基于高校大型儀器設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索實(shí)踐研究

俞有幸+畢曉昉+郝維昌

摘要：大型儀器設(shè)備是高校教學(xué)和科研的寶貴資源，合理有效地利用高校大型儀器設(shè)備資源開展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要環(huán)節(jié)，也是提高高校大型儀器設(shè)備利用效率的重要途徑。一直以來，大型儀器設(shè)備由于臺套數(shù)不夠，限制了基于大型儀器設(shè)備開展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作。啟發(fā)創(chuàng)新思維、提出可行方案、突破臺套數(shù)限制，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)基于大型儀器設(shè)備開展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：透射；教學(xué)；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0263-02

一、引言

隨著國家對教育和科研的持續(xù)投入，大型儀器設(shè)備在各個高校的普及率越來越高。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國范圍內(nèi)50萬以上的大型儀器設(shè)備中，有40%分布在高校中[1]。2015年初國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》中明確指出，提高高校大型科研儀器的開放程度，進(jìn)一步提高科技資源利用效率是當(dāng)前的重要任務(wù)。大型儀器設(shè)備面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放，是提高大型儀器設(shè)備資源利用率的有效途徑之一。一直以來，大型儀器設(shè)備由于價格昂貴、設(shè)備精密、操作復(fù)雜、科研任務(wù)繁重等種種原因，僅能承擔(dān)部分研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，真正面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放的力度普遍不夠。

二、基于高校大型儀器設(shè)備開展本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)思想

“本-研一體化”是近年來國內(nèi)外高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要發(fā)展趨勢，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的有機(jī)整合，將本、研兩種教學(xué)模式優(yōu)勢互補(bǔ)，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)符合時代需要的創(chuàng)新型人才，滿足國家未來發(fā)展對知識和技術(shù)創(chuàng)新型人才的戰(zhàn)略需求[2]。本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心并不是簡單地讓本科生和研究生共享實(shí)驗(yàn)資源、共同參與教學(xué)，而是將“研究型”、“創(chuàng)新型”、“個性化”教學(xué)理念貫徹到實(shí)驗(yàn)學(xué)員選擇、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、實(shí)驗(yàn)知識講授、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、學(xué)習(xí)效果測評到課程結(jié)束后的延續(xù)學(xué)習(xí)等各個環(huán)節(jié)中的全新教學(xué)模式，是教學(xué)模式的本質(zhì)創(chuàng)新，旨在鼓勵對科研感興趣的本科學(xué)生提前接觸科研，培養(yǎng)本科學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力，同時提升研究生的科研能力和科學(xué)素養(yǎng)。

大型儀器設(shè)備往往承載了研究和開發(fā)的先進(jìn)理念，同時也是先進(jìn)制造和分析技術(shù)的集中體現(xiàn)[3]。將“本-研一體化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與高校大型儀器設(shè)備有機(jī)結(jié)合，不僅更能體現(xiàn)“研究型”、“創(chuàng)新型”本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，而且還能彌補(bǔ)大型儀器設(shè)備臺套數(shù)方面的不足，為進(jìn)一步提升高校大型儀器設(shè)備的利用效率提供了創(chuàng)造性思路。

三、基于透射電子顯微鏡開展本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索

1.課程的定位。北航一直以培養(yǎng)未來領(lǐng)軍和領(lǐng)導(dǎo)人才為目標(biāo)，堅(jiān)持“把一流學(xué)生培養(yǎng)成一流人才”的育人理念，在人才培養(yǎng)中創(chuàng)造知識，在創(chuàng)造知識中培育人才，尊重學(xué)生個性特點(diǎn)，實(shí)施有溫度的教育[4]。實(shí)驗(yàn)課程的宏觀定位也應(yīng)緊密圍繞“一流人才”、“創(chuàng)造創(chuàng)新”、“個性化”的人才培養(yǎng)宗旨，鼓勵和幫助有志于科學(xué)研究的一流學(xué)生提前進(jìn)入科研，經(jīng)歷真實(shí)科研過程，以研究任務(wù)為導(dǎo)向，充分挖掘?qū)W生的科研潛力和創(chuàng)新潛能，為綜合性大學(xué)“研究型”、“創(chuàng)新型”的人才培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù)。

2.平臺的介紹。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（以下簡稱“中心”）成立于2001年。中心堅(jiān)持以培養(yǎng)材料科學(xué)與工程高素質(zhì)、寬口徑創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，“以大專業(yè)、自主式為核心，增強(qiáng)實(shí)踐能力，培養(yǎng)協(xié)作精神，提升研究素質(zhì)，強(qiáng)化創(chuàng)新意識”為實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，2008年被評為“北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”，2016年被評為“國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”。中心現(xiàn)有專職人員50人，其中正高20人，副高17人。擁有包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針、原子力顯微鏡在內(nèi)的各類大型儀器設(shè)備二十余臺，在材料制備、材料結(jié)構(gòu)表征、材料物理和化學(xué)性能表征等方面積累了豐富的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

