 3層體系結(jié)構(gòu),即客戶端為標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器,中間層為應(yīng)用服務(wù)器,最底層為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。系統(tǒng)采用 Browser/Server(B/S)模式,這種模式將傳統(tǒng)的瀏覽器-WEB服務(wù)器的兩層體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成瀏覽器-(WEB服務(wù)器 +應(yīng)用服務(wù)器)-數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的 3層體系結(jié)構(gòu)。這種模式采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和技術(shù),不受硬件平臺和軟件環(huán)境的限制。系統(tǒng)模塊組成如圖 1所示,主要由接入模塊、交換模塊、服務(wù)器模塊、課件展播與互動模塊和數(shù)據(jù)資源管理模塊等組成。

從功能上講,儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺是一個(gè)由用戶管理、課件內(nèi)容和交互界面組成的一體化有機(jī)系統(tǒng),主要包括 6個(gè)頻道。

頻道一:開卷有益。該頻道以電影視頻的方式展播儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的理論內(nèi)容。開通這個(gè)頻道的主要目的是為那些理論知識準(zhǔn)備不足者提供基本理論知識。這些理論知識涵蓋了儀器分析實(shí)驗(yàn)的理論原理和儀器工作原理,視頻內(nèi)容主要以文字和圖片的形式進(jìn)行展播。相比于現(xiàn)在網(wǎng)上流行的 PPT課件,它不需要先下載后打開,而是直接在線觀看,并可以控制播放的進(jìn)度和內(nèi)容。

圖1 B/S的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺構(gòu)成

頻道二:影片展播。該頻道內(nèi)容分為三維動畫虛擬現(xiàn)實(shí)視頻和DV視頻兩大部分,以電影視頻方式展播儀器構(gòu)造、儀器工作原理和操作流程。三維動畫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn) DV視頻的所有功能,而且還能展示儀器的核心部件及其功能;另外,三維動畫特效技術(shù)的采用及其真實(shí)場景的模擬不僅能再現(xiàn)儀器的工作狀態(tài)和原理,而且還能實(shí)現(xiàn)實(shí)際工作中沒有的視覺效果,這樣既不用對儀器進(jìn)行拆卸,又能生動形象地對實(shí)驗(yàn)原理和儀器工作原理進(jìn)行演示。

頻道三:法在身邊。針對學(xué)生對儀器分析法在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際應(yīng)用缺乏了解的現(xiàn)狀,該頻道以現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際案例為基礎(chǔ),經(jīng)過視頻編輯合成等技術(shù)處理后,將儀器分析法在現(xiàn)實(shí)生活中所發(fā)揮的巨大作用展現(xiàn)在學(xué)生面前。每個(gè)視頻內(nèi)容都與人們的生活息息相關(guān),大多數(shù)儀器分析方法的應(yīng)用都在此得到了生動的介紹。此頻道的開通,深化了學(xué)生對儀器分析法的認(rèn)識,同時(shí)也有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和使命感。

頻道四:秀我風(fēng)采。此頻道以視頻的方式展示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的許多精彩瞬間。在儀器分析實(shí)驗(yàn)中,每個(gè)學(xué)生及其所在的團(tuán)隊(duì)都會留下精彩的瞬間。無論是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對實(shí)驗(yàn)方案的激烈討論,還是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的全神貫注;無論是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后因?qū)嶒?yàn)有所獲而高興的表情,還是學(xué)生在戶外采樣時(shí)的神態(tài);這些精彩瞬間的展示既是對學(xué)生學(xué)習(xí)的肯定,同時(shí)又能起到相互激勵的作用,并為后來者樹立好的榜樣。

頻道五:雁過留聲。此頻道采用易于讓學(xué)生接受的 Blog方式,既可以充分展示學(xué)生的個(gè)性,又可以方便使用者間的交流與溝通,為學(xué)生架設(shè)了一個(gè)交流與溝通的平臺。Blog(Web log,網(wǎng)絡(luò)日志,縮寫為Blog)是繼 Email、BBS、 IM(InstantMessaging,即時(shí)通訊、實(shí)時(shí)傳訊)之后出現(xiàn)的一種網(wǎng)絡(luò)交流方式,它以網(wǎng)絡(luò)為載體,可簡易迅速便捷地發(fā)布自己的心得,及時(shí)有效輕松地與他人進(jìn)行交流。由于溝通方式簡單、容易,而且表達(dá)方式生動,Blog已成為家庭、公司、部門和團(tuán)隊(duì)之間越來越流行的網(wǎng)絡(luò)交流工具。在多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中,通過開設(shè)“雁過留聲”這個(gè)Blog頻道,使學(xué)生之間或師生間的交流變得很容易和便捷;而且由于學(xué)生在這個(gè)頻道上的留言和討論是以匿名形式進(jìn)行的,因此,學(xué)生除了可以寫下自己對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)心得外,還可以大膽評論;這樣對于知識和情感的交流更加真實(shí)可信,教師也可以真實(shí)地掌握學(xué)生的思想和對教學(xué)的意見或建議。

