慕課背景下材料科學與工程專業大型儀器實驗教學模式探究

黃婷 袁志鐘

摘?要：大型儀器在材料科學與工程專業中具有重要的地位，正確合理地使用大型儀器可以促進科學研究的快速發展。由于大型儀器比較昂貴，傳統線下實驗課教學以課堂講解和演示為主，導致學生的學習效果不理想。因此，為了更好地開展實驗課教學，近年來各大高校逐漸將慕課教學引入實驗課教學中。本文以透射電子顯微鏡為例，提出開展大型儀器線上線下混合式教學模式，學生先利用慕課資源進行理論學習和模擬操作，隨后再開展線下實驗操作，以培養出同時具有扎實理論知識和良好操作技能的學生。

關鍵詞：慕課；大型儀器；透射電子顯微鏡；混合式教學

中圖分類號：G4??文獻標識碼：A

Exploring?the?Teaching?Mode?of?Large?Instrument?Experiments?in?Materials

Science?and?Engineering?under?the?Background?of?MOOC

—Take?Transmission?Electron?Microscopy?as?an?Example

Hang?Ting1，2?Yuan?Zhizhong2

1.Jingjiang?College?of?Jiangsu?University?JiangsuZhenjiang?212028；

2.Jiangsu?University?JiangsuZhenjiang?212000

Abstract：Large?instruments?play?an?important?role?in?the?field?of?materials?science?and?engineering，and?the?correct?and?reasonable?use?of?large?instruments?can?promote?the?rapid?development?of?scientific?research.Due?to?the?high?cost?of?large?instruments，traditional?offline?experimental?teaching?mainly?focuses?on?classroom?explanations?and?demonstrations，resulting?in?unsatisfactory?learning?outcomes?for?students.Therefore，in?order?to?better?carry?out?experimental?teaching，major?universities?have?gradually?introduced?MOOC?teaching?into?experimental?teaching?in?recent?years.Taking?the?Transmission?electron?microscopy?as?an?example，this?paper?proposes?to?carry?out?online?and?offline?hybrid?teaching?mode?for?largescale?instruments.Students?first?use?MOOC?resources?for?theoretical?learning?and?simulation?operation，and?then?carry?out?offline?experimental?operation，so?as?to?cultivate?students?with?solid?theoretical?knowledge?and?good?operating?skills.

Keywords：MOOC；Large?instruments；Transmission?electron?microscopy；hybrid?learning

在科學技術飛速發展的今天，材料科學已經成為促進我國國民經濟發展的支柱之一。航空航天、船舶車輛、新能源等領域的發展均離不開材料科學。材料科學與工程專業包含了金屬材料學、材料加工工程、無機非金屬專業等二級學科，這些學科涉及了材料的制備、研發、制造和使用等各個方面。材料科學與工程專業要求學生在掌握良好理論知識的基礎上，還要具有一定的實踐能力、創新能力和分析問題能力。為了鍛煉學生的實踐能力、創新能力和分析問題能力，開設了大量的實驗教學課程。實驗課程不僅包含了金相基礎、材料熱處理、材料焊接工藝等基礎實驗教學，還開設了與材料結構分析相關的大型儀器實驗教學，比如X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射的電子顯微鏡、X射線光電子能譜等。這些大型儀器實驗課程的開設極大地促進了本專業相關課題的研究，不僅提升了研究者的科研能力，而且還促進了我國相關領域的研究發展。然而，由于大型儀器都屬于精密儀器，不可能像專業基礎實驗一樣，讓每個學生親自動手操作儀器設備。因此，傳統的大型儀器實驗課開展時主要分為兩部分：

（1）實驗教師講解儀器構造和原理。

（2）實驗教師演示儀器操作步驟。

近年來隨著新型網絡教學模式的發展，慕課平臺被引進到各大高校，平臺上出現了大量實驗教學相關的教學資源［12］，為學生的實驗課學習提供了新的學習途徑。本文在慕課背景下，探究了材料科學與工程專業大型儀器實驗教學模式，旨在提高學生大型儀器實驗課的教學效果。

1?透射電子顯微鏡工作原理及儀器結構

透射電子顯微鏡［34］是利用電子的波動性，使電子束打在很薄的材料上，觀察透射電子束的成像或者衍射光斑，可以得到材料形貌信息和晶向等結構信息。它主要由三大系統組成。

