现代仪器分析类课程教学创新探索——以X 射线探究晶体微观世界课程为例

刘海峰，黄鹤燕，谢瑞士，霍冀川，徐光亮

（西南科技大学 分析测试中心，四川 绵阳 621010）

随着当今知识、经济、社会的高速发展，国家对高等教育的投资越来越大，同时也对高校人才的培养提出了更新、更高的要求。自从教育部开始实施大学生创新创业训练计划以来，传统的教育思想观念正悄然发生着变化；培养模式也从单一的技能或知识灌输，改变为强化创新创业能力训练、增强高校学生的创新创业能力，从而为国家建设培养高水平创新人才。尤其是在当前“双一流”（世界一流大学和世界一流学科）建设的大背景下，创新型、应用型人才科技创新能力的培养已成为高等教育人才培养的核心内容和难点问题。

现代仪器分析类课程是实践性、应用性均较强的课程，同时又需要扎实的理化基础，其主要任务是通过对分析仪器及方法的相关理论和实验进行技能培养与训练，使学生具备解决生产、生活及科学研究中相应问题的能力，广泛适用于化学、物理、材料工程、材料物理、无机非金属材料、环境工程、地质、采矿、农学、制药、生物工程等相关专业。对于现代仪器分析类课程而言，理论教学和实验模块相辅相成、缺一不可，是两个重要组成部分。然而，由于现代大型精密贵重仪器尤其是世界先进的分析测试仪器价格高昂，运行和维护成本较高，致使很多高校的相应课程教学存在重理论、轻实践的问题。

在这样的背景下，高校体系中的大型现代仪器共享平台——分析测试中心便为创新型、应用型人才创新能力的培养提供了一个必要的平台。分析测试中心是高等学校的重要组成部分，是高等学校进行教学、科研和服务社会的重要基地。由于分析测试中心集中了学校大部分的大型精密贵重仪器设备，它也是一个学科交叉和创新实践的公共平台。但是，由于仪器贵重、操作复杂、常规培训上机周期长等原因，使得绝大部分高校的学生包括研究生都只能对这些先进“科研助手”望而远观。因此，开发这一协同创新平台为大学本科学生、研究生进行研究型实验教学服务，让学生共享大型仪器资源，对于完善高校实践教学体系和培养创新型人才而言意义重大。

因此，本成果针对高校教学尤其是现代分析测试技术类课程授课过程中普遍存在的问题，围绕学生的自主学习能力和实践能力培养进行了多年的探索和实践，构建了以“一主两翼”（课堂教学为主体、智能化多媒体仿真教学和仪器操作实训为两翼）的教学体系为依托，以学校大型仪器开放共享平台为教学实践基地，融入思政要素，形成专业知识、文化素养、创新精神和实践能力“四维一体”的协调发展的人才培养模式，使教学效果得到显著改善，人才培养质量得到稳步提升。

一、背景和现状

一间教室、一位老师、一块黑板，这是传统的课堂。尽管当今课堂有了多媒体支撑，但这种教学模式的诸多弊端仍日益凸显。尤其是在自然科学领域，社会和科学技术的高速发展，导致课本知识相对滞后、教学内容与研究现状脱节；同时，在传统教学过程中，“满堂灌”的教学方式、单一的教学组织形式、“演示性”的实践教学模式、单一的考核方式等，均造成学生学习的主动性和积极性不高，动手能力也受到极大限制，这与当前高校培养高素质、创新型、复合型人才的目标是不相符的。

西南科技大学X 射线探究晶体微观世界开课已有十余年，该课程是一门适应性强、应用范围广的方法技术课程，以X 射线衍射分析这一人类探索微观世界的强大工具为核心，对提高学生的综合素质和实践技能、培养学生的创新意识和创新能力具有重要意义。2016年，课程组开始对教学体系进行改革，以解决传统教学模式中的诸多“痛点”问题，提高学生的学习主动性和实践能力，进而培养高素质、创新型人才。

二、创新思路

课程改革突破传统的“以老师为中心”的教学模式，融合专业知识与思政要素，将价值塑造、知识传授和能力培养融为一体，形成“以学生为本、以提高学生综合素质和实践创新能力为主线，实现知识传授、能力培养和素质提高协调发展”的新型教学理念。

