“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)改革探索

蘇守政，張宏森，王樂樂

摘? ? 要：文章從應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，以“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程為載體，通過STEAM（集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多領(lǐng)域融合的綜合教育）理念對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革探索；從基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、科研素養(yǎng)層面，通過科學(xué)性、技術(shù)性、工程性、藝術(shù)性等方面相互整合的綜合性教學(xué)和考核評價方式，對學(xué)生的能力進(jìn)行培養(yǎng)，幫助學(xué)生提升利用多種儀器協(xié)同分析測試的能力，培養(yǎng)其運(yùn)用科學(xué)思維解決實際科研問題的科研素養(yǎng)，為培養(yǎng)“大國工匠”奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；教學(xué)改革；“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程；STEAM理念

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）04-0026-03

“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”是典型的應(yīng)用型課程，在材料、化學(xué)、生物、制藥等學(xué)科中具有重要地位，是從事材料制備、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝等相關(guān)工作應(yīng)具備的知識。“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程由理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分組成，教學(xué)過程中理論和實踐并重。理論知識需要通過實踐活動才能被學(xué)生更好地消化吸收，課程開展的最終效果也是通過學(xué)生對現(xiàn)代分析測試技術(shù)應(yīng)用的熟練度來反映。目前，“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程中涉及的儀器分析方法已有十余種，但每種儀器的原理、結(jié)構(gòu)、操作方法等完全不同，各自形成獨(dú)立的知識體系，要熟練掌握每種儀器存在一定難度。此外，在教學(xué)過程中還存在諸多問題，如學(xué)生經(jīng)常反映課程內(nèi)容不易理解，學(xué)習(xí)興趣不高，更達(dá)不到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的[1]。

STEAM理念教學(xué)原指一種融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的教育模式，通過跨學(xué)科、多層次應(yīng)用的綜合概念，將知識的獲取和工具的使用，以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程有機(jī)地聯(lián)系在一起，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決問題的能力[2]。文章借鑒STEAM理念教學(xué)的優(yōu)勢，提出了一種由科學(xué)性、技術(shù)性、工程性、藝術(shù)性等方面相互整合的綜合性教學(xué)和考核評價方式，引入“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程。科學(xué)性指知識體系構(gòu)建的科學(xué)性；技術(shù)性指基本技能的學(xué)習(xí)和掌握；工程性指實際應(yīng)用與分析；藝術(shù)性指從“技術(shù)”到“藝術(shù)”的升華；數(shù)學(xué)統(tǒng)計指多維考核評價體系。STEAM理念教學(xué)通過建立多層次的教學(xué)目標(biāo)體系，以層層遞進(jìn)的方式使學(xué)生逐步理解和掌握現(xiàn)代分析測試技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代分析儀器解決實際科學(xué)問題的能力，為學(xué)生今后從事科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

一、“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)目標(biāo)

“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”是一門綜合能力要求很高的應(yīng)用型課程，要求學(xué)生掌握現(xiàn)代大型分析儀器的結(jié)構(gòu)、原理、使用方法及分析技術(shù)。課程的特點是既注重理論知識，又有極強(qiáng)的實踐性，旨在培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識技能深度分析和解決材料分析相關(guān)問題的能力[3]。STEAM理念教學(xué)注重知識、技能的有機(jī)整合和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動的多維度整合學(xué)習(xí)，這與“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程人才培養(yǎng)目標(biāo)相契合。基于此，在“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程中引入STEAM理念，從基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、科研素養(yǎng)3個層面，層層遞進(jìn)，使學(xué)生不僅能夠掌握儀器的基本理論知識和操作技能，還能將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐活動，具有解決實際科研問題的科研素養(yǎng)（表1）。

