混合式省级一流课程建设与教学改革——以“环境工程仪器分析”课程为例.pdf

混合式省级一流课程建设与教学改革以“环境工程仪器分析”课程为例丁 园，石 慧，丁 琳，杨利明（南昌航空大学 环境与化学工程学院，南昌330063）摘要“环境工程仪器分析”课程按照以学生为中心的指导思想，从学科发展与能力培养的角度重构教学内容，构建了有助于提升知识、能力与素质目标的立体资源库，并采用多元化的教学手段组织课前、课中和课后活动，建成了专业知识与课程思政相融合、线上资源与线下资源相融合、线下课堂教学与线上信息化教学相融合、形成性评价与终结性考核相融合的混合式省级一流课程。目前，线上课堂累计选课人数近千人，累计页面浏览量近 34 万次。对比课程改革前后学生的学习效果和工程认证达成度，结果表明，课程达成了高阶性、创新性和挑战度的目标，可为同类课程改革与推广提供借鉴。关键词 仪器分析；课程育人；混合教学模式；实施效果 中图分类号 G64;O6 文献标志码 A doi：10.3969/j.issn.2096-8566.2023.03.014 文章编号 2096-8566(2023)03-0134-06Construction and Teaching Reform of Blended ProvincialFirst-class CurriculumA case study of“Environmental Engineering Instrument Analysis”DING Yuan，SHI Hui，DING Lin，YANG Li-ming（School of Environmental and Chemical Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China）Abstract:The curriculum“Environmental Engineering Instrument Analysis”is designed with the guiding ideology of student-centered,and the teaching contents of the curriculum is reconstructed from the perspective of different instruments and abilitycultivation of students.A three-dimensional curriculum resource is constructed to help improve knowledge,ability and quality goalsat same time for undergraduates.Multiple teaching methods are employed,with activities organized before,during,and after class.Then,the curriculum has been recognized as a blended provincial first-class curriculum,integrating professional knowledge withcurriculum ideology and politics,online with offline resources,offline classroom with online information teaching,and formativeevaluation with finally examination.At present,the online classroom has a cumulative total of nearly 1000 students taking courses,with nearly 340 000 cumulative page views.The result of comparing students learning effect and achievement degree ofengineering certification before and after the curriculum reform indicates that the courses has been successful in achieving the goalof being high-level nature,innovative nature,and challenge extent.This accomplishment can be served as a valuable reference for 收稿日期2023-07-31 修回日期2023-08-29基金项目南昌航空大学校级教改课题（JY23002）；南昌航空大学第三批课程思政示范课程；2022 年江西省一流课程（线上线下混合式）作者简介丁园（1976），女，博士，副教授。