現(xiàn)代信息技術(shù)在研究生大型儀器教學(xué)中的探索

李哲煜，孫 凱，陳忠林

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150090）

隨著基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)教育向信息化教育的轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為研究生教育教學(xué)的必然趨勢。可持續(xù)性教育、生態(tài)教育與環(huán)境教育是現(xiàn)代教育追求的目標(biāo)，知識(shí)的輸入、輸出、學(xué)習(xí)、整理與改進(jìn)構(gòu)成教學(xué)體系的生命周期?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教學(xué)成就了教育內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的協(xié)同轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了教育理念和教學(xué)資源的發(fā)揚(yáng)承載，助推了信息技術(shù)和教學(xué)模式的融合創(chuàng)新。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)踐教學(xué)中的大型儀器教學(xué)作為特殊形態(tài)的基礎(chǔ)教學(xué)，已經(jīng)成為研究生教學(xué)中非常重要的組成部分。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代信息技術(shù)運(yùn)用于研究生大型儀器實(shí)踐教學(xué)，推動(dòng)傳統(tǒng)教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，將促進(jìn)研究生教育與培養(yǎng)向長足的、良性的生態(tài)循環(huán)發(fā)展。

一、研究生大型儀器教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的大型儀器實(shí)踐教學(xué)以教師為主體，通常采用先講后做的教學(xué)模式，即先講授原理加演示操作，再指導(dǎo)實(shí)踐的教學(xué)方法。由于大型儀器的特殊性，尤其是精密大型儀器設(shè)備，受儀器數(shù)量及場地條件限制，課堂占用時(shí)間較長，學(xué)生上機(jī)操作時(shí)間有限，不能獲得充分的實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)演示樣品單一化或標(biāo)準(zhǔn)化，使實(shí)踐教學(xué)針對性差，不能和學(xué)生的實(shí)際研究緊密結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生在大型儀器實(shí)踐教學(xué)中缺乏主動(dòng)性、走過場、易遺忘[1-2]。

傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式中的多媒體教學(xué)內(nèi)容豐富、信息量大，卻往往是利用信息化手段的教材搬家。師生互動(dòng)交流減少，知識(shí)獲取不是理想化的循序漸進(jìn)，而是受到一定程度的負(fù)面影響，信息量的增大，學(xué)生思維跟不上信息呈現(xiàn)的速度，會(huì)導(dǎo)致知識(shí)難以被其及時(shí)消化理解。學(xué)生變成知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的存儲(chǔ)器，缺乏能動(dòng)性和創(chuàng)造性。

二、現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代信息技術(shù)的教學(xué)模式，大大拓展了線下實(shí)體課堂的容量與形式，主要包括慕課、SPOC、微課及翻轉(zhuǎn)課堂等。慕課不設(shè)門檻，難度與學(xué)時(shí)差距大，針對性弱，互動(dòng)度低。SPOC 設(shè)置限制準(zhǔn)入條件，學(xué)習(xí)強(qiáng)度、學(xué)時(shí)數(shù)和參與度彌補(bǔ)了慕課的不足，但往往教學(xué)節(jié)奏快、學(xué)習(xí)壓力大，易造成消化不暢、鞏固不足。微課以知識(shí)點(diǎn)為單元，學(xué)習(xí)時(shí)間短，注意力易集中，便于理解。但微課通常知識(shí)散碎，缺乏主線，導(dǎo)致重難點(diǎn)等教學(xué)環(huán)節(jié)不突出。翻轉(zhuǎn)課堂采用學(xué)生利用在線資源自主學(xué)習(xí)在先，課堂互動(dòng)及實(shí)踐在后的教學(xué)模式，首尾呼應(yīng)，任務(wù)明確，針對性強(qiáng)。然而在線平臺(tái)無法確保學(xué)生自主學(xué)習(xí)真實(shí)有效，線下課程往往成為線上課程的補(bǔ)充。