（1）電子光學系統。電子光學系統分為照明系統、成像系統和觀察記錄系統。照明系統由電子槍和聚光鏡組成，電子槍是透射電子顯微鏡的電子源，常用的有鎢燈絲、六硼化鑭和場發射電子槍，其中場發射電子槍的電子發射能力最強。聚光鏡是將電子槍發射的電子束匯聚成一束平行度好、亮度高、穩定性高的光源照射在樣品上。一般采用雙聚光鏡系統。成像系統由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡是強勵磁、短焦距的電磁透鏡，放大倍數較高，作用是形成第一幅放大的像。中間鏡是弱勵磁長焦距的電磁透鏡，控制電鏡的總放大倍數，也可進行成像/衍射模式選擇。投影鏡是強勵磁、短焦距的電磁透鏡，可進一步放大中間鏡的像。觀察記錄系統的作用是將投影鏡放大的像，顯示在熒光屏上并使用CCD相機拍攝成像，用以觀察記錄。

（2）電源與控制系統。

（3）真空系統。

2?透射電子顯微鏡的分類

根據加速電壓的不同，透射電子顯微鏡分為三大類：

（1）低壓電鏡。這類電鏡的最高加速電壓為100kV/120kV，適用于生命科學、醫藥、高分子材料、納米材料等領域。由于加速電壓低，因此這類電鏡的電子束穿透力弱，對樣品的損傷小，拍攝的照片襯度高。

（2）中壓電鏡。這類電鏡的最高加速電壓為200kV/300kV，由于分辨率高，電子穿透力強，拍攝的照片分辨率高，但是對一些含有C、H、O等元素的樣品損傷大。

（3）超高壓電鏡。這類電鏡的最高加速電壓大于1000kV，具有超高穿透力，超高分辨，甚至可以達到原子級分辨率。

3?傳統透射電子顯微鏡實驗課教學存在的問題

透射電子顯微鏡是各大高等院校開展科學研究必不可少的分析手段，其應用學科涉及材料、生命科學、化學工業、新能源、機械等各個專業，因此透射電子顯微鏡實驗課是各個學院必須開設的實驗課之一。但是，透射電子顯微鏡屬于大型精密設備，各大高校購買的臺套數有限，且管理嚴格，因此在開展透射電子顯微鏡實驗課時存在以下問題。

3.1?以講解和演示操作為主，學生不能動手操作。

一般在實驗課前，實驗教師會強調透射電鏡的價值及其精密程度，讓學生在上課期間不能隨便碰觸，以免損壞儀器。課前，實驗教師會做好教學設計，提前準備好實驗樣品。上課時，直接給同學們講解本節實驗課的實驗目的、原理、實驗步驟及簡單的數據分析。講解完后，再由實驗教師上機進行演示操作。最后，請同學們課后完成實驗報告，而實驗報告內容大多是將實驗目的、實驗原理抄寫一遍，再做幾道簡答題即可。通過以上講解，雖然學生對儀器有比較直觀的了解，但是由于是初次見到實物機器，以及教師的操作也較快，他們不能完全實現對透射電子顯微鏡的理解，教學效果較差。當然，采用這種演示操作性實驗課教學法，也是能理解的。因為學生如果操作不當，出現失誤，造成設備損壞，那么維修是非常麻煩的。

3.2?實驗課時少，學生人數多

通常一個大型儀器實驗的學時數為2個學時，而一個班級的學生可能多達30人。透射電鏡室一般面積較小，無法容納這么多學生同時開展實驗教學工作。那么就得對學生進行分組，7～8人一組。而按照學時數來算，一個班級透射電子顯微鏡的學時數為2，加上課間休息時間為100分鐘，將這100分鐘分為4組，每組學生的上課時間僅有25分鐘。而在這25分鐘之內要講解實驗目的、實驗原理、實驗操作步驟等內容，顯然是不夠的。但是為了完成實驗教學任務，只能在上課時根據實際情況對個別內容進行刪減。在上課時，由于設備只有一臺，學生人數較多，就會出現站在后面的同學看不清操作過程的問題，也會極大地降低學習效果。

4?透射電子顯微鏡混合式實驗教學設計

由于傳統的線下透射電子顯微鏡實驗課教學效果很不理想，因此我們可以利用慕課網絡教育平臺，開展線上線下相結合的混合式實驗課教學［5］。具體可將實驗教學分為兩大模塊，一部分為慕課線上教學，一部分為實驗室線下教學。

4.1?慕課線上實驗教學設計

首先，實驗課教師需要制作優質的慕課微視頻，慕課微視頻的時間雖然短，但是其內容要精煉且豐富。視頻內容包括透射電子顯微鏡結構、原理、制樣步驟、操作步驟、操作注意事項以及數據分析處理方法等。要做到既簡單、詳盡，又易于理解。其次，在慕課平臺上設置練習題，檢測學生的視頻學習效果。最后，為了鍛煉學生對操作步驟的掌握情況，在條件允許的情況下可開發虛擬仿真軟件，讓學生在軟件上模擬操作，熟練操作步驟。

