大型仪器实验“金课” 的教学方法改革与探索*

方 萍, 李秀东, 吴红苗, 胡六江, 许映杰

对于设有理工科专业的高校, 基本都配置了一大批高精尖的大型精密仪器设备, 这些仪器不仅是教师科研的重要保障,更是本科生和研究生开展实验教学和毕业论文研究的“昂贵教具”。 目前我校分析测试中心就拥有大型精密仪器设备18 台套, 资产近2000 万, 在针对本科生的实验教学中涉及到化学化工学院、 生命科学学院、 数理信息学院、 纺织服装学院等多个学院。 化学、 药学、 高分子材料与工程、 生物科学、 环境科学、 酿酒工程、 纺织工程、 物理学等多个专业就基于大型精密仪器开展了《现代分析测试技术》、 《仪器分析实验》、 《综合化学实验》、 公选课《现代测试技术及应用》等多门课程, 同时每年还需要承担大量的毕业论文和各类学生竞赛测试工作, 均取得了不斐成绩。 近3 年我校分析测试中心开展实验实践教学的测试机时数达3629 小时, 样品个数达6052 个。

虽然大型仪器在学生培养方面立下了赫赫战功, 但是目前在高校实验教学方面的现状, 具有典型的灌输课堂、 封闭课堂、 重知轻行、 重学轻思的“水课” 特点。 因此要挤掉水分,提高课程的含金量, 努力把仪器实验课程打造成学生喜爱的有深度、 有难度、 有挑战度的“金课”[1-2]。 “金课” 最关键的要求为“两性一度”: 高阶性、 创新性和挑战度[3], 要充分达到这三个要求, 需要教师们紧紧依据专业培养目标、 学生的知识层次和认知能力选择合适的教学方式和教学手段来备课授课;同样也需要学生们放下游戏、 停止追剧, 认认真真去学好每一门功课, 提升自己解决问题的能力和思维[4]。

1 大型仪器“水课” 现状分析

总结高校基于大型仪器开展的各类实验课程, 总体存在以下4 个共性问题[5-6]:

1.1 理论教学与实验教学相分离

大型精密仪器实验课程同时涉及近十种分析仪器的实验操作, 由于每种仪器的原理构造、 操作过程和分析方法各不相同, 各专业、 各层次学生(本科生、 研究生)培养要求不同, 导致各个实验内容比较独立, 整体内容分散、 关联性差。 学生先学理论, 在学习时对具体的仪器结构和操作没有认知, 难以联想。 理论部分全部学完后再开展实验, 由于中间间隔时间较长, 待上实验课时, 学生已经基本忘记仪器原理和结构, 导致对理论和实验都毫无热情。

1.2 实验教学方式落后陈旧

大型精密仪器基本只有一台套设备, 不像基础实验课可以每人或每组一台套同时开展实验教学, 所以就导致一个班级需要分批次轮流开课, 每组学生人数较多。 同时大型仪器价格昂贵, 维护保养成本高, 维修等待时间长, 为了避免学生操作不当损坏设备, 基本以演示性、 验证性实验为主, 学生独立操作机会少, 设计性和创新性实验则更少。

1.3 授课时间和空间受限

大型精密仪器安装之后一般不能移动, 只能在仪器室开展教学, 部分仪器由于前处理时间久、 测样时间长等原因, 需要学生多次来学习, 现在很多高校有不同校区, 学生们跨校区来回出入仪器室只为完成同一个实验, 非常耗费学生时间和精力, 新冠疫情当下的现今, 还存在一定的风险性。 部分学校为了减少每组学生的人数, 增加了实验批次, 由此就会延长实验总体完成时间, 而且作为实验指导教师, 同一实验反复讲述多遍, 也容易产生麻木疲劳。

1.4 考核方式单一

大型仪器课程一般分为理论与实验操作两部分进行单独考核。 学生在学习理论部分时没见过仪器, 全靠死记硬背, 不能充分理解运用; 实验课的考核成绩又是根据实验报告批改打分, 由于是验证性实验, 结果基本一致, 导致实验报告容易互相抄袭, 难以体现学生实验过程的真实情况, 不能真正考核学生的掌握程度。

2 大型仪器“金课” 建设过程

目前运用“互联网+” 技术在传统教学中引入慕课, 采用线上线下相结合的互动学习模式, 可以快速提升教学的有效性, 更大程度地开发学生的创新能力, 提高科研素养, 对于提高教学质量有重要的意义[7-10]。 手机等诸多终端原先很多时候成为课堂教学最大的阻碍, 教师想尽办法控制学生课堂玩手机, 学生则采取各种对策聊微信玩游戏, 跟老师完全无互动,因此课堂经常表现为教师的“一言堂”。 而在大型仪器的“金课” 教改过程中, 手机成为学生不受人数限制、 不受空间、 时间限制开展学习的工具, 由堵到通, 与时俱进。 通过在慕课中留言提问等形式, 允许学生拿出手机与教师互动, 提升学生个性化学习积极性, 很好地满足了“金课” 高阶性、 创新性和挑战度的要求。 但是由于目前高校大型仪器实验教学与普通课堂教学模式不同, 具有一定的特殊性, 引入慕课教学进展较为缓慢, 已经远远落后于其它课程的建设, 因此亟需进行教学改革。

