“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學改革探索

蘇守政，張宏森，王樂樂

摘? ? 要：文章從應用型人才培養目標出發，以“現代分析測試技術”課程為載體，通過STEAM（集科學、技術、工程、藝術、數學多領域融合的綜合教育）理念對教學內容進行改革探索；從基礎知識、專業技能、科研素養層面，通過科學性、技術性、工程性、藝術性等方面相互整合的綜合性教學和考核評價方式，對學生的能力進行培養，幫助學生提升利用多種儀器協同分析測試的能力，培養其運用科學思維解決實際科研問題的科研素養，為培養“大國工匠”奠定基礎。

關鍵詞：實驗教學；教學改革；“現代分析測試技術”課程；STEAM理念

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

“現代分析測試技術”是典型的應用型課程，在材料、化學、生物、制藥等學科中具有重要地位，是從事材料制備、產品研發、生產工藝等相關工作應具備的知識。“現代分析測試技術”課程由理論教學和實踐教學兩部分組成，教學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生更好地消化吸收，課程開展的最終效果也是通過學生對現代分析測試技術應用的熟練度來反映。目前，“現代分析測試技術”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、結構、操作方法等完全不同，各自形成獨立的知識體系，要熟練掌握每種儀器存在一定難度。此外，在教學過程中還存在諸多問題，如學生經常反映課程內容不易理解，學習興趣不高，更達不到應用型人才培養的目的[1]。

STEAM理念教學原指一種融合了科學、技術、工程、藝術和數學的教育模式，通過跨學科、多層次應用的綜合概念，將知識的獲取和工具的使用，以及創新生產的過程有機地聯系在一起，強調培養學生的綜合素質和解決問題的能力[2]。文章借鑒STEAM理念教學的優勢，提出了一種由科學性、技術性、工程性、藝術性等方面相互整合的綜合性教學和考核評價方式，引入“現代分析測試技術”課程。科學性指知識體系構建的科學性；技術性指基本技能的學習和掌握；工程性指實際應用與分析；藝術性指從“技術”到“藝術”的升華；數學統計指多維考核評價體系。STEAM理念教學通過建立多層次的教學目標體系，以層層遞進的方式使學生逐步理解和掌握現代分析測試技術，培養學生運用現代分析儀器解決實際科學問題的能力，為學生今后從事科學研究奠定良好的基礎。

一、“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學目標

“現代分析測試技術”是一門綜合能力要求很高的應用型課程，要求學生掌握現代大型分析儀器的結構、原理、使用方法及分析技術。課程的特點是既注重理論知識，又有極強的實踐性，旨在培養學生能夠運用所學知識技能深度分析和解決材料分析相關問題的能力[3]。STEAM理念教學注重知識、技能的有機整合和科學素質的培養，倡導問題解決驅動的多維度整合學習，這與“現代分析測試技術”課程人才培養目標相契合。基于此，在“現代分析測試技術”課程中引入STEAM理念，從基礎知識、專業技能、科研素養3個層面，層層遞進，使學生不僅能夠掌握儀器的基本理論知識和操作技能，還能將所學知識應用于實踐活動，具有解決實際科研問題的科研素養（表1）。

二、“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學設計

與一般理論課內容前后銜接、層層遞進不同，“現代分析測試技術”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講解，每個章節都是獨立成體系。每種儀器的理論基礎不同，功能特性差異也很大，知識結構具有發散性，很難保證學生能掌握所有儀器的使用方法。此外，隨著當前大型儀器逐漸取代傳統玻璃儀器，現代分析測試技術在新材料研發和應用中的重要性進一步凸顯。因此，如何培養學生學習和掌握常用分析測試設備，綜合運用現代分析測試相關知識和分析技能解決實際科研問題，是當前“現代分析測試技術”課程教學設計的重要方向。

目前，“現代分析測試技術”課程還存在以下不足。

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

針對上述問題，基于“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學基礎知識、專業技能、科研素養3個層面的教學目標，從科學性、技術性、工程性、藝術性角度進行課程設計（表2），專項性對學生的能力進行培養，做到條理清晰、應用性強。首先，學生必須熟練掌握課程中儀器的基本理論知識和使用方法，這是課程學習的基礎，涉及知識體系構建的科學性；其次，教師指導學生能夠利用多種儀器協同對熱點材料或典型材料進行分析，深層次掌握多種儀器使用的同時使結果具有美觀性，涉及技術性、工程性和藝術性；最后，通過分析實驗、科研實驗、科學競賽等方式培養學生運用科學思維解決實際科研問題的科研素養，提高學生的實踐水平和綜合能力，增強學生從事科研事業的信心。