大型儀器教學(xué)具有其特殊性，教學(xué)中更需要實(shí)際操作、個(gè)性實(shí)踐，不僅原理部分十分重要，樣品的預(yù)處理、實(shí)操上機(jī)更是環(huán)環(huán)相扣[3]。越是精密的大型儀器操作越復(fù)雜，多媒體課堂及線上課程往往只能起到基礎(chǔ)教程的作用，并且需要加工與取舍。學(xué)生操作大型儀器的經(jīng)驗(yàn)尚淺，往往怕字當(dāng)先，怕調(diào)參數(shù)，怕誤操作，更怕獨(dú)自操作，盲從多于自主；操作技能具有短期效應(yīng)；實(shí)操課時(shí)有限，后期使用頻率低，會(huì)造成短練問題[4-5]。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院研究生大型儀器實(shí)踐教學(xué)“掃描電鏡與能譜分析技術(shù)”為例，針對大型儀器教學(xué)中存在的問題，融合現(xiàn)代信息技術(shù)改革創(chuàng)新教學(xué)方法，設(shè)計(jì)靈活教學(xué)模式，豐富并合理有效地統(tǒng)和資源，進(jìn)行多元化教學(xué)，解決他主學(xué)習(xí)、斷片學(xué)習(xí)、孤獨(dú)學(xué)習(xí)和短練學(xué)習(xí)等問題，打造創(chuàng)維環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性，推進(jìn)研究生實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展。

三、基于現(xiàn)代信息技術(shù)的大型儀器實(shí)踐教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

（一）區(qū)塊化云端，打造資源精準(zhǔn)在線補(bǔ)給

大型儀器設(shè)備大多操作復(fù)雜，功能繁多。課上的實(shí)際操作與演練，信息量大，通常具有短期效應(yīng)，學(xué)生很難在一次教學(xué)過程中學(xué)會(huì)并熟練掌握，實(shí)驗(yàn)技能容易有所喪失，記憶模糊，出現(xiàn)“斷片兒”現(xiàn)象。構(gòu)建iLesson平臺(tái)，打造區(qū)塊化云端資源環(huán)境，把實(shí)驗(yàn)全過程區(qū)塊化，把復(fù)雜的操作分解，或按步驟分解，或按功能分解，使問題或操作簡單化。分解的區(qū)塊小單元以微視頻、微表單的形式存儲(chǔ)于云端，并相互關(guān)聯(lián)，然后以二維碼的形式附在儀器的相應(yīng)功能區(qū)。學(xué)生無論是在學(xué)習(xí)過程中，還是在今后的實(shí)踐過程中，不用上網(wǎng)去搜，直接按需掃碼即可隨時(shí)調(diào)取，精準(zhǔn)在線補(bǔ)給。

以掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，構(gòu)建掃描電鏡的iLesson云端教學(xué)資源平臺(tái)，掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)全過程按照主干流程設(shè)置七大區(qū)塊：實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)前處理，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備間操作，電鏡開機(jī)及檢測，能譜采集，電鏡關(guān)機(jī)，實(shí)驗(yàn)記錄與報(bào)告。各大區(qū)塊分解成小單元：實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)中包括掃描電鏡工作原理與結(jié)構(gòu)、能譜原理、離子濺射原理；實(shí)驗(yàn)前處理包括樣品的制樣方法與鍍膜；實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備間操作包括實(shí)驗(yàn)室溫濕度環(huán)境的監(jiān)控與管理，氣瓶的監(jiān)控、更換與標(biāo)識(shí)管理；電鏡開機(jī)及檢測操作包括開機(jī)方法，儀器真空度與電流電壓的監(jiān)控，能譜與電鏡的串口連接，卸真空，上樣，抽真空，樣品臺(tái)操控，加電壓，找樣品，工作距離的合理設(shè)置，參數(shù)調(diào)節(jié)以及拍攝；能譜采集包括數(shù)據(jù)采集、分析及報(bào)告輸出；電鏡關(guān)機(jī)包括樣品臺(tái)位置的初始化、電壓設(shè)置、樣品臺(tái)下樣、各級軟件的關(guān)閉、關(guān)電腦以及儀器的Standby 操作；實(shí)驗(yàn)記錄與報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件，儀器的真空狀態(tài)和電流電壓，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫方法，實(shí)驗(yàn)總結(jié)與問題反饋。

區(qū)塊化云端為信息化大型儀器實(shí)踐教學(xué)搭建了系統(tǒng)的資源平臺(tái)，極大地促進(jìn)了學(xué)生自主、自助的個(gè)性化學(xué)習(xí)。區(qū)塊化云端造就人性化的實(shí)驗(yàn)場景環(huán)境，有效解決知識(shí)學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練過程中的“斷片兒”問題及后續(xù)問題，有利于學(xué)生對出現(xiàn)的問題及時(shí)作出反應(yīng)，訓(xùn)練學(xué)生對知識(shí)的綜合與分解能力，提高分析與解決問題的能力，促進(jìn)他主學(xué)習(xí)向自主學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，有效且可持續(xù)地提升實(shí)驗(yàn)技能。

