大型儀器實驗“金課” 的教學方法改革與探索*

方 萍, 李秀東, 吳紅苗, 胡六江, 許映杰

對于設有理工科專業的高校, 基本都配置了一大批高精尖的大型精密儀器設備, 這些儀器不僅是教師科研的重要保障,更是本科生和研究生開展實驗教學和畢業論文研究的“昂貴教具”。 目前我校分析測試中心就擁有大型精密儀器設備18 臺套, 資產近2000 萬, 在針對本科生的實驗教學中涉及到化學化工學院、 生命科學學院、 數理信息學院、 紡織服裝學院等多個學院。 化學、 藥學、 高分子材料與工程、 生物科學、 環境科學、 釀酒工程、 紡織工程、 物理學等多個專業就基于大型精密儀器開展了《現代分析測試技術》、 《儀器分析實驗》、 《綜合化學實驗》、 公選課《現代測試技術及應用》等多門課程, 同時每年還需要承擔大量的畢業論文和各類學生競賽測試工作, 均取得了不斐成績。 近3 年我校分析測試中心開展實驗實踐教學的測試機時數達3629 小時, 樣品個數達6052 個。

雖然大型儀器在學生培養方面立下了赫赫戰功, 但是目前在高校實驗教學方面的現狀, 具有典型的灌輸課堂、 封閉課堂、 重知輕行、 重學輕思的“水課” 特點。 因此要擠掉水分,提高課程的含金量, 努力把儀器實驗課程打造成學生喜愛的有深度、 有難度、 有挑戰度的“金課”[1-2]。 “金課” 最關鍵的要求為“兩性一度”: 高階性、 創新性和挑戰度[3], 要充分達到這三個要求, 需要教師們緊緊依據專業培養目標、 學生的知識層次和認知能力選擇合適的教學方式和教學手段來備課授課;同樣也需要學生們放下游戲、 停止追劇, 認認真真去學好每一門功課, 提升自己解決問題的能力和思維[4]。

1 大型儀器“水課” 現狀分析

總結高校基于大型儀器開展的各類實驗課程, 總體存在以下4 個共性問題[5-6]:

1.1 理論教學與實驗教學相分離

大型精密儀器實驗課程同時涉及近十種分析儀器的實驗操作, 由于每種儀器的原理構造、 操作過程和分析方法各不相同, 各專業、 各層次學生(本科生、 研究生)培養要求不同, 導致各個實驗內容比較獨立, 整體內容分散、 關聯性差。 學生先學理論, 在學習時對具體的儀器結構和操作沒有認知, 難以聯想。 理論部分全部學完后再開展實驗, 由于中間間隔時間較長, 待上實驗課時, 學生已經基本忘記儀器原理和結構, 導致對理論和實驗都毫無熱情。

1.2 實驗教學方式落后陳舊

大型精密儀器基本只有一臺套設備, 不像基礎實驗課可以每人或每組一臺套同時開展實驗教學, 所以就導致一個班級需要分批次輪流開課, 每組學生人數較多。 同時大型儀器價格昂貴, 維護保養成本高, 維修等待時間長, 為了避免學生操作不當損壞設備, 基本以演示性、 驗證性實驗為主, 學生獨立操作機會少, 設計性和創新性實驗則更少。

1.3 授課時間和空間受限

大型精密儀器安裝之后一般不能移動, 只能在儀器室開展教學, 部分儀器由于前處理時間久、 測樣時間長等原因, 需要學生多次來學習, 現在很多高校有不同校區, 學生們跨校區來回出入儀器室只為完成同一個實驗, 非常耗費學生時間和精力, 新冠疫情當下的現今, 還存在一定的風險性。 部分學校為了減少每組學生的人數, 增加了實驗批次, 由此就會延長實驗總體完成時間, 而且作為實驗指導教師, 同一實驗反復講述多遍, 也容易產生麻木疲勞。

