高校大型分析測試設(shè)備服務(wù)于本科教學(xué)的方法探討

段輝平 宋洪海 杜 娟

北京航空航天大學(xué)分析測試中心 北京 100191

☆資產(chǎn)管理與設(shè)備使用☆

高校大型分析測試設(shè)備服務(wù)于本科教學(xué)的方法探討

段輝平 宋洪海 杜 娟

北京航空航天大學(xué)分析測試中心 北京 100191

利用透射電子顯微鏡，結(jié)合大學(xué)本科材料分析測試方法課程學(xué)習(xí)，探求大型分析測試設(shè)備為材料學(xué)本科教學(xué)的服務(wù)方式和作用。根據(jù)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的進(jìn)程，設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生把抽象的理論知識與具體的設(shè)備操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析聯(lián)系起來。

大型設(shè)備；本科教學(xué)；課程設(shè)計(jì)

Abstract: Combined with the class learning of the course for undergraduates, i.e. modern analysis and testing method, transmission electron microscopy had been employed to f nd out the serving approaches and role of the large analysis and testing instruments for the undergraduate teaching in materials science. Based on the progress of class learning, different experiments had been designed for the undergraduates with the purpose to let them bridge the abstract theoretical study with concrete instrument operation and experimental result analysis.

Key words: large analytical instrument; undergraduate teaching; course designing

對于材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生而言，熟悉或掌握先進(jìn)分析測試設(shè)備的使用以及對測試結(jié)果進(jìn)行合理正確的分析已經(jīng)成為一種必備的技能，幾乎所有高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)均開設(shè)了與材料測試方法相關(guān)的課程。但囿于各單位測試設(shè)備，特別是大型分析測試設(shè)備資源有限，絕大部分本科學(xué)生都沒有機(jī)會在學(xué)習(xí)期間接觸到相應(yīng)的設(shè)備，更不用說親自動手上機(jī)實(shí)驗(yàn)。因此在學(xué)習(xí)材料測試方法相關(guān)課程時，對設(shè)備沒有基本的感性認(rèn)識，不能把課堂上學(xué)到的理論知識與具體實(shí)踐活動結(jié)合起來。而在學(xué)生進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)階段或后續(xù)的深造過程中，絕大部分學(xué)生都要用到大型分析測試設(shè)備進(jìn)行分析和研究。通過筆者近幾年對學(xué)生的了解，有相當(dāng)大的一部分學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了相關(guān)課程，但對設(shè)備的了解知之甚少；另外由于課堂學(xué)習(xí)時對設(shè)備也沒有感性認(rèn)識，對設(shè)備的基本操作和基本功能也備感陌生，以致在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或攻讀碩士學(xué)位時，不清楚自己要從分析測試實(shí)驗(yàn)中得到什么或驗(yàn)證什么，更不用說能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正確的分析和解釋。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和科技水平的發(fā)展，各種精密的大型分析測試設(shè)備越來越普及，國內(nèi)各高校也大量引進(jìn)了先進(jìn)的大型分析測試設(shè)備，逐步形成了系統(tǒng)、完善的分析測試平臺，為提高高校的科研教學(xué)水平提供了保障。但由于管理和資源相對緊缺的原因，目前這些大型設(shè)備都主要用于教師、研究生的課題研究，對本科生教學(xué)的輔助作用發(fā)揮不夠理想。大學(xué)本科的分析測試方法學(xué)習(xí)主要依靠理論課程，很少甚至沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來配合學(xué)生的理論學(xué)習(xí)；對于存在的一些具體問題，筆者進(jìn)行了探討[1]。

目前，對于如何加強(qiáng)大型設(shè)備的管理，提高其使用效率已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，很多設(shè)備管理人員也提出了一些具體的方法和措施[2-4]。從實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行機(jī)制、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面，探討對本科生開放大中型儀器的具體保障措施[5]。對于大型設(shè)備如何為本科生開放，如何為他們提供更多的接觸和使用機(jī)會，一些高校也進(jìn)行了具體嘗試，如西南交通大學(xué)探討了重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對本科生開放的方式，得到了預(yù)想的效果，一些思路也值得借鑒，如對優(yōu)秀本科生開放等[6]。但重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一般都是專業(yè)性較強(qiáng)的大型設(shè)備，相對來說用戶較少，實(shí)驗(yàn)安排可控性強(qiáng)，而大型的公共分析測試設(shè)備，如透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等，用戶較多，相對來說實(shí)驗(yàn)安排非常緊張。在服務(wù)于本科教育方面，這些大型分析測試設(shè)備基本限于為本科生提供參觀或演示性實(shí)驗(yàn)而已，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了學(xué)生學(xué)習(xí)和教學(xué)的需要。一些設(shè)備管理人員開始挖掘大型分析測試設(shè)備在激發(fā)本科生學(xué)習(xí)興趣、提高其科研技能和素質(zhì)方面的作用，提出了一些很好的方法和建議。從開設(shè)實(shí)驗(yàn)課、選修課以及為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)等方面進(jìn)行了積極的探索[7]；北京工業(yè)大學(xué)探討了大型儀器設(shè)備在本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的實(shí)踐教學(xué)模式、特點(diǎn)及成效，提出了大型分析設(shè)備的“分散”式教學(xué)模式，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果[8]。