（二）建立實(shí)時(shí)在線多元化共享平臺(tái)

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式局限于教室與實(shí)驗(yàn)室，在有限的時(shí)間和空間里，知識(shí)的輸入和輸出是單向的。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段與資源，融入大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)。建立實(shí)時(shí)在線多元化共享平臺(tái)，學(xué)生不需要把自己限制在計(jì)算機(jī)旁，使用手機(jī)、平板等移動(dòng)終端設(shè)備，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，實(shí)時(shí)進(jìn)入共享。微信、QQ 等交流平臺(tái)強(qiáng)化師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，以及課程信息發(fā)布與共享；慕課網(wǎng)課平臺(tái)注重學(xué)生對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論的通識(shí)學(xué)習(xí)；在優(yōu)酷、嗶哩嗶哩等平臺(tái)上使用在線資源，加強(qiáng)學(xué)生對儀器原理與操作流程的整體認(rèn)識(shí)，促進(jìn)理解與感悟；自建iLesson 云端資源中的區(qū)塊化微視頻、微表單，從圖片、文字與影像上輔助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的學(xué)習(xí)和鞏固。

多元化的線上平臺(tái)豐富了信息化教學(xué)手段，使整個(gè)教學(xué)過程有學(xué)習(xí)、有感悟、有實(shí)踐、有鞏固。多元化共享延展了課堂，為學(xué)生提供了更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，保障線下實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)的順利進(jìn)行。學(xué)生由被動(dòng)的接受者轉(zhuǎn)變成主動(dòng)的積極參與者，促進(jìn)了學(xué)生的自主意識(shí)與合作意識(shí)。

（三）量身定制方案化教學(xué)

與本科教育相比較，研究生教育更加具有學(xué)術(shù)性和專業(yè)性。打破傳統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)格化的大型儀器實(shí)踐教學(xué)模式，上機(jī)樣品不是使用標(biāo)準(zhǔn)樣品，而是學(xué)生在研究過程中需要檢測的樣品。在實(shí)踐教學(xué)中打造個(gè)性化學(xué)習(xí)模式，通過QQ 或微信線上討論，以及線下面對面指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的研究方向、研究背景和課題要求，建立實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并通過多元化在線資源，提前把握儀器原理結(jié)構(gòu)、信號采集及分析方法，作好相應(yīng)的理論知識(shí)儲(chǔ)備。激發(fā)學(xué)生積極性和主觀能動(dòng)性的同時(shí)，配合以充分發(fā)揮儀器的性能，最終獲取可靠數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。結(jié)合掃描電鏡教學(xué)，實(shí)驗(yàn)前，確定樣品的來源、加工制備以及預(yù)處理手段。根據(jù)目標(biāo)樣品的形態(tài)特點(diǎn)、導(dǎo)電性、磁性、熱穩(wěn)定性等物理和化學(xué)性質(zhì)，做好樣品從取樣、清潔、裝臺(tái)到鍍膜的前處理，并注意微生物、灰塵、水汽和油脂的污染控制，以滿足掃描電鏡的觀察條件。實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)合儀器的原理和特點(diǎn)，操作方法得當(dāng)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)的選擇與配置，選擇信號探測器，匹配適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x，調(diào)節(jié)加速電壓、探針電流、光欄、亮度和對比度等條件和參數(shù)。拍攝時(shí)，注意樣品導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、磁性、環(huán)境噪音與震動(dòng)等對樣品成像的影響，采用合適的掃描模式、信噪等級等進(jìn)行拍照，以獲取優(yōu)質(zhì)的高分辨圖像。對應(yīng)掃描電鏡圖像以及目標(biāo)元素，選擇能譜的掃描方式，根據(jù)需要對樣品進(jìn)行元素分析。

量身定制的方案化教學(xué)極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，使學(xué)生成為知識(shí)信息的主動(dòng)構(gòu)建者，教師成為學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和組織者。學(xué)生在個(gè)性化學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)了信息獲取、信息分析與信息加工能力，提高了信息素養(yǎng)，獲得更優(yōu)質(zhì)的自主與能動(dòng)的特色智育。

（四）在線個(gè)性化陪伴教學(xué)模式，打造有溫度的教學(xué)