（一）以“四维一体”的教学体系建设为核心

课堂教学是大学教学活动的体系核心。同时，兼顾价值观引导、创新能力培养、实践实训，这些是对课堂专业知识教学时空、内容和手段上的补充，是学生陶冶情操、获取知识和培养能力的重要教学形式。

（二）以高素质、创新型人才的培养为导向

在注重学生的基本专业素质提升的同时，重视学生的创新意识和能力培养，寻找到自身人才培养的优势与特色，为学生未来的职业选择奠定基础。

（三）以多元化的教学方式改革为途径

充分利用信息技术，植入智能化多媒体仿真教学，坚持传统与现代教学手段相结合、线上与线下学习相结合；课堂教学采用课堂引入实验、启发式教学、课堂讨论、提问式教学、理论与案例结合等手段，引导学生积极思考、分析问题。

（四）以学校大型仪器开放共享平台为依托

坚持理论联系实际，以解决生活、生产中遇到的实际问题为目标，并依托大型仪器开放共享平台在课程实践环节上不断创新，培养学生的实践技能和创新能力。

三、主要举措

（一）构建“一主两翼”“四维一体”的教学体系

为了提高学生的自主学习能力和实践技能，培养高素质、创新型人才，我们依托学校大型仪器开放共享平台（四川省大型科学仪器共享服务平台的分平台），构建了以课堂教学为主体、智能化仿真教学和仪器操作实训为支撑的“一主两翼”教学体系（如图1 所示），形成了集专业知识、文化素养、创新精神和实践能力“四维一体”的人才培养模式。

图1 “一主两翼”“四维一体”教学体系示意图

在课堂教学模式上，打破传统的“满堂灌”模式，采用互动式教学模式；充分利用现代信息技术，开通了课程钉钉群，采用线上与线下学习相结合、补充的模式，构建了以学生为中心、以学生自主活动为基础的新型教学过程，逐步推进教学过程由教向学转变。在实践环节，首先充分利用X 射线衍射仪的智能化仿真教学系统进行模拟实践，然后依托大仪平台进行实训。

在教学内容设计上，巧妙融入思政要素，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体。例如，在物相鉴定中，设计成生活中学生感兴趣的“鉴宝”（未知晶体鉴别、宝玉石鉴别）活动，在激发学生学习热情的同时，拓展以玉石为中心载体的中国传统玉文化，玉有五德（仁、义、智、勇、洁），爱“玉”即爱“德”，教育学生要以德为先。另外，我国航空航天技术处于国际领先地位，我们引以为傲，而配置高温附件（可升温至2 000℃以上）的X 射线衍射技术在航天器耐高温涂层、部件的晶体结构研究中发挥着重要的作用，借此提升爱国主义情怀。

教学内容安排则突出重点和难点，边演示边讲解，化繁为简，努力提高学生的学习兴趣；坚持理论联系实际，将生活中遇到的实际问题及该领域最新研究成果引入课堂，实现学生专业知识、文化素养、创新精神和实践能力“四维一体”的协调发展。

（二）实施多元化的教学方式

在教学活动组织方面，采用教师主导、学生主体模式。课堂上，老师充当“主持人”角色，以引导、抛出问题为主；学生分组进行讨论、汇报，充分发挥了学生学习、探索的主动性。

在教学方法与手段方面，采用课堂讲授、课堂引入实验、启发式教学、提问式教学、课堂讨论、理论与案例相结合的手段，引导学生积极思考、分析问题。例如，将常见晶体结构模型带入课堂让学生进行实物观察对比；将关键知识点涉及到的实验（通过具有纹理结构的实木板和复合板的抗压实验感知石墨与钻石晶体结构的区别、光的双缝干涉等）带入课堂，让学生自己操作、感知实验过程，拓展学生思维。

在教学评价方面，注重学生识别、解决实际问题的能力，采用过程性（课外拓展作业占40%、实践及实例分析占20%）与终结性评价（期末探索性论文占40%）相结合的方式；依据持续改进原则，根据教学过程中遇到的问题、学生反馈信息等，从教学设计、组织、实施等方面进行反思。