主要研究方向：仪器分析教学与土壤环境质量监测与修复。通讯作者杨利明（1989），男，博士，副教授。主要研究方向：仪器分析教学与工程应用。第 37 卷 第 3 期南昌航空大学学报：自然科学版Vol.37 No.32023 年 9 月Journal of Nanchang Hangkong University:Natural SciencesSept.2023 the reform and promotion of similar curricula.Key words:instrument analysis；curriculum education；online and offline blended teaching；practice effect 引言“仪器分析”课程源起分析化学。我国清代化学家徐寿先生说对物质进行定性与定量分析是化学的最高目标1。随着物理学、电子技术、精密仪器制造技术的发展再加上社会化大生产的迫切需求，仪器分析逐步从技术手段发展为科学基础，并在分析化学领域占据绝对优势。现阶段，通过测定物质的物理或者物理化学性质确定物质的组成、含量以及结构的仪器分析技术已经成为科学的眼睛，帮助人们从复杂的事物表面看清客观世界的本质。环境工程专业的“仪器分析”课程属专业必修基础课，主要是利用仪器分析的手段对环境样品进行分析的学科，是开展环境和生态修复、环境质量评价、环境管理、环境监测以及废物减量化、资源化、清洁生产等环境科学研究不可缺少的技术和手段2。因此，南昌航空大学“环境工程仪器分析”课程团队采用线上线下混合教学模式，按照“一中心，两驱动，三目标，四融合”的思路开展教学设计，经过两轮的教学实践将课程建成省级一流课程（线上线下混合式）、校级课程思政示范课程。目前，线上课堂累计选课人数近千人，累计页面浏览量近 34 万。研究生、本科生和中职生等不同层次的学生均使用了本课程的线上资源。现将课程设计、建设与应用、教学成效汇总，以期为同类课程建设与改革提供借鉴。1 线上线下混合式教学设计南昌航空大学“仪器分析”课程已经经历了创始建设期（1986 2002 年）、快速发展期（2003 2017年）和 改 革 创 新 期（2018 年 至 今）3 个 阶 段。2021 年，课程团队更新教学设计，借助学习通平台搭建线上辅助教学功能，充分体现以学生为中心（一个中心），围绕学科前沿和工程实际问题培养学生的内在学习动力（两驱动），激发学生的自主性、积极性和创造性，紧扣课程知识、能力和素质目标（三目标），围绕目标达成度开展教学设计。在教学内容方面，专业知识与课程思政相融合；在课程资源方面，线上资源与线下资源相融合；在教学方法方面，线下课堂教学与线上信息化教学相融合；在课程考核评价方面，形成性评价与终结性考核相融合（四融合）。教学设计路径如图 1 所示。2 “仪器分析”课程建设及应用 2.1 育人与育才相结合，重构教学内容结合环境工程专业特点和仪器发展前沿重新构建传统的教学内容，着重介绍应用于有机污染物分析的色谱分析和无机重金属分析的光谱分析两大部分内容，弱化传统的电化学部分，仅介绍电位分析（含酶电极）和阳极溶出伏安分析的内容。9 个章节的课程内容拆分成独立知识点录制线上视频，同步提炼知识点内蕴的思政内容，实现知识点的思政元素全覆盖，如表 1 所示。2.2 精选课程内容与案例，拓展深度与广度“仪器分析”作为环境工程专业的专业基础课，如何在有限的课堂时间里让学生尽快了解和掌握相关仪器定性定量方法，并培养学生独立分析与解决复杂环境工程问题的能力是课程首先要解决的问题。教师在课前不仅要对知识点与难点进行梳理，更重要的是通过知识点的综合性和广度搜索，在线下课堂有效地将关键的知识点结合起来3。2017 年是中国新工科教育元年，我国高等工程教育改革已经站在新的历史起点4。“环境工程仪器分析”课程按照 CDIO 工程教育模式（构思、设计、实现和运作，如图 1）设计线下工程能力培养教学内容5。教学以“工程应用”为切入点，通过讲解在环境样品分析过程中各类分析仪器的应用，突出工程概念、工程案例和工程应用方面的内容。以 第 3 期丁 园，石 慧，丁 琳，等：混合式省级一流课程建设与教学改革 135 色谱篇章为例，在 GC 和 HPLC 章节分别导入工程案例，如：GC-MS 法分析垃圾渗滤液回灌处理过程中有机物质组成变化特征，SPME-HPLC 测定垃圾渗滤液中的双酚 A。并采用比较法说明同为垃圾渗滤液中的有机污染物，其分析方法因工程对象和要求的不同而异。工程案例的课堂精讲不仅准确把握了课程的深度，也能够满足课程对能力培养的要求。另一方面，教学团队紧跟仪器分析学科发展前沿，将仪器分析新进展融入课程讲解。不仅拓展课程知识面，保持了课程的新鲜度，也提升了课程的广度。