(作者是上海大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)國(guó)家教學(xué)示范中心)主任教師。
開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍然是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向。 目的是鼓勵(lì)中學(xué)生在培養(yǎng)實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上自主學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新[1-3]。 這些教學(xué)模式向中學(xué)生開(kāi)放了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺(tái)、內(nèi)容和資源，改變了班主任與中學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的角色關(guān)系。 班主任從主導(dǎo)的設(shè)計(jì)者和組織者變成了輔助指導(dǎo)者和助手。 [4,5]，中學(xué)生從“被動(dòng)”的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)”的探索者； 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，充分發(fā)揮中學(xué)生的主體作用，不斷挖掘中學(xué)生的潛力，培養(yǎng)中學(xué)生的綜合素質(zhì)。
1 核化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)放式教學(xué)設(shè)計(jì)
核化學(xué)實(shí)驗(yàn)是數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中非常重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是化學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可缺少的一部分。 然而，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要使用放射源，人們?cè)诿鎸?duì)可能存在的輻射風(fēng)險(xiǎn)時(shí)總是“臉色蒼白”，而這門(mén)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行中也變成了“動(dòng)手”。 開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為核化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了很好的教學(xué)方法。 虛實(shí)結(jié)合的開(kāi)放式教學(xué)有利于核化學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推進(jìn)和提高。 上海大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)國(guó)家教學(xué)示范中心通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，開(kāi)辟了開(kāi)放、虛擬、真實(shí)的核化學(xué)與核應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，發(fā)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)核化學(xué)專(zhuān)業(yè)，加強(qiáng)專(zhuān)科人才培養(yǎng)。
1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)的目的
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、步驟、儀器都是固定的。 實(shí)驗(yàn)大多是對(duì)一些化學(xué)原理和現(xiàn)象的論證和驗(yàn)證，設(shè)計(jì)和探索很少。 課程大多由教師灌輸和示范。 操作中，中學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程[6,7]，中學(xué)生自始至終處于被動(dòng)地位，因此，中學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)不感興趣，更應(yīng)付完成任務(wù)。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放式教學(xué)模式則完全不同。 它顛覆了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)，為中學(xué)生提供了自由發(fā)揮、探索創(chuàng)新的環(huán)境和機(jī)會(huì)。 中學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)條件。 ，充分發(fā)揮中學(xué)生的想象力和自主性，讓中學(xué)生自己分析和解決實(shí)際問(wèn)題大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)[8-11]，使中學(xué)生畢業(yè)后能夠滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展需要，成為更具競(jìng)爭(zhēng)力的人才。
1.2 開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)特點(diǎn)
為了更好地服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，上海大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)了開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 借助該系統(tǒng)，核化學(xué)實(shí)驗(yàn)室被建成開(kāi)放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。 平臺(tái)主要分為開(kāi)放管理和可構(gòu)建系統(tǒng)兩個(gè)模塊。 開(kāi)放管理中：中學(xué)生可憑校園身份證一卡登錄實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全須知和行為規(guī)范測(cè)試，測(cè)試合格后即可進(jìn)入個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 在個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，您可以預(yù)約上課時(shí)間、選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、下載實(shí)驗(yàn)材料、上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，并且可以查看當(dāng)班實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師，與老師在線(xiàn)交流； 實(shí)驗(yàn)預(yù)約成功后，可以獲得實(shí)驗(yàn)室的門(mén)禁權(quán)限，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后點(diǎn)擊“完成實(shí)驗(yàn)并關(guān)閉電源、門(mén)窗等”。 在個(gè)人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中確認(rèn)并離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。 在可搭建的系統(tǒng)中：實(shí)驗(yàn)軟件操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可搭建實(shí)驗(yàn)條件的特點(diǎn)使得實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的可操作性； 中學(xué)生利用該平臺(tái)設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行個(gè)性化實(shí)驗(yàn)。 在解決問(wèn)題的同時(shí)，可以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)條件，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程充分發(fā)揮中學(xué)生的想象力，培養(yǎng)中學(xué)生的探索精神和解決問(wèn)題的能力。 完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可以直接在筆記本上處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)。 報(bào)告，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間； 實(shí)驗(yàn)班老師可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)中學(xué)生做實(shí)驗(yàn)并批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，大大提高了教學(xué)效率。 搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，充分利用實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放的信息管理資源，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，為中學(xué)生提供自由、個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 開(kāi)放式配光核化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)
2.1 核化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
