慕课背景下材料科学与工程专业大型仪器实验教学模式探究

黄婷 袁志钟

摘 要：大型儀器在材料科学与工程专业中具有重要的地位，正确合理地使用大型仪器可以促进科学研究的快速发展。由于大型仪器比较昂贵，传统线下实验课教学以课堂讲解和演示为主，导致学生的学习效果不理想。因此，为了更好地开展实验课教学，近年来各大高校逐渐将慕课教学引入实验课教学中。本文以透射电子显微镜为例，提出开展大型仪器线上线下混合式教学模式，学生先利用慕课资源进行理论学习和模拟操作，随后再开展线下实验操作，以培养出同时具有扎实理论知识和良好操作技能的学生。

关键词：慕课；大型仪器；透射电子显微镜；混合式教学

中图分类号：G4  文献标识码：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

在科学技术飞速发展的今天，材料科学已经成为促进我国国民经济发展的支柱之一。航空航天、船舶车辆、新能源等领域的发展均离不开材料科学。材料科学与工程专业包含了金属材料学、材料加工工程、无机非金属专业等二级学科，这些学科涉及了材料的制备、研发、制造和使用等各个方面。材料科学与工程专业要求学生在掌握良好理论知识的基础上，还要具有一定的实践能力、创新能力和分析问题能力。为了锻炼学生的实践能力、创新能力和分析问题能力，开设了大量的实验教学课程。实验课程不仅包含了金相基础、材料热处理、材料焊接工艺等基础实验教学，还开设了与材料结构分析相关的大型仪器实验教学，比如X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射的电子显微镜、X射线光电子能谱等。这些大型仪器实验课程的开设极大地促进了本专业相关课题的研究，不仅提升了研究者的科研能力，而且还促进了我国相关领域的研究发展。然而，由于大型仪器都属于精密仪器，不可能像专业基础实验一样，让每个学生亲自动手操作仪器设备。因此，传统的大型仪器实验课开展时主要分为两部分：

（1）实验教师讲解仪器构造和原理。

（2）实验教师演示仪器操作步骤。

近年来随着新型网络教学模式的发展，慕课平台被引进到各大高校，平台上出现了大量实验教学相关的教学资源［12］，为学生的实验课学习提供了新的学习途径。本文在慕课背景下，探究了材料科学与工程专业大型仪器实验教学模式，旨在提高学生大型仪器实验课的教学效果。

1 透射电子显微镜工作原理及仪器结构

透射电子显微镜［34］是利用电子的波动性，使电子束打在很薄的材料上，观察透射电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结构信息。它主要由三大系统组成。

（1）电子光学系统。电子光学系统分为照明系统、成像系统和观察记录系统。照明系统由电子枪和聚光镜组成，电子枪是透射电子显微镜的电子源，常用的有钨灯丝、六硼化镧和场发射电子枪，其中场发射电子枪的电子发射能力最强。聚光镜是将电子枪发射的电子束汇聚成一束平行度好、亮度高、稳定性高的光源照射在样品上。一般采用双聚光镜系统。成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是强励磁、短焦距的电磁透镜，放大倍数较高，作用是形成第一幅放大的像。中间镜是弱励磁长焦距的电磁透镜，控制电镜的总放大倍数，也可进行成像/衍射模式选择。投影镜是强励磁、短焦距的电磁透镜，可进一步放大中间镜的像。观察记录系统的作用是将投影镜放大的像，显示在荧光屏上并使用CCD相机拍摄成像，用以观察记录。

（2）电源与控制系统。

（3）真空系统。

2 透射电子显微镜的分类

根据加速电压的不同，透射电子显微镜分为三大类：

（1）低压电镜。这类电镜的最高加速电压为100kV/120kV，适用于生命科学、医药、高分子材料、纳米材料等领域。由于加速电压低，因此这类电镜的电子束穿透力弱，对样品的损伤小，拍摄的照片衬度高。

（2）中压电镜。这类电镜的最高加速电压为200kV/300kV，由于分辨率高，电子穿透力强，拍摄的照片分辨率高，但是对一些含有C、H、O等元素的样品损伤大。

（3）超高压电镜。这类电镜的最高加速电压大于1000kV，具有超高穿透力，超高分辨，甚至可以达到原子级分辨率。

3 传统透射电子显微镜实验课教学存在的问题

透射电子显微镜是各大高等院校开展科学研究必不可少的分析手段，其应用学科涉及材料、生命科学、化学工业、新能源、机械等各个专业，因此透射电子显微镜实验课是各个学院必须开设的实验课之一。但是，透射电子显微镜属于大型精密设备，各大高校购买的台套数有限，且管理严格，因此在开展透射电子显微镜实验课时存在以下问题。

3.1 以讲解和演示操作为主，学生不能动手操作。

一般在实验课前，实验教师会强调透射电镜的价值及其精密程度，让学生在上课期间不能随便碰触，以免损坏仪器。课前，实验教师会做好教学设计，提前准备好实验样品。上课时，直接给同学们讲解本节实验课的实验目的、原理、实验步骤及简单的数据分析。讲解完后，再由实验教师上机进行演示操作。最后，请同学们课后完成实验报告，而实验报告内容大多是将实验目的、实验原理抄写一遍，再做几道简答题即可。通过以上讲解，虽然学生对仪器有比较直观的了解，但是由于是初次見到实物机器，以及教师的操作也较快，他们不能完全实现对透射电子显微镜的理解，教学效果较差。当然，采用这种演示操作性实验课教学法，也是能理解的。因为学生如果操作不当，出现失误，造成设备损坏，那么维修是非常麻烦的。