大型精密仪器实验教学的“金课” 教学改革可以拓展时空, 改变教学模式、 考核方式, 更注重过程教学, 让等着学生来学习的大型仪器在如今的互联网+时代“跑到” 网上, “追着” 学生随时随地去学。 使得大型仪器从一个固定的“昂贵教具” 角色转型成为一个活跃的“线上网红”, 提高学生对实验课程的学习兴趣和积极性。 图1 为《现代分析测试技术》大型仪器实验课为例的“金课” 建设体系图, 从图可以看出教改分四块内容实施, 最终目的就是培养学生的各项能力, 满足“金课” 专业人才培养目标。

图1 《现代分析测试技术》 “金课” 建设体系图Fig.1 “Golden Course” construction system diagram of Modern Analysis and Testing Technology

2.1 实验内容整合为综合设计性实验

根据“金课” “两性一度” 的关键要求, 结合大型精密仪器的教学现状, 淘汰部分陈旧的演示、 验证性“水课” 内容,整合成综合设计性实验。

以《现代分析测试技术》为例, 其中有1 个实验项目《X-射线粉末衍射法(XRD)测定CeO2晶体结构及晶粒大小》, 共5 个课时, 学生分批进行, 每组学生15 人左右。 每次教师先利用1 个课时介绍XRD 的仪器原理、 设备结构和应用范围, 1 个课时演示操作和分析过程, 2.5 个课时学生上手操作和分析, 最后0.5 个课时答疑和进行总结。 学生实际只有2.5 个课时能动手操作, 而且由于仪器空间受限, 只能在15 人的基础上再分成5 个小组, 每个小组快速测一个教师早已准备好的CeO2样品, 得到千篇一律的实验结果, 课后学生提交的实验报告也就容易互相抄袭, 十分雷同。 而在进行“金课” 建设后, 将会将此实验和这门课程中的另一个实验《材料类样品的制备及透射电镜(TEM)观察》整合成以综合设计性实验形式开展的《纳米CeO2的制备及其XRD 和TEM 表征分析》实验, 合并后得到10 个课时, 学生分组进行文献调研(课前)、 师生互动讨论合成方案(1 个课时)、 用Ce(NO3)3·6H2O 制备CeO2(2 个课时), 最后拿着自己亲自合成的样品通过XRD 测定样品的物相结构、 晶粒大小, 再进行TEM 实验观察形貌结构和尺寸大小(7 个课时), 大大增加了学生动手操作的时间。

2.2 制作慕课构建大型精密仪器实验教学平台

利用我校分析测试中心已有的网站, 增加一个“大型仪器慕课” 平台板块。 教师按照仪器功能编排章节, 把实验涉及的仪器原理、 结构、 操作分析和注意事项等内容编制成慕课投放到该平台上, 同时也添加其他高校的仪器分析国家精品在线开放课程[11]。 平台内容涵盖大型仪器的介绍, 慕课和虚拟仿真实验等内容。 仪器的慕课制作可以采用虚拟仿真等多种方式和媒体工具进行制作, 原理部分可以结合理论知识和原理示意图等进行清晰的讲授[12-14]。 在结构的讲解上更是能让学生360 度无死角地观看仪器的内在构造, 一些内置看不到的部件也可以3维显现, 方便反复看, 快进看, 放慢看, 随时看。 在测试操作内容上, 虚拟仿真实验更具有得天独厚的优势, 让原本需要等待很长时间或者是瞬间不易观察的实验操作过程可以以合适的速度虚拟进行测试操作和数据分析, 极大地提升了学习大型仪器课程的效率和热情, 教学目标也更易实现。 本课题还联合了绍兴市疾病预防控制中心的主管检验技师, 利用疾控中心的大型精密仪器资源制作采用国标等各项标准对疾控样品进行检测的慕课教学内容, 使得教学内容更具实用性和校企合作特点。慕课让学生更易掌握大型仪器的教学内容, 最重要的是还能置换出宝贵的实验操作时间。 学生还可以在平台讨论区向教师提问交流, 或者同参与本课程的其他学生互相讨论, 教师则可以根据反馈不断完善和改进慕课和平台内容, 提升了教师教学模式多样化的能力和学生自主学习能力。

2.3 指导学生设计方案、 开展实验获取结果

将演示验证性实验整合成综合设计性实验, 增加了课程难度。 以《纳米CeO2的制备及其XRD 和TEM 表征分析》为例,学生在完成慕课自学后, 需要根据实验项目的内容分组调研讨论样品制备和分析测试的条件并形成方案(课前)、 与教师讨论合成路线(1 个课时)、 制备实验(2 个课时), 上仪器操作课(7 个课时: 1 个课时精讲仪器重点内容+6 个操作课时)。 因为XRD 和TEM 实验室相邻, 学生还可以交叉进行两个实验的测试, 更加综合利用了宝贵的课堂时间。 这一过程锻炼了学生文献检索能力、 分析问题的能力、 团队协作能力、 表达能力和动手操作仪器设备的能力。