頻道六:他山之石。這個(gè)頻道主要給學(xué)生提供了一個(gè)更廣泛的學(xué)習(xí)資源。這些資源都是國內(nèi)知名大學(xué)化學(xué)系的網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源。他山之石,可以攻玉。學(xué)習(xí)其他知名大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源能開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)視野,提高自身水平。

3 運(yùn)行效果及學(xué)生評價(jià)

儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺于 2007年 12月底完成開發(fā),自 2007年年底試運(yùn)行,應(yīng)用于清華大學(xué)化學(xué)系、化工系、環(huán)境系及核物理學(xué)院等院系的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

對于平臺應(yīng)用效果的評價(jià),我們采用了學(xué)校的網(wǎng)上教學(xué)評估系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)由學(xué)生對所學(xué)課程進(jìn)行匿名評價(jià)(留言)和打分,每學(xué)期大約有 12000名本科生在網(wǎng)上對所選課程(包括本科生理論課、雙語課、實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì))課和體育課)的授課教師進(jìn)行評價(jià),參評學(xué)生人數(shù)占應(yīng)參評學(xué)生總數(shù)的 92%左右。每學(xué)期發(fā)放問卷約 110000份,收回問卷約 108000份,回收率約為 98%,其中有效樣本約 106000份;參評院 (系、所)40個(gè),評估課程 1053門,被評估教師約1500人次,其中實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì))課教師人數(shù)為 255人。表 1是平臺運(yùn)行后學(xué)生對儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)評估統(tǒng)計(jì)。從表 1可以看出,在平臺運(yùn)行后,儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了明顯提高。在最近的連續(xù) 5學(xué)期的教學(xué)評估中,個(gè)人得分都大大超過系里和學(xué)校;實(shí)驗(yàn)課的平均分有3次進(jìn)入了全校排名的前 15,有兩次進(jìn)入了全校排名的前 20,在化學(xué)系里的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評估中,連續(xù) 5次進(jìn)入前 5(學(xué)校只給出排名范圍,沒有給出具體的排名順序)。

表1 學(xué)生對儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)評估統(tǒng)計(jì)

另外,由于教學(xué)平臺的作用,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣大為提高,有相當(dāng)一批學(xué)生參加了我們開設(shè)的“以興趣為導(dǎo)向的研究型儀器分析綜合實(shí)驗(yàn)”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程對本科生而言,實(shí)際上是一個(gè)小型而完整的科研過程,它以學(xué)生的興趣為出發(fā)點(diǎn),包括提出方案、查閱文獻(xiàn)、討論方案、確立方案、實(shí)施方案、數(shù)據(jù)處理和撰寫論文等一系列過程。這對學(xué)生是非常有意義而難得的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)完全由學(xué)生組成的興趣小組完成,教師只起指導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)對象包括化學(xué)系、化工系、環(huán)境系和核物理學(xué)院等院系的學(xué)生,同時(shí)還包括一些研究人員和社會工作人員等。學(xué)生設(shè)計(jì)的方案所涵蓋的內(nèi)容廣泛,題材新穎并與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合得相當(dāng)緊密。表 2列出了部分興趣實(shí)驗(yàn)的方案。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的留言或?qū)嶒?yàn)結(jié)束后的實(shí)驗(yàn)感想中,都對教學(xué)平臺給出了很高的評價(jià)。更令人高興的是,儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺在參加 2008年“清華大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)軟件”的評獎中獲得了二等獎。

表2 “以興趣為導(dǎo)向的研究型儀器分析綜合實(shí)驗(yàn)”方案(部分)＊

4 結(jié)束語

本文對多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的功能和應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)介紹,展示了該平臺在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐中的作用。雖然該平臺主要是針對儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)而開發(fā),但該平臺的教學(xué)模式也可以應(yīng)用于其他學(xué)科教學(xué)中。平臺中所采用的多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動畫技術(shù)進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的功能、效率和可觀賞性;另外,Blog的使用也方便和豐富了學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的溝通。可以說這種形式多樣、可觀賞性強(qiáng)、突破教學(xué)時(shí)空限制和傳統(tǒng)教學(xué)的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式,有著很大的發(fā)展空間,這種教學(xué)模式已經(jīng)并且將繼續(xù)在提高教學(xué)質(zhì)量、拓寬學(xué)生視野、加強(qiáng)素質(zhì)教育等方面發(fā)揮作用。

[1] Brusilovsky P,Eklund J,Schwarz E.ComputerNetworks and ISDN Systems,1998,30(1-7):291

[2] Thomas J E.The Journal of Life-long Education,1997,17(1):1

[3] Usluel Y K,Mazman S G.Procedia-Social and Behavioral Sciences,2009,1(1):818

[4] Jones G R.網(wǎng)絡(luò)教育——21世紀(jì)的教育革命.萬小器,程文浩譯.北京:高等教育出版社,2000

＊ 通訊聯(lián)系人,E-mail:zhouy@chem.tsinghua.edu.cn