4.2?線下實驗教學設計

由于學生們已經在線上慕課教學環節，掌握了儀器的原理、構造、制樣及操作等內容，因此在開展線下實驗時，可以直接進入討論+操作環節。具體內容如下：首先，教師要對學生進行簡單提問，現場考察其知識掌握情況，尤其是操作步驟及操作注意事項。其次，在確定學生完全掌握操作步驟及注意事項的情況下，讓學生進行實驗操作。為了避免學生在操作時出現失誤，學生操作時教師仍時刻關注學生的每一個步驟。實驗教師要盡可能在時間允許的條件下，讓更多的學生動手實際操作。最后，課后要布置作業，作業內容即為學生拍攝照片的分析處理。

5?線上線下混合式教學存在的問題及相應對策

雖然線上線下混合式教學具有以上諸多優點，但是根據江蘇大學京江學院以往的教學經驗來看，仍然存在以下幾個方面問題。

（1）由于線上教學的時間和地點不固定，所以學生可以根據自身情況安排學習進度。也正是由于時間和地點上的自由性，導致部分自覺性較差的同學，不能按時完成慕課線上學習。進而達不到線上實驗課的學習效果，這會在很大程度上影響后續線下實驗課的效果。面對以上可能產生的問題，就要求實驗教師加強對學生的學習引導和監督。比如在學習任務發布之后，定期檢查學生的學習進度，及時提醒未按期完成學習任務的同學完成線上學習。

（2）根據材料科學與工程專業各類實驗課的考核經驗可知，目前實驗課的課后考核主要是提交實驗報告，而實驗報告的內容多為實驗步驟、實驗原理等內容的抄寫。雖然在線上學習環節中增加了習題考核，但是也僅限于理論知識考核，無法反映學生對實驗操作技能的真實掌握程度。如果能在實驗課后開展關于實驗課程和實驗數據分析等相關的考核，那么學生的學習效果將顯著提高。

（3）線上實驗課程內容偏向理論，雖然在線上也開展過有關實驗步驟和操作注意事項等方面的學習，但是實際操作時總會出現各種各樣的新問題。如果只是機械地按照慕課上的操作步驟進行操作，雖然學生可以在教師的監督下順利完成本節課的學習任務，但是日后若獨立開展科研工作時，肯定會遇到各種各樣的問題，那么此時學生可能無所適從，不知道如何解決問題。因此，在開展線下實驗教學時，可設計不同的實驗樣品，供學生進行檢測。也可設置一些簡單的問題實驗，讓學生進行思考，鍛煉他們的思考能力和解決問題的能力。

結語

在慕課背景下，采用線上線下相結合的混合式教學模式開展大型儀器的實驗課教學，可以培養出同時具有扎實理論基礎和良好操作技能的學生。這類學生在走上工作崗位之后，往往可以自如地運用所學知識分析和解決工作崗位中遇到的各種問題。尤其是當下網絡極其發達的時代，各大高校之間可以實現網絡教學資源共享，因此不同學校的學生還可根據自身對課程的掌握和理解程度，利用網絡教學課程查缺補漏，進一步提升自己的能力。本文所提出的大型儀器實驗課線上線下混合式教學的方法，非常值得推廣，其也不僅僅限于材料科學與工程專業。

參考文獻：

［1］田秀娟，魏文閣，張強，等.慕課背景下大型儀器實驗課程的建設與探討［J］.山東化工，2019，48（10）：169170.

［2］王丹丹.慕課資源助力儀器分析實驗教學翻轉課堂［J］.科技風，2017（1）：2223.

［3］陳江華.透射電鏡原子成像新技術在材料科學研究中的應用［C］//第七屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（第1分冊）.2010.

［4］陸彥，陳義芳，劉巧泉，等.透射電鏡技術研究生課程教學的現狀與改革初探［J］.山東化工，2021，050（022）：211213.

［5］陳娟，魏文嫻，肖金坤.疫情環境下大型儀器課程的五環節教學模式探索［J］.紹興文理學院學報，2022，42（12）：9397.

基金項目：江蘇高校哲學社會科學研究項目“金屬材料線下實驗與慕課相結合的教學模式研究”（2021SJA2401）

作者簡介：黃婷（1987—?），女，漢族，陜西眉縣人，博士，實驗師，研究方向：從事金屬材料制備與性能研究。