由于样品由学生亲自合成, 测试条件也由小组讨论确定,再在教师的指导下进行测试和结果分析, 所以课后的实验报告经过学生认真撰写也能得到百花齐放的结果, 教师也更容易从报告中评价学生的实验成绩。 所以根据大型仪器的“金课” 教学改革过程, 从表1 的教学实施安排表中可以看出: 一条主线, 聚焦于学生的学, 一条辅线, 聚焦在教师的教, 两条线同步融合开展。

表1 《现代分析测试技术》 “金课” 实验教学实施安排表Table 1 “Golden course” experimental teaching implementation schedule of Modern Analysis and Testing Technology

2.4 考核方法

经过“金课” 建设后的课程考核方法也更加多样客观, 一共分成4 项内容进行实验课程成绩的评价。 ①大型精密仪器慕课需要学生参与在线小测试, 考核学生的课前预习(20%);②教师通过学生介绍方案以及互动的过程考核学生的文献调研能力、 团队协作能力、 分析问题的能力(10%); ③学生动手上机操作大型仪器进行测试和分析的过程考核学生的实验动手能力(20%); ④实验报告综合考核学生的实验成绩(50%)。 这四部分成绩相加可以客观真实地反映学生的大型仪器实验课的掌握程度。 大型仪器课程考核方法的改革最终能使学生掌握理论知识和仪器操作分析, 激发学生对大型仪器课程的兴趣, 提高学生的创新思维能力和运用综合知识解决问题的能力。

3 大型仪器“金课” 教学改革意义

大型仪器的“金课” 教学改革, 将演示验证性实验改革为综合设计性实验, 通过“金课” 建设增加慕课内容, 构建大型仪器实验教学平台, 从而切实提高课程教学质量, 培养学生各

项能力, 满足专业培养目标。

3.1 慕课增加大型精密仪器课程内容的前沿性和时代性

摒弃陈旧淘汰的大型仪器课程内容, 结合教师的科研项目和地方企业实际需求的项目, 由浅入深、 由基础到综合设计以项目形式整合教学内容。 例如将本校开设的《现代分析测试技术》中的两个实验, 整合成以综合设计性实验形式开展的《纳米CeO2的制备及其XRD 和TEM 表征分析》。 这一课程改革融入了教师无机纳米材料的科研项目, 从查资料、 分组讨论、 制备、 合成、 实验表征一直到形成报告, 就能很好体现课程的前沿性和时代性。

3.2 构建大型精密仪器实验教学平台, 提升教学形式的先进性和互动性

进行“金课” 打造后, 利用测试中心已有的网站, 构建一个大型仪器的实验教学平台板块, 将仪器慕课和虚拟仿真实验放入该模块, 方便学生在线上开展课前的慕课学习。 教师结合本校现有的大型仪器厂家型号, 针对性地制作慕课, 内容包括仪器的原理、 构造和操作分析等具体内容。 还协同绍兴市疾控中心的资源制作疾控检测流程的慕课教学内容。 在慕课学习中, 带有小测试, 形成过程考核的分项成绩。 师生之间还能留言互动, 这一突破时间和空间限制的学习, 从“以教为中心”转变为“以学为中心”, 与时俱进地提升了教学模式的先进性和互动性。

3.3 强化学习过程的探究性和个性化

通过实验前的慕课学习和将验证性实验整合成综合性实验, 需要学生分组进行文献调研、 讨论合成路线、 进行制备实验, 最后上仪器操作课。 在实验测试过程中, 要求学生提供调研的测试条件, 再经过教师的指导进行测试分析, 由于样品自行合成, 条件自己摸索, 所以整个实验就极具探索性, 结果也不再千篇一律, 教师也就能准确的通过实验报告对学生的实验过程进行评价考核。

3.4 增加课程考核结果的客观性和多样性

改革后实验课程的考核由4 部分组成, 与之前只有预习报告(15%)+平时成绩(15%)+实验报告(70%)的考核方式相比,调整为慕课测试(20%)+方案介绍(10%)+上机操作(20%)+实验报告(50%)这4 项考核内容, 能更客观和多样化的评价学生对这门课的学习掌握程度。

4 结 语

通过“金课” 要求进行课程建设后, 将《现代分析测试技术》这门课运用当前的“互联网+” 技术构建大型仪器实验教学平台, 添加慕课和虚拟仿真等内容, 再整合实验内容改为综合设计性实验。 提高了大型精密仪器实验教学的课堂效率, 将信息化技术与实验教学相融合, 提高了学生对大型仪器实验课程的学习兴趣和积极性, 对于高校培养能探索问题、 解决问题的创新型、 应用型、 技术型化学化工人才具有极大的推动力, 为推广“金课” 教学模式提供可靠的理论依据和实践参考。