二、“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)設(shè)計

與一般理論課內(nèi)容前后銜接、層層遞進(jìn)不同，“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程是按照掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、X射線光電子能譜等儀器分章節(jié)講解，每個章節(jié)都是獨(dú)立成體系。每種儀器的理論基礎(chǔ)不同，功能特性差異也很大，知識結(jié)構(gòu)具有發(fā)散性，很難保證學(xué)生能掌握所有儀器的使用方法。此外，隨著當(dāng)前大型儀器逐漸取代傳統(tǒng)玻璃儀器，現(xiàn)代分析測試技術(shù)在新材料研發(fā)和應(yīng)用中的重要性進(jìn)一步凸顯。因此，如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握常用分析測試設(shè)備，綜合運(yùn)用現(xiàn)代分析測試相關(guān)知識和分析技能解決實際科研問題，是當(dāng)前“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程教學(xué)設(shè)計的重要方向。

目前，“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程還存在以下不足。

（1）現(xiàn)代分析測試儀器基本為集成化設(shè)計，工作原理、結(jié)構(gòu)等方面的知識多采用示意圖進(jìn)行描述，學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)的了解多停留在表面認(rèn)識上；（2）理論課和實驗課課時比例不合理，學(xué)生動手時間太短，僅僅會基本的操作，無法熟練掌握；（3）實驗課內(nèi)容過于單一，分析測試內(nèi)容僅為幾種展示型材料，與實際科研工作的需求出現(xiàn)斷裂；（4）大型儀器價格昂貴，套數(shù)較少，只能是多名學(xué)生共用一臺，加之操作時間不足，學(xué)習(xí)效果不理想；（5）一些儀器因為裝置復(fù)雜、操作技術(shù)要求高、耗材貴等原因限制了對其的使用。

針對上述問題，基于“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、科研素養(yǎng)3個層面的教學(xué)目標(biāo)，從科學(xué)性、技術(shù)性、工程性、藝術(shù)性角度進(jìn)行課程設(shè)計（表2），專項性對學(xué)生的能力進(jìn)行培養(yǎng)，做到條理清晰、應(yīng)用性強(qiáng)。首先，學(xué)生必須熟練掌握課程中儀器的基本理論知識和使用方法，這是課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，涉及知識體系構(gòu)建的科學(xué)性；其次，教師指導(dǎo)學(xué)生能夠利用多種儀器協(xié)同對熱點材料或典型材料進(jìn)行分析，深層次掌握多種儀器使用的同時使結(jié)果具有美觀性，涉及技術(shù)性、工程性和藝術(shù)性；最后，通過分析實驗、科研實驗、科學(xué)競賽等方式培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維解決實際科研問題的科研素養(yǎng)，提高學(xué)生的實踐水平和綜合能力，增強(qiáng)學(xué)生從事科研事業(yè)的信心。

以哈爾濱工程大學(xué)為例，在基礎(chǔ)知識掌握層面，結(jié)合學(xué)校現(xiàn)有的儀器設(shè)備，根據(jù)材料類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求，對課程內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，科學(xué)構(gòu)建適合材料類專業(yè)本科生和碩士研究生的“現(xiàn)代儀器分析測試技術(shù)”課程的課程體系。教學(xué)內(nèi)容按各種儀器分析方法的共性特點及材料分析領(lǐng)域應(yīng)用情況，分為以下3個教學(xué)模塊。（1）微區(qū)分析：掃描電子顯微分析、透射電子顯微分析、原子力顯微分析；（2）成分分析：X射線光電子能譜分析、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析、原子吸收光譜分析、離子色譜分析；（3）結(jié)構(gòu)分析：紅外光譜分析、核磁共振波譜分析、氣相色譜分析、液相色譜分析、質(zhì)譜分析、X射線衍射分析。

授課方式可采用課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、線上慕課、虛擬仿真等多種方式來保證學(xué)生對各種設(shè)備的理解和掌握，并通過多方面的拓展，幫助學(xué)生構(gòu)建健全完善的知識體系[4]。學(xué)生通過理論課和實驗課的學(xué)習(xí)，理解掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、X射線光電子能譜等儀器的原理、結(jié)構(gòu)并掌握基本操作方法；利用線上慕課可以突破地域和時間的限制，更自由、更方便地開展學(xué)習(xí)，加深對所學(xué)知識的理解；借助虛擬仿真軟件模擬儀器的內(nèi)部構(gòu)造、實驗室環(huán)境、操作步驟等，不僅能夠使學(xué)生從外而內(nèi)“解剖式”地了解儀器的結(jié)構(gòu)，還能有效解決大型精密儀器不足、教學(xué)資源有限等問題。