1.4 考核方式單一

大型儀器課程一般分為理論與實驗操作兩部分進行單獨考核。 學生在學習理論部分時沒見過儀器, 全靠死記硬背, 不能充分理解運用; 實驗課的考核成績又是根據實驗報告批改打分, 由于是驗證性實驗, 結果基本一致, 導致實驗報告容易互相抄襲, 難以體現學生實驗過程的真實情況, 不能真正考核學生的掌握程度。

2 大型儀器“金課” 建設過程

目前運用“互聯網+” 技術在傳統教學中引入慕課, 采用線上線下相結合的互動學習模式, 可以快速提升教學的有效性, 更大程度地開發學生的創新能力, 提高科研素養, 對于提高教學質量有重要的意義[7-10]。 手機等諸多終端原先很多時候成為課堂教學最大的阻礙, 教師想盡辦法控制學生課堂玩手機, 學生則采取各種對策聊微信玩游戲, 跟老師完全無互動,因此課堂經常表現為教師的“一言堂”。 而在大型儀器的“金課” 教改過程中, 手機成為學生不受人數限制、 不受空間、 時間限制開展學習的工具, 由堵到通, 與時俱進。 通過在慕課中留言提問等形式, 允許學生拿出手機與教師互動, 提升學生個性化學習積極性, 很好地滿足了“金課” 高階性、 創新性和挑戰度的要求。 但是由于目前高校大型儀器實驗教學與普通課堂教學模式不同, 具有一定的特殊性, 引入慕課教學進展較為緩慢, 已經遠遠落后于其它課程的建設, 因此亟需進行教學改革。

大型精密儀器實驗教學的“金課” 教學改革可以拓展時空, 改變教學模式、 考核方式, 更注重過程教學, 讓等著學生來學習的大型儀器在如今的互聯網+時代“跑到” 網上, “追著” 學生隨時隨地去學。 使得大型儀器從一個固定的“昂貴教具” 角色轉型成為一個活躍的“線上網紅”, 提高學生對實驗課程的學習興趣和積極性。 圖1 為《現代分析測試技術》大型儀器實驗課為例的“金課” 建設體系圖, 從圖可以看出教改分四塊內容實施, 最終目的就是培養學生的各項能力, 滿足“金課” 專業人才培養目標。

圖1 《現代分析測試技術》 “金課” 建設體系圖Fig.1 “Golden Course” construction system diagram of Modern Analysis and Testing Technology

2.1 實驗內容整合為綜合設計性實驗

根據“金課” “兩性一度” 的關鍵要求, 結合大型精密儀器的教學現狀, 淘汰部分陳舊的演示、 驗證性“水課” 內容,整合成綜合設計性實驗。

以《現代分析測試技術》為例, 其中有1 個實驗項目《X-射線粉末衍射法(XRD)測定CeO2晶體結構及晶粒大小》, 共5 個課時, 學生分批進行, 每組學生15 人左右。 每次教師先利用1 個課時介紹XRD 的儀器原理、 設備結構和應用范圍, 1 個課時演示操作和分析過程, 2.5 個課時學生上手操作和分析, 最后0.5 個課時答疑和進行總結。 學生實際只有2.5 個課時能動手操作, 而且由于儀器空間受限, 只能在15 人的基礎上再分成5 個小組, 每個小組快速測一個教師早已準備好的CeO2樣品, 得到千篇一律的實驗結果, 課后學生提交的實驗報告也就容易互相抄襲, 十分雷同。 而在進行“金課” 建設后, 將會將此實驗和這門課程中的另一個實驗《材料類樣品的制備及透射電鏡(TEM)觀察》整合成以綜合設計性實驗形式開展的《納米CeO2的制備及其XRD 和TEM 表征分析》實驗, 合并后得到10 個課時, 學生分組進行文獻調研(課前)、 師生互動討論合成方案(1 個課時)、 用Ce(NO3)3·6H2O 制備CeO2(2 個課時), 最后拿著自己親自合成的樣品通過XRD 測定樣品的物相結構、 晶粒大小, 再進行TEM 實驗觀察形貌結構和尺寸大小(7 個課時), 大大增加了學生動手操作的時間。

