依托高層次科研基地開展儀器分析類課程學(xué)改革的探索

趙斌 段宏基 劉亞青 張叢筠 趙貴哲

[摘要]依托高層次科研基地，借助優(yōu)勢儀器資源和人才資源，探索儀器分析類課程教學(xué)改革對提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。該文在分析當(dāng)前儀器分析類課程教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，從授課教師、授課內(nèi)容、授課時(shí)間、教學(xué)方法及考核方式等方面提出了創(chuàng)新改革措施，以激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程的實(shí)用性與研究生的創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]儀器分析類課程;教學(xué)改革;科研基地;人才培養(yǎng)

[中圖分類號]G64

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0173-03

材料科學(xué)的發(fā)展離不開大型分析儀器，材料類研究生對大型分析儀器基本原理的理解程度以及對儀器操作的掌握和應(yīng)用能力，影響本學(xué)科研究生教學(xué)科研水平的提升，從而影響研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

一、儀器分析類課程教學(xué)現(xiàn)存問題及其產(chǎn)生原因

儀器分析類課程對于多數(shù)理工科專業(yè)尤其是對于材料類專業(yè)研究生的培養(yǎng)至關(guān)重要，但其多數(shù)課程教學(xué)采用傳統(tǒng)的講授模式，重視理論教學(xué)、偏廢實(shí)踐操作，具體來說存在以下不足：（1）一般來說，課程只安排一位授課教師，按照教科書及課件照本宣科。儀器分析類課程由同一位授課教師進(jìn)行授課，其授課方式比較單一，且受到專業(yè)和研究方向限制，難以全部精通所有儀器原理和應(yīng)用。甚至存在教研分離的問題，即負(fù)責(zé)該類課程的教師已長期脫離科學(xué)研究，嚴(yán)重影響課程教學(xué)的前沿性和創(chuàng)新性。（2）課程教學(xué)過程枯燥乏味，難以引起學(xué)生興趣。儀器分析類課程屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但當(dāng)前課程偏廢實(shí)踐操作，學(xué)生只能通過圖片等學(xué)習(xí)儀器構(gòu)造原理，較為枯燥，難以深入理解。（3）考核方式單一，通過試卷考試。學(xué)生大都通過死記硬背教科書中的考點(diǎn)來應(yīng)付考試。但對于儀器分析類課程來說，對考題的掌握并不代表對儀器應(yīng)用的掌握。就有學(xué)生雖然能在考試中拿到高分，但甚至連相關(guān)儀器都沒有見過。（4）課程內(nèi)容存在滯后性。一方面是由于培養(yǎng)方案及課程教學(xué)大綱更新不及時(shí)，另一方面是由于部分授課教師對授課內(nèi)容做不到緊跟研究前沿并及時(shí)更新。造成這些不足的原因主要為大型儀器屬于稀缺資源，購置成本、運(yùn)行成本及維護(hù)成本較高，主要用于科學(xué)研究。當(dāng)前科研與教學(xué)脫節(jié)較為嚴(yán)重，科研用儀器難以在集中的時(shí)間段用于課程教學(xué)。為了解決這些問題，許多從事研究生教學(xué)工作的教師在儀器分析類課程中引入CAI教學(xué)、視頻等方式進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。教學(xué)方式的改進(jìn)在一定程度上改善了儀器分析類課程教學(xué)狀況，但沒有從根本上解決該類課程輕視實(shí)踐操作的問題。

二、我校儀器分析類課程教學(xué)改革的背景

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科研水平的提升，先進(jìn)大型儀器及檢測設(shè)備越來越多地被投入到高等學(xué)校的科學(xué)研究中。特別是為了整合科研資源，先進(jìn)大型儀器往往在高層次的科研基地集中管理、運(yùn)行和使用。例如，筆者所在的納米功能復(fù)合材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有超過4000萬人民幣的儀器設(shè)備資源，其中包括透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、拉曼光譜、熱重分析儀、紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、X射線衍射儀等先進(jìn)儀器設(shè)備。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)室集中了十多位從事不同研究領(lǐng)域的教學(xué)科研人員，擁有穩(wěn)定的高層次人才團(tuán)隊(duì)，直接負(fù)責(zé)和維護(hù)相關(guān)大型儀器。近兩年，在山西省研究生教育改革項(xiàng)目和山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下，本團(tuán)隊(duì)依托實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢儀器資源和教師資源對研究生儀器分析類課程進(jìn)行了積極探索，將其作為中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院儀器分析類課程的補(bǔ)充和拓展，取得了顯著成效，對以實(shí)踐科研促進(jìn)教學(xué)的改革及提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。

三、儀器分析類課程教學(xué)改革實(shí)踐論析

（一）多元化授課教師組的探索

如前所述，儀器分析類課程授課內(nèi)容一般按照不同儀器來分章節(jié)，但是大多數(shù)情況下整個(gè)課程由一位教師來負(fù)責(zé)，這就會受到教師自身專業(yè)與研究方向限制，使得授課效果不理想。