以哈爾濱工程大學為例，在基礎知識掌握層面，結合學校現有的儀器設備，根據材料類專業的培養目標要求，對課程內容進行整合優化，科學構建適合材料類專業本科生和碩士研究生的“現代儀器分析測試技術”課程的課程體系。教學內容按各種儀器分析方法的共性特點及材料分析領域應用情況，分為以下3個教學模塊。（1）微區分析：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射光譜分析、原子吸收光譜分析、離子色譜分析；（3）結構分析：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、質譜分析、X射線衍射分析。

授課方式可采用課堂教學、實驗教學、線上慕課、虛擬仿真等多種方式來保證學生對各種設備的理解和掌握，并通過多方面的拓展，幫助學生構建健全完善的知識體系[4]。學生通過理論課和實驗課的學習，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、結構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、更方便地開展學習，加深對所學知識的理解；借助虛擬仿真軟件模擬儀器的內部構造、實驗室環境、操作步驟等，不僅能夠使學生從外而內“解剖式”地了解儀器的結構，還能有效解決大型精密儀器不足、教學資源有限等問題。

專業技能提升層面，包含STEAM理念中的技術性、工程性和藝術性，即具有掌握專業技術、實際應用與分析、結果美觀3個屬性。課程設計選擇熱點材料或典型材料，如MXenes材料、MOFs類材料、石墨烯復合材料等，加強學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域應用的理解，培養學生能夠根據不同材料、不同需求選擇合適的儀器組合進行測試分析的能力。學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構進行分析，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狀態、綜合分析材料的各種屬性，并使結果具有美觀性。

除此之外，教師還應注重在課程設計過程中增加現代儀器分析測試技術在科研中重要性的介紹，并將最新科研成果融入教學中，提升課程教學的質量。例如，2017年，瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎頒發給Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson，表彰他們在“開發冷凍電子顯微鏡用于溶液中生物分子的高分辨率結構測定”方面的貢獻[5]。冷凍電子顯微鏡的出現，使研究人員可以將從未見過的生物分子中間運動過程可視化，對生物化學基礎研究和制藥的發展至關重要。中科院上海應用物理研究所申淼和王建強研究團隊在Angew. Chem. Int. Ed.上介紹了一種新型的熔融鹽輔助電化學刻蝕方法，制備出官能團可調控的二維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行表征，證明了目標物的成功合成。

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

三、“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學考核評價體系

目前，“現代分析測試技術”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，學生學習的主要目標就是備考期末考試。“現代分析測試技術”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。課程的核心目標是培養學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生實驗課表現的唯一指標，也存在一定弊端[8]。這種側重卷面成績的考核評價方式，嚴重影響了學生實踐學習的積極性，不利于培養學生的綜合能力。

為此，根據STEAM理念，按不同層面進行教學課程設計更具有科學性和公平性，有助于提高學生實踐學習參與度和學習效果考核評價體系的客觀性，即基礎知識、專業技能、科研素養及附加分分別占比為40%、30%、20%和10%。基礎知識層面，考查學生在課堂教學、實驗教學、線上慕課、虛擬仿真教學中的學習情況，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、課下溝通等學習態度的考核；專業技能層面，考核學生對儀器的協同應用能力、綜合結果分析能力、深度思考能力等，注重實踐能力的考查；科研素養層面，考查學生在分析實驗、科研實驗、科學競賽等實踐活動中完成任務的能力、運用科學思維解決問題的能力、團隊溝通協作能力等；附加分可以包括創新思維能力、組織領導能力、團隊責任意識、安全規范意識等[9]。“現代分析測試技術”課程STEAM理念教學設計加大了實踐內容的比重，更注重應用型人才的培養。

為提高“現代分析測試技術”課程的教學效果，文章提出了基于STEAM理念，從基礎知識、專業技能、科研素養3個層面層層遞進，理論與實踐并重的教學模式。該模式注重知識體系構建的科學性、專業技能掌握和應用的技術性和工程性、結果的藝術性，并通過多維考核評價體系呈現，不僅有助于學生把所學儀器相關理論知識運用到分析測試實踐中去，提升專業技能的應用能力，還可以通過多維實踐活動充分理解理論知識，增強學習的興趣和熱情，對于進一步提高材料類學科應用型人才的培養質量，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：

[1]? 艾云龍，郭正華，鄧翠貞，等.基于工程應用與創新能力培養，構建現代分析測試技術研究生“專業實踐”教學體系[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2018，32（1）：104.

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

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

[4]? 陳娟，樊紅櫻，魏文嫻，等.分析測試技術課程線上線下混合教學模式探討[J].武漢輕工大學學報，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的常見問題分析及教學改革建議[J].西南師范大學學報（自然科學版），2018，43（9）：161.

[8]? 牛虧環.大學生學習過程評價初探[J].高教發展與評估，2015，31（4）：6.

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

編輯∕丁俊玲