2.2 制作慕課構建大型精密儀器實驗教學平臺

利用我校分析測試中心已有的網站, 增加一個“大型儀器慕課” 平臺板塊。 教師按照儀器功能編排章節, 把實驗涉及的儀器原理、 結構、 操作分析和注意事項等內容編制成慕課投放到該平臺上, 同時也添加其他高校的儀器分析國家精品在線開放課程[11]。 平臺內容涵蓋大型儀器的介紹, 慕課和虛擬仿真實驗等內容。 儀器的慕課制作可以采用虛擬仿真等多種方式和媒體工具進行制作, 原理部分可以結合理論知識和原理示意圖等進行清晰的講授[12-14]。 在結構的講解上更是能讓學生360 度無死角地觀看儀器的內在構造, 一些內置看不到的部件也可以3維顯現, 方便反復看, 快進看, 放慢看, 隨時看。 在測試操作內容上, 虛擬仿真實驗更具有得天獨厚的優勢, 讓原本需要等待很長時間或者是瞬間不易觀察的實驗操作過程可以以合適的速度虛擬進行測試操作和數據分析, 極大地提升了學習大型儀器課程的效率和熱情, 教學目標也更易實現。 本課題還聯合了紹興市疾病預防控制中心的主管檢驗技師, 利用疾控中心的大型精密儀器資源制作采用國標等各項標準對疾控樣品進行檢測的慕課教學內容, 使得教學內容更具實用性和校企合作特點。慕課讓學生更易掌握大型儀器的教學內容, 最重要的是還能置換出寶貴的實驗操作時間。 學生還可以在平臺討論區向教師提問交流, 或者同參與本課程的其他學生互相討論, 教師則可以根據反饋不斷完善和改進慕課和平臺內容, 提升了教師教學模式多樣化的能力和學生自主學習能力。

2.3 指導學生設計方案、 開展實驗獲取結果

將演示驗證性實驗整合成綜合設計性實驗, 增加了課程難度。 以《納米CeO2的制備及其XRD 和TEM 表征分析》為例,學生在完成慕課自學后, 需要根據實驗項目的內容分組調研討論樣品制備和分析測試的條件并形成方案(課前)、 與教師討論合成路線(1 個課時)、 制備實驗(2 個課時), 上儀器操作課(7 個課時: 1 個課時精講儀器重點內容+6 個操作課時)。 因為XRD 和TEM 實驗室相鄰, 學生還可以交叉進行兩個實驗的測試, 更加綜合利用了寶貴的課堂時間。 這一過程鍛煉了學生文獻檢索能力、 分析問題的能力、 團隊協作能力、 表達能力和動手操作儀器設備的能力。

由于樣品由學生親自合成, 測試條件也由小組討論確定,再在教師的指導下進行測試和結果分析, 所以課后的實驗報告經過學生認真撰寫也能得到百花齊放的結果, 教師也更容易從報告中評價學生的實驗成績。 所以根據大型儀器的“金課” 教學改革過程, 從表1 的教學實施安排表中可以看出: 一條主線, 聚焦于學生的學, 一條輔線, 聚焦在教師的教, 兩條線同步融合開展。

表1 《現代分析測試技術》 “金課” 實驗教學實施安排表Table 1 “Golden course” experimental teaching implementation schedule of Modern Analysis and Testing Technology