3.2 实验课时少，学生人数多

通常一个大型仪器实验的学时数为2个学时，而一个班级的学生可能多达30人。透射电镜室一般面积较小，无法容纳这么多学生同时开展实验教学工作。那么就得对学生进行分组，7～8人一组。而按照学时数来算，一个班级透射电子显微镜的学时数为2，加上课间休息时间为100分钟，将这100分钟分为4组，每组学生的上课时间仅有25分钟。而在这25分钟之内要讲解实验目的、实验原理、实验操作步骤等内容，显然是不够的。但是为了完成实验教学任务，只能在上课时根据实际情况对个别内容进行删减。在上课时，由于设备只有一台，学生人数较多，就会出现站在后面的同学看不清操作过程的问题，也会极大地降低学习效果。

4 透射电子显微镜混合式实验教学设计

由于传统的线下透射电子显微镜实验课教学效果很不理想，因此我们可以利用慕课网络教育平台，开展线上线下相结合的混合式实验课教学［5］。具体可将实验教学分为两大模块，一部分为慕课线上教学，一部分为实验室线下教学。

4.1 慕课线上实验教学设计

首先，实验课教师需要制作优质的慕课微视频，慕课微视频的时间虽然短，但是其内容要精炼且丰富。视频内容包括透射电子显微镜结构、原理、制样步骤、操作步骤、操作注意事项以及数据分析处理方法等。要做到既简单、详尽，又易于理解。其次，在慕课平台上设置练习题，检测学生的视频学习效果。最后，为了锻炼学生对操作步骤的掌握情况，在条件允许的情况下可开发虚拟仿真软件，让学生在软件上模拟操作，熟练操作步骤。

4.2 线下实验教学设計

由于学生们已经在线上慕课教学环节，掌握了仪器的原理、构造、制样及操作等内容，因此在开展线下实验时，可以直接进入讨论+操作环节。具体内容如下：首先，教师要对学生进行简单提问，现场考察其知识掌握情况，尤其是操作步骤及操作注意事项。其次，在确定学生完全掌握操作步骤及注意事项的情况下，让学生进行实验操作。为了避免学生在操作时出现失误，学生操作时教师仍时刻关注学生的每一个步骤。实验教师要尽可能在时间允许的条件下，让更多的学生动手实际操作。最后，课后要布置作业，作业内容即为学生拍摄照片的分析处理。

5 线上线下混合式教学存在的问题及相应对策

虽然线上线下混合式教学具有以上诸多优点，但是根据江苏大学京江学院以往的教学经验来看，仍然存在以下几个方面问题。

（1）由于线上教学的时间和地点不固定，所以学生可以根据自身情况安排学习进度。也正是由于时间和地点上的自由性，导致部分自觉性较差的同学，不能按时完成慕课线上学习。进而达不到线上实验课的学习效果，这会在很大程度上影响后续线下实验课的效果。面对以上可能产生的问题，就要求实验教师加强对学生的学习引导和监督。比如在学习任务发布之后，定期检查学生的学习进度，及时提醒未按期完成学习任务的同学完成线上学习。

（2）根据材料科学与工程专业各类实验课的考核经验可知，目前实验课的课后考核主要是提交实验报告，而实验报告的内容多为实验步骤、实验原理等内容的抄写。虽然在线上学习环节中增加了习题考核，但是也仅限于理论知识考核，无法反映学生对实验操作技能的真实掌握程度。如果能在实验课后开展关于实验课程和实验数据分析等相关的考核，那么学生的学习效果将显著提高。

（3）线上实验课程内容偏向理论，虽然在线上也开展过有关实验步骤和操作注意事项等方面的学习，但是实际操作时总会出现各种各样的新问题。如果只是机械地按照慕课上的操作步骤进行操作，虽然学生可以在教师的监督下顺利完成本节课的学习任务，但是日后若独立开展科研工作时，肯定会遇到各种各样的问题，那么此时学生可能无所适从，不知道如何解决问题。因此，在开展线下实验教学时，可设计不同的实验样品，供学生进行检测。也可设置一些简单的问题实验，让学生进行思考，锻炼他们的思考能力和解决问题的能力。

结语

在慕课背景下，采用线上线下相结合的混合式教学模式开展大型仪器的实验课教学，可以培养出同时具有扎实理论基础和良好操作技能的学生。这类学生在走上工作岗位之后，往往可以自如地运用所学知识分析和解决工作岗位中遇到的各种问题。尤其是当下网络极其发达的时代，各大高校之间可以实现网络教学资源共享，因此不同学校的学生还可根据自身对课程的掌握和理解程度，利用网络教学课程查缺补漏，进一步提升自己的能力。本文所提出的大型仪器实验课线上线下混合式教学的方法，非常值得推广，其也不仅仅限于材料科学与工程专业。

参考文献：

［1］田秀娟，魏文阁，张强，等.慕课背景下大型仪器实验课程的建设与探讨［J］.山东化工，2019，48（10）：169170.

［2］王丹丹.慕课资源助力仪器分析实验教学翻转课堂［J］.科技风，2017（1）：2223.

［3］陈江华.透射电镜原子成像新技术在材料科学研究中的应用［C］//第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第1分册）.2010.

［4］陆彦，陈义芳，刘巧泉，等.透射电镜技术研究生课程教学的现状与改革初探［J］.山东化工，2021，050（022）：211213.

［5］陈娟，魏文娴，肖金坤.疫情环境下大型仪器课程的五环节教学模式探索［J］.绍兴文理学院学报，2022，42（12）：9397.

基金项目：江苏高校哲学社会科学研究项目“金属材料线下实验与慕课相结合的教学模式研究”（2021SJA2401）

作者简介：黄婷（1987— ），女，汉族，陕西眉县人，博士，实验师，研究方向：从事金属材料制备与性能研究。