如第六章介绍学科前沿知识：石墨炉原子吸收光谱仪的新进展横向加热方式，提高分析的准确度等。2.3 构建立体化教学资源，完善混合式教学体系随着信息技术及电子技术的发展，特别是学习通等智慧平台的普及，现有的仪器分析课程教材和多媒体课件等教学资源需要进一步扩展和完善。为弥补学时不足、师生交流受限、知识点实践应用不充分等问题，同时增强学生对工程实践和工程问题的思考认知，促进课程教学与环境工程专业新发展保持同步6，开发了教学适用性更强、使用更灵活、更全面的立体化教学资源库，如图 2 所示。仪器分析课程已经建成包括 46 个知识点的MOOC 视频库，总时长 504 分钟。建成 9 个章节的课件库以及包含 551 道试题的习题库和试卷库，保证学生能够随时完成专业知识的学习与巩固。同时还利用学习通平台发布了环境工程专业案例库、科研成果库、仪器新进展库（已累计更新资源81 个，资料 130 份）和小组任务汇报库等资料，为学生提供了解决复杂环境工程问题的思路、案例和方法。另外，课程团队自编环境样品前处理教材，通过与关联课程“环境样品前处理”“环境监测”等的有机融合，建立由样品前处理到分析测定的实践环节，实现样品分析工作的从源到汇。一中心:以学生为中心融入学科前沿仪器进展应用进展评价育人课程特点技术向科学转型知识更新快,应用型强工程应用工程概念工程案例工程实践应用三目标:知识、能力、育人育人目标前端分析课程思政元素的挖掘学情分析教学内容分析学习目标分析比较分析实现阶段构思阶段知识目标与能力目标运作阶段设计阶段数据分析访谈分析教学流程设计课程教学实践成效分析教学评价设计四融合:线上线下混合式仪器分析课程专业内容与课程思政相融合线上资源与线下资源相融合线下课堂教学与线上信息化教学相融合形成性评价与终结性考核相融合多学科交叉融合两驱动:学科前沿+工程应用 图 1 “一中心两驱动三目标四融合”的教学设计 136 南昌航空大学学报：自然科学版第 37 卷 2.4 以多元化的教学手段组织线下教学课程团队对传统的教学方法进行改革，采取多元化的教学方法和手段开展线上线下混合式教学。课前组织学生线上自主学习：教师课前给学生推送知识点视频和课件以及对应的工程案例和科研文献，并发布学生小讲堂和小组汇报任务；学生围绕小组任务要求，通过团队协作完成资料收集、方案设计、PPT 制作和课堂发言提纲写作等小组任务的课堂准备工作，教师通过线上统计数据及时了解课前学生自学情况。课中：采用问题导向法、案例教学法等教学方法和手段将线上知识点、立体化教学资料库有机融合，实现课程的点面结合；在学生小讲堂和小组任务汇报环节，师生互动、生生互动活跃了课堂气氛，提升了课程的趣味性。课后线上辅助指导及分层教学：主要是发布个人独立完成的任务、设置具有较强逻辑 表 1 思政元素对知识点的全覆盖教学内容思政元素1 绪论(1)仪器分析概念(2)课程特点与发展现状1.1 科技创新意识1.2 职业道德教育2 色谱法导论(1)色谱法分类(2)色谱流出曲线(3)塔板理论(4)速率理论2.1 科学研究的工匠精神2.2 科学发展观的树立与培养2.3 温故而知新的科学态度2.4 对科学知识的批判式继承3 气相色谱法(1)气相色谱仪的结构(2)气相色谱检测器(3)固定相及其选择3.1 科技创新意识3.2 群策群力的科学态度3.3 透过现象看本质的辩证思维4 高效液相色谱法(1)高效液相色谱仪(2)HPLC的主要分离类型(3)HPLC的检测器(4)毛细管电泳4.1 物尽其用，人尽其才的哲学思想4.2 尊重客观规律，不能主观臆断4.3 科学无止境探索永不停4.4 树立矢志不渝的目标，不懈努力的科学毅力5 原子发射光谱分析法(1)概述(2)发射光谱的基本原理(3)发射光谱分析仪器(4)光谱定性定量分析5.1 坚定不移的科学态度是仪器分析发展的动力5.2 逆向思维在科研和工作中重要性5.3 科学技术应服务生产、服务人民5.4 研究边界条件是影响分析结果的重要因子6 原子吸收光谱分析法(1)概述(2)原子吸收光谱法原理(3)原子吸收分光光度计(4)定量分析方法(5)干扰及消除方法6.1 仔细观察、求实务新6.2 全面、准确、客观、公正评价事物的重要性6.3 统筹兼顾，效益最大。民族自立、自强6.4 不能以偏盖全，失之毫厘，谬以千里6.5 人生哲学7 紫外可见分光光度法(1)紫外可见分光光度原理(2)紫外可见分光光度计(3)应用案例7.1 绝对真理与相对真理7.2 追求真理是无止境的7.3 思辨与应用，职业道德意识8 光谱其它分析方法(1)红外光谱(2)原子荧光8.1 爱国主义教育8.2 结合我国的先进技术，培养学生的民族自豪感9 电化学分析(1)电位分析(2)阳极溶出伏安法9.1 科学发展观9.2 民族自豪感 第 3 期丁 园，石 慧，丁 琳，等：混合式省级一流课程建设与教学改革 137 性及综合性的小组合作任务，以积分的方式鼓励学生参与线上交流讨论等。3 “环境工程仪器分析”课程线上线下混合教学效果与评价近年来，形成性评价逐步代替传统期末考试定成绩的方式。