2.4 考核方法

經過“金課” 建設后的課程考核方法也更加多樣客觀, 一共分成4 項內容進行實驗課程成績的評價。 ①大型精密儀器慕課需要學生參與在線小測試, 考核學生的課前預習(20%);②教師通過學生介紹方案以及互動的過程考核學生的文獻調研能力、 團隊協作能力、 分析問題的能力(10%); ③學生動手上機操作大型儀器進行測試和分析的過程考核學生的實驗動手能力(20%); ④實驗報告綜合考核學生的實驗成績(50%)。 這四部分成績相加可以客觀真實地反映學生的大型儀器實驗課的掌握程度。 大型儀器課程考核方法的改革最終能使學生掌握理論知識和儀器操作分析, 激發學生對大型儀器課程的興趣, 提高學生的創新思維能力和運用綜合知識解決問題的能力。

3 大型儀器“金課” 教學改革意義

大型儀器的“金課” 教學改革, 將演示驗證性實驗改革為綜合設計性實驗, 通過“金課” 建設增加慕課內容, 構建大型儀器實驗教學平臺, 從而切實提高課程教學質量, 培養學生各

項能力, 滿足專業培養目標。

3.1 慕課增加大型精密儀器課程內容的前沿性和時代性

摒棄陳舊淘汰的大型儀器課程內容, 結合教師的科研項目和地方企業實際需求的項目, 由淺入深、 由基礎到綜合設計以項目形式整合教學內容。 例如將本校開設的《現代分析測試技術》中的兩個實驗, 整合成以綜合設計性實驗形式開展的《納米CeO2的制備及其XRD 和TEM 表征分析》。 這一課程改革融入了教師無機納米材料的科研項目, 從查資料、 分組討論、 制備、 合成、 實驗表征一直到形成報告, 就能很好體現課程的前沿性和時代性。

3.2 構建大型精密儀器實驗教學平臺, 提升教學形式的先進性和互動性

進行“金課” 打造后, 利用測試中心已有的網站, 構建一個大型儀器的實驗教學平臺板塊, 將儀器慕課和虛擬仿真實驗放入該模塊, 方便學生在線上開展課前的慕課學習。 教師結合本校現有的大型儀器廠家型號, 針對性地制作慕課, 內容包括儀器的原理、 構造和操作分析等具體內容。 還協同紹興市疾控中心的資源制作疾控檢測流程的慕課教學內容。 在慕課學習中, 帶有小測試, 形成過程考核的分項成績。 師生之間還能留言互動, 這一突破時間和空間限制的學習, 從“以教為中心”轉變為“以學為中心”, 與時俱進地提升了教學模式的先進性和互動性。

3.3 強化學習過程的探究性和個性化

通過實驗前的慕課學習和將驗證性實驗整合成綜合性實驗, 需要學生分組進行文獻調研、 討論合成路線、 進行制備實驗, 最后上儀器操作課。 在實驗測試過程中, 要求學生提供調研的測試條件, 再經過教師的指導進行測試分析, 由于樣品自行合成, 條件自己摸索, 所以整個實驗就極具探索性, 結果也不再千篇一律, 教師也就能準確的通過實驗報告對學生的實驗過程進行評價考核。

3.4 增加課程考核結果的客觀性和多樣性

改革后實驗課程的考核由4 部分組成, 與之前只有預習報告(15%)+平時成績(15%)+實驗報告(70%)的考核方式相比,調整為慕課測試(20%)+方案介紹(10%)+上機操作(20%)+實驗報告(50%)這4 項考核內容, 能更客觀和多樣化的評價學生對這門課的學習掌握程度。

4 結 語

通過“金課” 要求進行課程建設后, 將《現代分析測試技術》這門課運用當前的“互聯網+” 技術構建大型儀器實驗教學平臺, 添加慕課和虛擬仿真等內容, 再整合實驗內容改為綜合設計性實驗。 提高了大型精密儀器實驗教學的課堂效率, 將信息化技術與實驗教學相融合, 提高了學生對大型儀器實驗課程的學習興趣和積極性, 對于高校培養能探索問題、 解決問題的創新型、 應用型、 技術型化學化工人才具有極大的推動力, 為推廣“金課” 教學模式提供可靠的理論依據和實踐參考。