研究生的科研歷程通常不是群體性的，而是相對獨(dú)立的。獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)操作技能的掌握一定程度上決定了科研進(jìn)展的程度。在教學(xué)中，創(chuàng)造獨(dú)自操作的環(huán)境氛圍，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立上機(jī)的應(yīng)變能力，將成為大型儀器實(shí)踐教學(xué)中很重要的一環(huán)。

建立無教師環(huán)境下的在線個(gè)性化陪伴教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)高清配置，實(shí)時(shí)開麥在線，手機(jī)客戶端可在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在教學(xué)中，設(shè)置教師不在學(xué)生身邊的實(shí)戰(zhàn)場景。教師在演示實(shí)驗(yàn)后，置身儀器教學(xué)場地之外，訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)自操作，有問題可以隨時(shí)通過監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)和教師交流互動(dòng)。通過個(gè)性化空中陪伴，訓(xùn)練學(xué)生對問題的正確表達(dá)，促進(jìn)人機(jī)熟悉與磨合，消除學(xué)生對儀器的恐懼感，體驗(yàn)、適應(yīng)并排解未來獨(dú)自實(shí)驗(yàn)操作的孤獨(dú)感與無助感，為今后獨(dú)立操作作好鋪墊。如果在實(shí)驗(yàn)操作中，儀器出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，教師通過監(jiān)控教授學(xué)生常見小問題和故障類應(yīng)急處理方法，培養(yǎng)學(xué)生遇事不慌亂的心理素質(zhì)。每一名學(xué)生都在教師的陪伴下完成操作，然后又輔導(dǎo)和陪伴學(xué)生完成操作，在個(gè)性化陪伴模式下，實(shí)現(xiàn)了見習(xí)、實(shí)習(xí)和成果轉(zhuǎn)化三步驟，使實(shí)踐教學(xué)的效果達(dá)到最大化。

通過個(gè)性化陪伴實(shí)戰(zhàn)場景訓(xùn)練，學(xué)生將加深對儀器的理解，加快操作技能的掌握與提升。教師可以通過學(xué)生獨(dú)自操作和導(dǎo)師陪伴操作，把握學(xué)生對儀器操作不易掌握的難點(diǎn)、問題的共通點(diǎn)，有的放矢，改進(jìn)教學(xué)。教師不論走到哪里，只要帶著手機(jī)，就可以通過實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控影像了解學(xué)生的實(shí)時(shí)狀態(tài)，與學(xué)生實(shí)現(xiàn)可視化互動(dòng)，實(shí)時(shí)指導(dǎo)，解決問題，進(jìn)行在線個(gè)性化陪伴，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立與自信，增強(qiáng)其主動(dòng)性與能動(dòng)性。個(gè)性化陪伴場景線上指導(dǎo)教學(xué)構(gòu)筑實(shí)時(shí)在線指導(dǎo)與補(bǔ)給，使相對枯燥的大型儀器教學(xué)成為有溫度的教學(xué)。學(xué)生在溫暖相伴下，知識(shí)和技能得到有效的輸入與輸出，通過學(xué)習(xí)鞏固并強(qiáng)化教學(xué)效果，形成師生跨越空間的知識(shí)與技能的傳遞。

四、結(jié)論

研究生大型儀器教學(xué)不同于普通的課堂教學(xué)，其教學(xué)中更注重實(shí)際操作，個(gè)性實(shí)踐，學(xué)以致用，及時(shí)轉(zhuǎn)化。本文針對研究生大型儀器教學(xué)中存在的問題，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代信息技術(shù)，改變傳統(tǒng)的教與學(xué)的方式，構(gòu)建區(qū)塊化、多元化和個(gè)性化的多維交互教學(xué)模式。區(qū)塊化云端資源的精準(zhǔn)在線補(bǔ)給，多元化教學(xué)時(shí)空的延展與跨越，輔以針對性與有溫度的個(gè)性化陪伴，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與能動(dòng)性，提高了學(xué)生對知識(shí)技能的探知能力與自信心，促進(jìn)了學(xué)生獨(dú)立性和創(chuàng)造性的潛能開發(fā)，使大型儀器信息化實(shí)踐教學(xué)有效、高效、長效，從而進(jìn)一步優(yōu)化了研究生教學(xué)可持續(xù)性的、良好的、生態(tài)化的智慧教育環(huán)境。