在高層次科研基地中，科研團(tuán)隊(duì)由多名專注科研的教師組成，各人負(fù)責(zé)不同的研究方向和科研項(xiàng)目，長期從事前沿科學(xué)研究，同時(shí)也負(fù)責(zé)不同儀器設(shè)備的管理和維護(hù)，對不同儀器設(shè)備的原理、應(yīng)用知識及最新發(fā)展動態(tài)有專業(yè)級的理解和掌握。因此，可以依托高層次科研基地優(yōu)勢教師資源將目前儀器分析類課程“單一授課教師”改為“多元化授課教師組”，充分發(fā)揮各專業(yè)教師對儀器設(shè)備應(yīng)用的不同專長。同時(shí)，多元化授課教師組會在教學(xué)實(shí)踐中引入不同教學(xué)風(fēng)格，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高授課質(zhì)量。本團(tuán)隊(duì)在初步實(shí)踐過程中，由實(shí)驗(yàn)室主任牽頭，由五名教師組建了授課教師組，分別負(fù)責(zé)紅外光譜、熱重分析、紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡的教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)大綱由授課教師組共同討論制訂，但各授課單元、授課形式、考查方式、授課時(shí)間均由教師獨(dú)立負(fù)責(zé)，對于每類儀器的課程教學(xué)給予責(zé)任教師比較大的發(fā)揮自由。

（二）側(cè)重實(shí)踐的授課內(nèi)容設(shè)置探索

考慮到材料類研究生在本科階段已系統(tǒng)學(xué)習(xí)過相關(guān)儀器分析類課程，對不同分析儀器的基本原理和數(shù)據(jù)分析知識有初步的掌握。首先基于“多元化授課教師組”的設(shè)置，本課程的授課內(nèi)容可按儀器類型分解為多個(gè)課程單元。同時(shí)，在相應(yīng)儀器分析類課程單元內(nèi)可淘汰已過時(shí)的知識的講解，結(jié)合分析測試過程側(cè)重講解測試原理、樣品準(zhǔn)備和禁忌以及儀器實(shí)踐操作，結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目和測試結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，可以結(jié)合儀器的生產(chǎn)廠家與型號對學(xué)生拓展相關(guān)知名儀器制造商及系列型號的區(qū)別與聯(lián)系，使學(xué)生的知識體系立體化。

在傳統(tǒng)的儀器分析類課程中，學(xué)生看到的都是靜態(tài)的知識點(diǎn)，學(xué)習(xí)這些知識會感到枯燥乏味而且不利于理解和掌握。如果結(jié)合實(shí)際測試過程并要求學(xué)生實(shí)踐操作就是一個(gè)動態(tài)的教學(xué)過程，學(xué)生可以全方位地了解儀器工作原理和過程，觀察測試中數(shù)據(jù)的記錄和變化，在此基礎(chǔ)上理解并掌握測試過程中對實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置，掌握測試樣品的準(zhǔn)備和測試禁忌，熟悉測試過程中突發(fā)狀況的處理辦法等。例如在傳統(tǒng)的熱重分析教學(xué)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)完基本原理后需要分析一幅幅靜止的熱重曲線圖中的典型數(shù)據(jù)。而在改進(jìn)后的教學(xué)中，學(xué)生從樣品的準(zhǔn)備（裁切、研磨、烘干等）、裝填（如何加入到樣品坩堝中，加入多少量等）、測試條件的設(shè)置依據(jù)（溫度區(qū)間、升溫速率、測試氣氛及氣體流速等）到測試過程中曲線的動態(tài)變化都可以進(jìn)行實(shí)踐和觀察。這樣的課程設(shè)置會使學(xué)生對具體儀器分析知識有全方位的立體化的理解和掌握，對儀器知識的學(xué)習(xí)就會從記憶層面上升為理解應(yīng)用層面，為其在研究生階段從事具體科學(xué)研究打下良好基礎(chǔ)。

（三）靈活的授課時(shí)間探索

儀器分析類課程屬于材料類研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以往一般都是采用大班授課，學(xué)生人數(shù)眾多。但做了側(cè)重實(shí)踐的課程改革后，為了保證授課效果，必須壓縮每次教學(xué)的學(xué)生人數(shù)?；谇捌凇岸嘣谡n教師組”的設(shè)置及“課程單元”的分解，改進(jìn)后的課程可靈活設(shè)置授課時(shí)間，各授課教師可根據(jù)實(shí)際測試情況開設(shè)多期教學(xué)。例如紅外光譜教學(xué)，如果每期5人，那么開設(shè)10期就可以完成對50名學(xué)生的教學(xué)。還可以更加靈活地安排相關(guān)的理論教學(xué)時(shí)間與實(shí)踐教學(xué)時(shí)間，理論教學(xué)可以一次完成，側(cè)重實(shí)踐的教學(xué)部分可以分期完成等。本團(tuán)隊(duì)每年采用多期教學(xué)的方式對20余名研一學(xué)生進(jìn)行儀器教學(xué)，作為學(xué)院儀器分析類課程的補(bǔ)充，取得了顯著效果，學(xué)生在學(xué)習(xí)完成后均可以獨(dú)立操作相關(guān)儀器并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析。