我校分析測試中心在學(xué)校的支持下，結(jié)合現(xiàn)代材料分析方法的課堂學(xué)習(xí)，以透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室為平臺，設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)，探討有限的實(shí)驗(yàn)課時對學(xué)生掌握大型分析測試設(shè)備基本技能的方法和途徑，探索大型公共分析測試設(shè)備在本科教學(xué)中的作用和方法。

1 方法探討

我們從學(xué)生對學(xué)校分析測試中心以及相關(guān)設(shè)備的了解程度、學(xué)習(xí)分析測試設(shè)備相關(guān)知識的興趣、大型分析測試設(shè)備對本科教學(xué)服務(wù)的必要性等幾個方面對學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查。從正在學(xué)習(xí)現(xiàn)代材料分析方法課程的二年級本科生中隨機(jī)發(fā)放問卷90份，收回87份。結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生對中心及設(shè)備的功能知之甚少，68人有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)設(shè)備操作、分析方法的愿望，學(xué)生希望能有更多的機(jī)會接觸設(shè)備，希望中心能通過開設(shè)實(shí)驗(yàn)課、開放實(shí)驗(yàn)室等方式為他們提供機(jī)會?；趩柧斫Y(jié)果，分析測試中心決定以透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室為主，根據(jù)課堂理論學(xué)習(xí)的進(jìn)度設(shè)計(jì)了4種不同層次的實(shí)驗(yàn)，即認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)化型實(shí)驗(yàn)、鞏固型實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，以此探求大型分析測試設(shè)備為本科教學(xué)服務(wù)的途徑、方式、方法，力圖利用有限的時間，使學(xué)生熟悉大型分析測試設(shè)備的基本分析方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。考慮到設(shè)備的承載能力和學(xué)生現(xiàn)場聽講效果及操作設(shè)備時間等問題，從68名具有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)愿望的學(xué)生中隨機(jī)抽取16名學(xué)生分為4組進(jìn)行了嘗試性探索，具體做法如下：

在學(xué)生學(xué)習(xí)完設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和原理后，讓學(xué)生對設(shè)備實(shí)物及其結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行認(rèn)識，并了解各主要部件的作用原理以及整體設(shè)備的工作原理，此即認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間2小時。通過對實(shí)驗(yàn)設(shè)備近距離的觀察和現(xiàn)場講解，學(xué)生對設(shè)備的整體構(gòu)造有了具體的感性認(rèn)識，克服了以往學(xué)生對大型設(shè)備只限于抽象認(rèn)識的問題，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

在學(xué)生學(xué)習(xí)完設(shè)備基本分析功能和操作方法后，在設(shè)備管理人員的指導(dǎo)下，讓學(xué)生親自上機(jī)實(shí)驗(yàn)并完成所學(xué)分析功能的基本操作，加深對所學(xué)理論知識的理解以及設(shè)備工作原理的認(rèn)識，此即強(qiáng)化型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間2小時。在此階段，開設(shè)了透射電子顯微鏡基本功能，即形貌像的觀察和衍射譜的獲取等基本操作訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生操作過程中，教師結(jié)合成像原理詳細(xì)講解每一步操作改變的參數(shù)，使學(xué)生對透射電鏡的成像過程和各部件的功能有了深刻的了解。通過學(xué)生親自動手操作設(shè)備和教師現(xiàn)場講解，使學(xué)生對透射電子顯微鏡形貌像和衍射譜的形成原理有了深刻而具體的認(rèn)識。

在學(xué)生熟悉設(shè)備工作原理和掌握基本操作的基礎(chǔ)上，讓每一名學(xué)生都拍攝一張納米炭管形貌像和一張單晶硅的衍射譜，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要求學(xué)生用所學(xué)的知識對結(jié)果進(jìn)行合理解釋，寫出實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告，鞏固所學(xué)知識，此即鞏固型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間2小時。由于圖像是學(xué)生親自動手獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不再是課堂教師展示的示意圖，更能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。通過對圖像的分析，學(xué)生可以掌握一些基本的分析技能，提高了學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。