專業(yè)技能提升層面，包含STEAM理念中的技術(shù)性、工程性和藝術(shù)性，即具有掌握專業(yè)技術(shù)、實際應(yīng)用與分析、結(jié)果美觀3個屬性。課程設(shè)計選擇熱點材料或典型材料，如MXenes材料、MOFs類材料、石墨烯復(fù)合材料等，加強(qiáng)學(xué)生對掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、X射線光電子能譜等儀器在實際科研領(lǐng)域應(yīng)用的理解，培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)不同材料、不同需求選擇合適的儀器組合進(jìn)行測試分析的能力。學(xué)生在面對未知材料時，能夠利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對其形貌和表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用X射線衍射儀確定其物相組成，利用X射線光電子能譜等儀器表征成分的化學(xué)狀態(tài)、綜合分析材料的各種屬性，并使結(jié)果具有美觀性。

除此之外，教師還應(yīng)注重在課程設(shè)計過程中增加現(xiàn)代儀器分析測試技術(shù)在科研中重要性的介紹，并將最新科研成果融入教學(xué)中，提升課程教學(xué)的質(zhì)量。例如，2017年，瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson，表彰他們在“開發(fā)冷凍電子顯微鏡用于溶液中生物分子的高分辨率結(jié)構(gòu)測定”方面的貢獻(xiàn)[5]。冷凍電子顯微鏡的出現(xiàn)，使研究人員可以將從未見過的生物分子中間運(yùn)動過程可視化，對生物化學(xué)基礎(chǔ)研究和制藥的發(fā)展至關(guān)重要。中科院上海應(yīng)用物理研究所申淼和王建強(qiáng)研究團(tuán)隊在Angew. Chem. Int. Ed.上介紹了一種新型的熔融鹽輔助電化學(xué)刻蝕方法，制備出官能團(tuán)可調(diào)控的二維MXene材料[6]。刻蝕前后利用X射線衍射分析、高分辨率掃描透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析、核磁共振波譜分析和X射線光電子能譜對物相進(jìn)行表征，證明了目標(biāo)物的成功合成。

科研素養(yǎng)培養(yǎng)層面，教師鼓勵學(xué)生綜合運(yùn)用STEAM理念的科學(xué)性、技術(shù)性、工程性和藝術(shù)性解決實際科研問題，在實踐中提高學(xué)生的科研素養(yǎng)。具體可通過設(shè)置分析實驗和科研實驗來增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維分析測試的能力，加速知識從“學(xué)”到“用”的過程。教師還可采用競賽制的實踐能力培養(yǎng)模式，如定期開展“未知材料鑒定”“新材料成分分析與性能預(yù)測”“最美微觀世界”等基于“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程中設(shè)備應(yīng)用的比賽，根據(jù)比賽的專業(yè)性選擇有活力、有激情的年輕教師與學(xué)生共同設(shè)計參與[7]。在科研活動過程中踐行STEAM理念，不僅能夠鍛煉學(xué)生的綜合科研能力，還能培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)、獨(dú)立思考、積極創(chuàng)新的科研素養(yǎng)。

三、“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)考核評價體系

目前，“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程考核方式主要以期末卷面考試+實驗報告為主，兼顧課堂考勤、課堂互動、課后作業(yè)等。但由于實驗報告成績占比較少且普遍差距不大，平時成績評分又流于形式，因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)就是備考期末考試。“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”作為一門理論與實踐并重的課程，以“一考定成績”的考核評價方式是不合理的。課程的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生能夠利用儀器解決實際科研中的問題，卷面考試很難覆蓋所有的知識點和技術(shù)問題，全面性不足，存在明顯的重理論、輕實踐的傾向。此外，實驗報告作為反映學(xué)生實驗課表現(xiàn)的唯一指標(biāo)，也存在一定弊端[8]。這種側(cè)重卷面成績的考核評價方式，嚴(yán)重影響了學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的積極性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