（四）創(chuàng)新教學(xué)方法，提升學(xué)生科研素養(yǎng)

儀器設(shè)備的使用及數(shù)據(jù)分析能力對材料分析類研究生科研課題的順利開展至關(guān)重要，同時(shí)影響其分析和解決問題能力的提升。傳統(tǒng)儀器分析類課程的教學(xué)方法為板書或PPT課件講解，基本上屬于照本宣科的填鴨式教學(xué)，難以滿足研究生教學(xué)的需要。實(shí)行改革之后，授課教師由于均來自高層次科研基地，活躍于科研領(lǐng)域，負(fù)責(zé)相關(guān)科研課題并熟悉本學(xué)科研究領(lǐng)域前沿，在授課過程中可以以實(shí)際科研項(xiàng)目中的測試分析來加深學(xué)生對具體儀器分析的理解和掌握。從科研項(xiàng)目中要解決的問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考應(yīng)當(dāng)采用何種儀器、何種測試方法驗(yàn)證及解決問題并分析數(shù)據(jù)揭示規(guī)律。傳統(tǒng)儀器分析類課堂中以儀器原理知識為主體，學(xué)生被動學(xué)習(xí)。而改革后的課程教學(xué)以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題，進(jìn)而思考應(yīng)當(dāng)采用何種儀器及測試驗(yàn)證和解決問題，在得到結(jié)果后分析并總結(jié)規(guī)律，開展課題研究。同時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)了解具體儀器設(shè)備在當(dāng)前最新科學(xué)研究中的應(yīng)用。以科研促進(jìn)研究生教學(xué)方法的創(chuàng)新對培養(yǎng)研究生創(chuàng)新意識及分析解決問題的能力大有裨益，可大大提升研究生的科研素養(yǎng)。例如本團(tuán)隊(duì)在掃描電子顯微鏡教學(xué)實(shí)踐中，授課教師依據(jù)所從事的具體研究，通過將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為鍍鎳玻纖在聚丙烯中的分布分散研究，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)液氮脆斷樣品制備以及選擇合適放大倍率觀察鍍鎳玻纖在聚丙烯基體中的分布分散及搭接網(wǎng)絡(luò)的形成。同時(shí)要求學(xué)生學(xué)習(xí)分析相關(guān)文獻(xiàn)中SEM測試及結(jié)果討論部分，提升學(xué)生對SEM圖片處理及結(jié)果分析能力。依托科研項(xiàng)目的授課方式，可以全面提高學(xué)生利用特定儀器對相關(guān)科學(xué)問題進(jìn)行分析、解決和驗(yàn)證的能力，使學(xué)生的科研素養(yǎng)得到顯著提高。

（五）多元化考核方式探索

以本校儀器分析類課程為例，考核方式依舊為閉卷考試，以卷面成績來判定研究生對儀器分析這個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。但閉卷考試的弊端在于學(xué)生可以通過死記硬背的方式暫時(shí)記憶相關(guān)知識點(diǎn)，進(jìn)而取得高分。即使考試成績較好的研究生，在進(jìn)入實(shí)際課題研究階段時(shí)，仍然對儀器設(shè)備及其測試手段一知半解。即使對其基本原理了解，也不會合理制備樣品及做測試分析。例如，在實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)了掃描電子顯微鏡的相關(guān)知識，但在測試時(shí)卻不了解如何制備測試樣品，甚至不知道為何某些樣品需要噴金或噴碳。即使制備好了樣品，在測試時(shí)卻不能合理地選擇觀測區(qū)域。這些問題都是由于重知識傳授輕實(shí)踐操作，教學(xué)嚴(yán)重脫離科學(xué)研究實(shí)際引起的。由此我們認(rèn)為儀器分析類課程的考核方式應(yīng)該多元化。應(yīng)當(dāng)側(cè)重對儀器基本原理和用途的理解，即理解儀器可以做什么事情;側(cè)重對實(shí)踐操作及數(shù)據(jù)結(jié)果分析能力的考核;弱化紙面試題考核;以課程單元為基本考核單元，以綜合性課題對整個(gè)大課程的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價(jià)。另外，由于研究生各自的研究方向不盡相同，實(shí)際科研過程中所要重點(diǎn)學(xué)習(xí)與掌握的儀器設(shè)備也有所區(qū)別，因此不必強(qiáng)調(diào)每個(gè)研究生對所有儀器都能熟練掌握。在考核過程中可由授課教師靈活掌握。

四、結(jié)語

綜上所述，依托高層次科研基地的優(yōu)勢儀器資源和教師資源對儀器分析類課程進(jìn)行改革探索，多元化授課教師組、基于特定儀器的課程單元設(shè)置、側(cè)重實(shí)踐的授課內(nèi)容、靈活的授課時(shí)間、依托科研項(xiàng)目創(chuàng)新教學(xué)方法以及多元化考核方式等方面的改革創(chuàng)新，有助于解決當(dāng)前該類課程理論與實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重、知識點(diǎn)死板陳舊、課堂枯燥乏味等問題，也有助于提升課程教學(xué)效果以及研究生的科研能力與科研素養(yǎng)。

[責(zé)任編輯：龐丹丹]