（三）依托优势资源——学校大仪共享平台，强化实践能力培养

课程依托于学校大仪共享平台，为学生提供了优质的实践平台及实训资源，充分发挥大型科研仪器在学生创新实践能力培养中的作用。

首先，课程实践环节引入虚拟仪器仿真平台（如图2 所示），将X 射线衍射仪虚拟化，学生可通过平台操作一台虚拟仪器，其界面和功能与实际仪器一致。学生在上机实训之前，可先通过仿真平台学习仪器基本操作，然后再分组进行样品制备、上机测试、数据处理与分析等实训操练，切实提高学生的实践能力及课堂知识运用能力。

图2 课程虚拟仪器仿真平台软件界面

另外，对大型仪器兴趣浓厚且有意深入学习的同学，可继续参加平台的大型仪器应用培训班，系统学习仪器分析原理、自己动手制备各种不同样品并上机测试样品、分析数据，进一步培养实际动手的能力。培训完成并经考核后，学生可获得相应仪器培训合格证书或上机证。取得上机证的学生，可预约并独立使用仪器进行科学研究工作。

四、主要成效及推广应用效果

课程“一主两翼”“四维一体”教学体系的构建与实施，打破了传统的教学模式，实现了教学的全面转型。改革后的课程充分发挥了学生的主体作用和教师的主导作用，有效解决了传统“填鸭式”课堂模式死板、学生感觉枯燥而失去学习主动性、评价方式不科学且课堂与应用脱节等“痛点”问题，激发了学生的自主探究欲望和潜能，也培养了学生发现、分析、解决问题的能力，推动了课堂教学水平的提升；同时，依托于大仪平台，建成了理论与实践紧密结合、突出实践操作能力的特色课程，极大地提高了本科学生科研设计、实验动手、综合分析与解决问题等的能力，激发了他们的科研热情。

很多大一、大二学生通过课程学习后，对科研充满了极大兴趣，学习目标更明确，学习动力十足，最终推免或考取了硕士研究生。例如，2014 级学生李程波，经课程学习后加入学校大学生科研创新班，2018 年考取电子科技大学研究生；2014 级学生彭杨考取学校研究生；2015 级学生龚浩杰，经课程学习后对物质的结构与性能研究兴趣浓厚，积极参加校内外各种实验竞赛，获四川省第一届物理学术竞赛三等奖、四川省普通物理知识竞赛二等奖，并于2019 年考取北京化工大学研究生，等等。

通过课程实践环节衍生出的X 射线衍射仪应用培训班，每年面对全校本科、研究生开班1 次。2017-2021年，已有100 余人获得仪器培训合格证书或上机证。该模式已成功辐射到大仪平台的其他大型仪器上。目前，平台每月举办两种仪器的应用培训，已培养大量可独立上机进行样品分析的学生。这对于提高学生毕业后的就业竞争力，完善西南科技大学实践教学体系和培养创新型人才具有重大意义。

课程的改革实践，积极地融入到学校科研创新人才培养体系建设中，也是国家级精品课程化学综合设计实验、学校在建现代分析测试技术精品资源共享课程群的重要组成部分，一并作为支撑材料获得学校第五届优秀教学成果奖（依托优势资源构建科研创新人才培养体系）。课程主讲教师2020 年荣获学校第三届教师实践教学竞赛一等奖（教授内容为X 射线衍射分析实践模块）、2021 年荣获学校第十二届青年教学竞赛二等奖，团队参与教育部和兵器行业相关仪器分析方法标准的制/修订（已发布实施），发表多篇相关教改论文。

课程经过多年的探索改革与实践，有效促进了人才培养质量的提高，其理念与具体做法在学校同类课程以及其他高校中具有普遍的适用性和推广价值。

五、反思与今后努力方向

（一）教学反思

课程的教学创新改革虽有成效，但仍有诸多方面需进一步改进。例如：

1.课程课时较少，教学设计显得太过紧凑；尤其是在实践环节中，要想让每一位同学都能充分地练习，则需要更多的学时。

2.教学过程中需要增加与学生的互动，如果能结合学生自身的研究课题进行讲解、讨论，效果将更好。

（二）努力方向

1.基于人的求知和自由本性，通过科研与教学的有机融合，将教学、知识创新与文化传承过程结合起来，将相关的科研资源有效转化为丰富教学资源，真正实现科教融合、教学科研相长。

2.加强线上课程（MOOC）的建设，充分利用现代信息技术和大数据系统，进一步发挥线上、线下相结合教学模式的优势。

3.高度重视教学改革与研究，打造特色课程，凝练高水平理论成果，并将课程改革思路加以推广应用。