在核化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們指出中學(xué)生是主體，教師充當(dāng)引導(dǎo)者，引導(dǎo)中學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考、小組闡述、進(jìn)行科學(xué)研究[12,13 ]。 教學(xué)內(nèi)容分為“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“探究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”兩部分。 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要針對(duì)化學(xué)專(zhuān)業(yè)中學(xué)生進(jìn)行的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)任務(wù)，指出中學(xué)生對(duì)核化學(xué)基本原理的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握。 測(cè)試技術(shù)與核電子儀器有機(jī)結(jié)合，雖然測(cè)試內(nèi)容主要包括：吸收硬度測(cè)試、電子能譜測(cè)試、壽命譜測(cè)試等。開(kāi)展了“半導(dǎo)體α探測(cè)器實(shí)驗(yàn)”、“α粒子能量損失實(shí)驗(yàn)”、“ β射線(xiàn)吸收實(shí)驗(yàn)》、《用閃爍光譜儀進(jìn)行γ射線(xiàn)能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)》、《γ射線(xiàn)吸收實(shí)驗(yàn)》、《X射線(xiàn)特征譜的測(cè)量和XA系列吸收實(shí)驗(yàn)等核化學(xué)與核技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)》 -放射源壽命實(shí)驗(yàn)、GM計(jì)數(shù)管特性研究實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生可以在平臺(tái)上搭建，根據(jù)自己的需要獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
探究性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，對(duì)所有理工科學(xué)生開(kāi)放。 對(duì)核化學(xué)、核技術(shù)感興趣的師生，在了解射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用規(guī)律、核輻射的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、各種常用探測(cè)器的基本原理和技術(shù)性能后，掌握射線(xiàn)與物質(zhì)的原理和使用方法后常用的核電子儀器，可以利用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行探索創(chuàng)新，在平臺(tái)上進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，班主任組織教改、教研等活動(dòng)，將研究轉(zhuǎn)化為核電子學(xué)的教學(xué)。化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以不斷優(yōu)化和發(fā)展。 中學(xué)生可以通過(guò)參加學(xué)科競(jìng)賽、SRTP項(xiàng)目、國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目等提高科學(xué)興趣、科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)圖
2.2可建設(shè)核化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置
可構(gòu)建的核化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器主要由虛擬放射源、多道分析儀、控制軟件和計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。虛擬核信號(hào)發(fā)生器用于替代物理放射源，其數(shù)學(xué)特性：能夠給出指定放射源的化學(xué)信息，如能量分布信息、粒子信息、探測(cè)器的響應(yīng)信息等； 它可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，動(dòng)態(tài)形成觸發(fā)判斷條件，形成滿(mǎn)足輸出的多粒子。 通過(guò)多通道分析儀采集信號(hào)，并由實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行分析和測(cè)量實(shí)驗(yàn)。 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的深入應(yīng)用，采用虛實(shí)結(jié)合的模式，為中學(xué)生提供安全、便捷、優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
圖3 可搭建核化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
3 評(píng)價(jià)體系
在核化學(xué)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)中，對(duì)中學(xué)生采取多種評(píng)價(jià)方式。 評(píng)價(jià)體系分為中學(xué)生互評(píng)和教師評(píng)價(jià)兩個(gè)方面，盡可能全面、客觀地評(píng)價(jià)中學(xué)生。
中學(xué)生互相評(píng)價(jià)是一種競(jìng)爭(zhēng)性的防守模式。 中學(xué)生分組，正組和負(fù)組進(jìn)行答辯，其他組擔(dān)任評(píng)分評(píng)委。 每組依次輪流。 答辯時(shí)，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、問(wèn)題解決、研究成果（創(chuàng)新點(diǎn)、問(wèn)題解決）4個(gè)方面，贊成和反對(duì)者會(huì)就自己的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行辯護(hù)，在答辯中會(huì)提出質(zhì)疑和批評(píng)，贊成者會(huì)提出質(zhì)疑和批評(píng)。反方給出答案，評(píng)委將對(duì)正方和反方的表現(xiàn)進(jìn)行打分。
班主任的評(píng)價(jià)將從日常實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、論文寫(xiě)作、答辯過(guò)程綜合表現(xiàn)三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分。 實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)評(píng)價(jià)包括中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 論文寫(xiě)作主要考察中學(xué)生的思維、創(chuàng)新和研究成果。 答辯綜合表現(xiàn)將個(gè)人表現(xiàn)和小組表現(xiàn)相結(jié)合進(jìn)行評(píng)分，不僅評(píng)價(jià)個(gè)人的獨(dú)立思考、解決問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€評(píng)價(jià)個(gè)人參與小組團(tuán)隊(duì)、協(xié)作能力、溝通能力； 它還評(píng)估團(tuán)隊(duì)的整體績(jī)效。 問(wèn)題的解決方案、解決問(wèn)題的情況和研究結(jié)果。 最后結(jié)合中學(xué)生互評(píng)和班主任評(píng)價(jià)給出綜合結(jié)果，優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案申報(bào)SRTP項(xiàng)目、國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目等，優(yōu)秀論文推薦在期刊發(fā)表，并對(duì)優(yōu)秀中學(xué)生的研究成果進(jìn)行表彰和獎(jiǎng)勵(lì)。 評(píng)價(jià)體系如圖4所示。
圖4 評(píng)估體系
4 尾聲
核化學(xué)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新嘗試。 我們采用虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的方法，從硬件條件、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)信息、實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行建設(shè)。在核化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將中學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)與中學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合。社會(huì)人才的需求。
目前，開(kāi)放式核化學(xué)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)正處于實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段。 基于該平臺(tái)，已成功申報(bào)2項(xiàng)教學(xué)改革項(xiàng)目和1項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目； ，課堂活躍，療效明顯； 中學(xué)生評(píng)價(jià)高：很喜歡這些開(kāi)放、獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法和考核形式，認(rèn)為公平、有發(fā)展空間（學(xué)生評(píng)價(jià)）。 在后續(xù)工作中，我們示范中心將繼續(xù)堅(jiān)持和推廣這一教學(xué)模式，舉辦更多的科研項(xiàng)目和創(chuàng)新活動(dòng)，促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。
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