在學(xué)生學(xué)習(xí)完課程之后，根據(jù)學(xué)生對材料微觀結(jié)構(gòu)和設(shè)備的興趣，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提出實(shí)驗(yàn)申請，在設(shè)備管理人員指導(dǎo)下，操作設(shè)備解決感興趣的問題，撰寫實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告，此即自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間2小時。此實(shí)驗(yàn)自愿參與，不要求學(xué)生全部參加。在自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往對位錯和復(fù)雜衍射譜的分析感興趣。囿于實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性和設(shè)備資源的有限性，我們只選擇了一些相對簡單的孿晶衍射譜讓學(xué)生進(jìn)行拍攝和分析。

通過4個不同層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生對電子顯微學(xué)的原理、透射電鏡的結(jié)構(gòu)以及基本操作和分析方法有了具體的認(rèn)識。后續(xù)的課程考核表明，這些學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握和理解程度明顯優(yōu)于其他沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生。

2 存在的問題和思考

雖然嘗試的效果令人非常滿意，但遺憾的是由于設(shè)備需要承擔(dān)足夠的公共服務(wù)，不能為本科教學(xué)提供大量的實(shí)驗(yàn)時間?？紤]到學(xué)生日后的發(fā)展和大型分析測試設(shè)備管理、開發(fā)的需要，筆者認(rèn)為沒有必要對所有學(xué)生都進(jìn)行同樣的訓(xùn)練和培養(yǎng)，對大型分析測試設(shè)備的學(xué)習(xí)和教學(xué)應(yīng)分為兩個不同的方向：一是培訓(xùn)少量學(xué)生，達(dá)到基本掌握設(shè)備操作技巧和日常維護(hù)技能的水平，從中發(fā)現(xiàn)一些對大型分析測試設(shè)備興趣濃厚的學(xué)生，目的是培養(yǎng)熟練掌握設(shè)備操作、具有設(shè)備功能開發(fā)能力的高端實(shí)驗(yàn)人員，為設(shè)備使用和管理的可持續(xù)發(fā)展儲備人才；二是培訓(xùn)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法和技巧。由于大部分學(xué)生今后只需要掌握如何利用大型分析測試設(shè)備為自己的科學(xué)研究服務(wù)，掌握如何從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲得所需要的重要信息和結(jié)論，因此對于這一部分學(xué)生來說，不需要掌握設(shè)備的操作和維護(hù)技能，但需要熟練掌握各種分析方法和技巧。因此，就目前狀況而言，筆者認(rèn)為如何利用設(shè)備優(yōu)勢激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析技巧是高校大型分析測試設(shè)備服務(wù)于本科教學(xué)的重點(diǎn)?？梢圆捎脼閷W(xué)生提供見習(xí)機(jī)會、定期開放等形式，提高學(xué)生對設(shè)備的基本操作、功能、結(jié)構(gòu)和工作原理的認(rèn)識水平；對于某些對設(shè)備或分析方法有極大興趣的學(xué)生，可如本文所述，根據(jù)所學(xué)課程的內(nèi)容，利用部分時間，選擇部分學(xué)生進(jìn)行基本操作的培訓(xùn)。

3 結(jié)束語

高校中的大型分析測試設(shè)備承擔(dān)著大量的科研任務(wù)，絕大部分處于滿負(fù)荷狀態(tài)，但作為學(xué)校重要的大型設(shè)備，同樣肩負(fù)著為本科教學(xué)服務(wù)的責(zé)任和義務(wù)。筆者結(jié)合課堂理論學(xué)習(xí)進(jìn)度，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)，探討了大型分析測試設(shè)備服務(wù)于本科教學(xué)的途徑、方法，取得了一定的效果，但仍然滿足不了學(xué)生學(xué)習(xí)的要求。大型分析測試設(shè)備服務(wù)于科研與教學(xué)的矛盾不是短期內(nèi)能解決的問題，特別是那些需要較強(qiáng)操作技能的設(shè)備，如何讓其最大限度地服務(wù)于本科教學(xué)，仍然是一個值得探討和研究的課題。

[1] 段輝平,宋洪海,杜娟.分析測試中心服務(wù)于本科教學(xué)的問題與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011,17:47-48.

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[3] 劉雁紅,崔永巖.發(fā)揮大型儀器設(shè)備在教學(xué)科研中作用的研究[J].中國輕工教育,2009,S:115-117.

[4] 陶文宏,王英姿.關(guān)于大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考[J].科技與教育,2008,9:182.

[5] 饒薇薇,包新華.對本科生開放大中型儀器的實(shí)踐與探索[J].化工高等教育,2008,3:49-51.

[6] 周仲榮,張文桂.重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室參與本科教學(xué)實(shí)踐的啟示[J].高等工程教育研究,2003,5:22-24.

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Investigation on the serving approach for large analysis and testing instruments to the undergraduate teaching

Duan Huiping, Song Honghai, Du Juan
Beijing university of aeronautics and astronautics, Beijing, 100191, China

2011-12-01

段輝平，博士，副教授，常務(wù)副主任。

北京航空航天大學(xué)教改項(xiàng)目“公共分析測試平臺在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索”。