为支撑环境工程专业毕业目标中相应指标点的达成，仪器分析课程确立 3 个课程目标：1）深刻理解光学仪器和色谱仪的工作原理和分析方法，掌握其对环境污染物的定性定量分析，识别和判断复杂环境工程问题中关键污染物的类型、性质和含量；2）了解光学仪器和色谱仪等相关仪器设备的结构特点，掌握仪器对环境样品的在线分析要求和方法，培养学生掌握解决复杂环境工程问题所需要的分析技能；3）通过开设气相色谱、原子吸收光谱、分光光度计、离子色谱等相关实验，提高学生的实验动手能力和分析仪器的操作能力，为解决复杂环境问题奠定实践基础。团队教师依据课程目标和工程认证要求，拟由专业知识（权重0.4）、自主学习（权重 0.3）、创新协作（权重 0.2）和客观评价（权重 0.1）等评定学生的课程成绩。专业知识采用期未考试的方式，自主学习主要依据学习通平台学习时长、作业完成质量和时效等情况评价，分析解决问题的能力和创新能力依据小组讨论汇报和小讲堂等情况评价，客观公正性通过小组讨论、线上作业的生生互评和实验表现评价7。结合课程目标设定了目标达成期望值，如表 2所示。表 2 仪器分析学习能力评价和目标达成期望值课程目标考核方式、权重及分值合计分值期望值专业知识（权重40%）自主学习（权重30%）创新协作（权重20%）客观评价（权重10%）课程目标12010003024课程目标210102054536课程目标31010052520合计4030201010080 2020 级和 2021 级本科生皆采用了线上线下混合式教学，为激发学生线上学习的积极性，在2020 级基础上，2021 级增加了工程案例及工程应用的线上线下讨论活动，旨在提高学生解决环境工 MOOC 36 个知识点视频各章节课件库习题库和试卷库工程案例库仪器分析资料库思政融入提升实践能力应用能力与职业培养环境样品前处理,环境监测实践与实验获取专业知识科研成果库仪器新进展库小组任务汇报库 图 2 立体化教学资源库 138 南昌航空大学学报：自然科学版第 37 卷程问题的能力，并促进学生与教师之间的交流。采用线上线下混合式教学模式后，学生线下课堂到课率超 98%、参与度较线下教学模式大幅度提升。两轮持续改进教学方法与手段的实践情况如图 3所示，2021 级学生的课程平均成绩 85.64 分，优良率达 87.27%，较第一轮实践成绩显著提高，课程平均成绩提高了 1.54 分，优良率提高了 10.10%。特别是第二轮实践立体资源库丰富和完善后，学生小组任务汇报和小讲堂的完成质量大幅度提高，因此课程目标 2 的达成度由 0.74（不达标）增加至0.92。仪器分析课程两轮实践后，学生主持三小、挑战杯、互联网+等项目的数量也显著增加，2023年新增学生作为第一发明人的发明专利 2 项、实用新型专利 4 项。在团队教师的指导下，“有锂致远废旧磷酸铁锂动力电池高效回收专家”项目和“镉砷同治功能炭技术智能修复农田重金属污染的引领者”项目分别获得了挑战杯省赛银奖和互联网+省赛铜奖。近 5 年来，学生评教成绩稳中有升，一直在 97 分以上，学生满意度达 99%。806040学生人数/人2001009090808070成绩/分7060602020 级2021 级2020 级2021 级1.00.8课程目标达成度0.20课程目标 1课程目标 2课程目标 3 图 3 2020 和 2021 级学生仪器分析课程成绩和目标达成度分析 4 结束语“环境工程仪器分析”课程采用线上线下混合式教学模式，运用多元化的教学方法和灵活的教学手段精心开展教学设计，实现了“以学生为中心”的教学转变。从学科发展与能力培养的角度对教学内容进行优化与整合，不仅拓展教学内容的深度，适当增加了课程难度和挑站度，而且拓展了仪器分析的现状、技术能力及未来发展趋势等逻辑上的广度，激发了学生科技报国的家国情怀和使命担当。【参考文献】俞汝勤,梁逸曾.分析化学教学的发展 J.大学化学,2000(1):2-5.1许贺,王冬芳,谢学辉,等.“环境仪器分析”课程思政教学改革与实践 J.当代教育理论与实践,2023,15(1):13-20.2郑文俊,王伟涛,钱加慧,等.如何把握普通地质学教学中的广度与深度 J.高校地质学报,2022,28(3):322-326.3王存文,韩高军,雷家彬.高等工程教育如何回归工程实践以省属工科类高校为例 J.高等工程教育研究,2012(4):34-39.4钱小龙.工程教育课程改革之路的探寻与回归兼评中外高等工程教育课程研究J.江苏教育研究,2014(15):73-75.5孟玉兰,张文君,曹晶晶,等.化工原理立体化教学资源库的建设 J.实验室科学,2022,25(2):98-100.6丁园.新工科背景下以能力和素质培养为目标的“仪器分析”课程改革 J.南昌航空大学学报(自然科学版),2021,35(4):110-114.7 第 3 期丁 园，石 慧，丁 琳，等：混合式省级一流课程建设与教学改革 139