3.學(xué)員的選擇。選課機(jī)制決定了培養(yǎng)對象，唯有合理的選課機(jī)制才能保障實(shí)驗(yàn)資源的最大利用和培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。基于“一流人才”、“創(chuàng)造創(chuàng)新”、“個性化”的人才培養(yǎng)宗旨，我們探索了雙向選課機(jī)制：學(xué)生根據(jù)自己的時間、興趣與愛好自主報名參加課程學(xué)習(xí)；教師根據(jù)學(xué)生的知識背景、學(xué)習(xí)興趣、動手能力等綜合因素對報名學(xué)生進(jìn)行選拔。

4.課程的開展。課程選拔了10名本科生和10名研究生共同進(jìn)行為期兩周的透射電子顯微分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，以這20名學(xué)員作為研究群體，分兩批次（每批次為5名本科生和5名研究生）研究和完善從學(xué)員分組搭配、實(shí)驗(yàn)知識課堂講授、實(shí)驗(yàn)技術(shù)上機(jī)教學(xué)、學(xué)習(xí)效果上機(jī)測評、實(shí)驗(yàn)結(jié)果講解與分析到課程結(jié)束后的延續(xù)學(xué)習(xí)等各個環(huán)節(jié)中的“本-研一體化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在學(xué)員分組搭配環(huán)節(jié)，應(yīng)最大程度結(jié)合本科生與研究生的各自特點(diǎn)，鼓勵不同知識層次、不同知識架構(gòu)的學(xué)員相互交流與合作，鼓勵他們共同學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。探討了不同分組方式對學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果的影響，發(fā)現(xiàn)由1名本科生和1名研究生自由搭配的分組方式是最為科學(xué)、合理的分組方式。

在實(shí)驗(yàn)知識課堂講授環(huán)節(jié)，研究多因素多目標(biāo)導(dǎo)向的分層次啟發(fā)式教學(xué)方法。綜合學(xué)員的各自特點(diǎn)、從“基礎(chǔ)”、“拔高”、“超越”等各個角度進(jìn)行授課，并且著重于精講多練、精講多思、精講多動，并按照難度從低到高的遞進(jìn)式、啟發(fā)式方法進(jìn)行討論。同時，試驗(yàn)了“本-研討論賽”、“小組PK競賽”等多種形式的學(xué)生主動參與模式。

在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上機(jī)教學(xué)環(huán)節(jié)，研究以目的為導(dǎo)向的動手能力培養(yǎng)方法。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)達(dá)到基本目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對于不同專業(yè)背景和知識興趣的小組提供不同特色的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并根據(jù)小組特點(diǎn)與未來專業(yè)發(fā)展凝練典型實(shí)例，進(jìn)一步可以將科研項(xiàng)目中分解的小任務(wù)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識。

5.課件體系、教學(xué)測評及反饋體系的開發(fā)。從兩個維度開展適用于本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可定制課件體系的研究。第一個維度需從廣度來研究各種材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，按照金屬、陶瓷、復(fù)合材料、納米材料等不同的材料結(jié)構(gòu)要求，對各類材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，按照顯微結(jié)構(gòu)分析要求的從低到高順序，知識點(diǎn)集合隨之增大。按照知識點(diǎn)集合來建立橫向課件體系。第二個維度需從深度來研究關(guān)鍵知識點(diǎn)的多層次擴(kuò)展集合，對于某一關(guān)鍵性知識點(diǎn)（如電子衍射），根據(jù)掌握不同層次、不同難度、不同特點(diǎn)的要求，建立知識點(diǎn)縱向擴(kuò)展集合。并在此基礎(chǔ)上建立縱向課件體系。

6.學(xué)員反饋。學(xué)習(xí)結(jié)束半年后，我們對所有學(xué)員進(jìn)行了回訪，獲得了學(xué)員們的反饋。學(xué)員普遍反映本-研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中研究生并不一定比本科生有優(yōu)勢，部分本科生甚至表現(xiàn)出比研究生更好的學(xué)習(xí)能力和動手實(shí)踐能力，這和我們最后的學(xué)習(xí)測評結(jié)果是相符的。據(jù)統(tǒng)計，十名本科學(xué)員中一半以上選擇繼續(xù)攻讀研究生，其中包括一名本科生出國深造，他們普遍認(rèn)為這樣能親手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)機(jī)會很寶貴，不僅開闊了眼界，而且提高了動手能力，讓他們更早地接觸科研，激發(fā)了他們對科研的興趣，同時認(rèn)為這次學(xué)習(xí)將會對于他們將來的研究工作起到重要作用。

四、結(jié)論

本文基于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的透射電子顯微鏡開展了基于大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究。研究表明，通過開展本-研一體化教學(xué)不僅可以有效改善因大型設(shè)備臺套數(shù)不足帶來的限制問題，而且能夠促進(jìn)本科生和研究生的交流與學(xué)習(xí)效果，起到“1+1>2”的效果。

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