為此，根據(jù)STEAM理念，按不同層面進(jìn)行教學(xué)課程設(shè)計更具有科學(xué)性和公平性，有助于提高學(xué)生實踐學(xué)習(xí)參與度和學(xué)習(xí)效果考核評價體系的客觀性，即基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、科研素養(yǎng)及附加分分別占比為40%、30%、20%和10%。基礎(chǔ)知識層面，考查學(xué)生在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、線上慕課、虛擬仿真教學(xué)中的學(xué)習(xí)情況，不僅包括對各種儀器理論知識的掌握程度的考核，還包括考勤、課堂參與度、課下溝通等學(xué)習(xí)態(tài)度的考核；專業(yè)技能層面，考核學(xué)生對儀器的協(xié)同應(yīng)用能力、綜合結(jié)果分析能力、深度思考能力等，注重實踐能力的考查；科研素養(yǎng)層面，考查學(xué)生在分析實驗、科研實驗、科學(xué)競賽等實踐活動中完成任務(wù)的能力、運(yùn)用科學(xué)思維解決問題的能力、團(tuán)隊溝通協(xié)作能力等；附加分可以包括創(chuàng)新思維能力、組織領(lǐng)導(dǎo)能力、團(tuán)隊責(zé)任意識、安全規(guī)范意識等[9]。“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程STEAM理念教學(xué)設(shè)計加大了實踐內(nèi)容的比重，更注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

為提高“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”課程的教學(xué)效果，文章提出了基于STEAM理念，從基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、科研素養(yǎng)3個層面層層遞進(jìn)，理論與實踐并重的教學(xué)模式。該模式注重知識體系構(gòu)建的科學(xué)性、專業(yè)技能掌握和應(yīng)用的技術(shù)性和工程性、結(jié)果的藝術(shù)性，并通過多維考核評價體系呈現(xiàn)，不僅有助于學(xué)生把所學(xué)儀器相關(guān)理論知識運(yùn)用到分析測試實踐中去，提升專業(yè)技能的應(yīng)用能力，還可以通過多維實踐活動充分理解理論知識，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，對于進(jìn)一步提高材料類學(xué)科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量，滿足國家、社會和用人單位的需求具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 艾云龍，郭正華，鄧翠貞，等.基于工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，構(gòu)建現(xiàn)代分析測試技術(shù)研究生“專業(yè)實踐”教學(xué)體系[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（1）：104.

[2]? 張雪，苗鳳華.“中體西用”在數(shù)學(xué)教育現(xiàn)代化背景下的現(xiàn)實意義：以STEAM課程為例[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2018（7）：160.

[3]? 蘇逸航，寧衛(wèi)紅，李億保.《現(xiàn)代分析測試技術(shù)》課程研究性教學(xué)探索[J].江西化工，2019（4）：215.

[4]? 陳娟，樊紅櫻，魏文嫻，等.分析測試技術(shù)課程線上線下混合教學(xué)模式探討[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報，2021，40（6）：103.

[5]? The Nobel Prize[EB/OL].（2018-12-11）[2022-05-01]. https：//www.nobelprize.org/prizes/literature/.

[6]? SHEN M， JIANG W Y， LIANG K， et al. One-Pot Green Process to Synthesize MXene with Controllable Surface Terminations using Molten Salts[J]. Angewandte Chemie-International Edition，2021，60（52）：27013-27018.

[7]? 陳君.師范類院校儀器分析實驗教學(xué)的常見問題分析及教學(xué)改革建議[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，43（9）：161.

[8]? 牛虧環(huán).大學(xué)生學(xué)習(xí)過程評價初探[J].高教發(fā)展與評估，2015，31（4）：6.

[9]? 賴穎.“新能源汽車技術(shù)”課程考核過程多維性評價體系構(gòu)建[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（16）：183.

編輯∕丁俊玲