現(xiàn)代儀器分析類課程教學創(chuàng)新探索
——以X 射線探究晶體微觀世界課程為例

劉海峰，黃鶴燕，謝瑞士，霍冀川，徐光亮

（西南科技大學 分析測試中心，四川 綿陽 621010）

隨著當今知識、經(jīng)濟、社會的高速發(fā)展，國家對高等教育的投資越來越大，同時也對高校人才的培養(yǎng)提出了更新、更高的要求。自從教育部開始實施大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃以來，傳統(tǒng)的教育思想觀念正悄然發(fā)生著變化；培養(yǎng)模式也從單一的技能或知識灌輸，改變?yōu)閺娀瘎?chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓練、增強高校學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，從而為國家建設(shè)培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才。尤其是在當前“雙一流”（世界一流大學和世界一流學科）建設(shè)的大背景下，創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已成為高等教育人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容和難點問題。

現(xiàn)代儀器分析類課程是實踐性、應(yīng)用性均較強的課程，同時又需要扎實的理化基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是通過對分析儀器及方法的相關(guān)理論和實驗進行技能培養(yǎng)與訓練，使學生具備解決生產(chǎn)、生活及科學研究中相應(yīng)問題的能力，廣泛適用于化學、物理、材料工程、材料物理、無機非金屬材料、環(huán)境工程、地質(zhì)、采礦、農(nóng)學、制藥、生物工程等相關(guān)專業(yè)。對于現(xiàn)代儀器分析類課程而言，理論教學和實驗?zāi)K相輔相成、缺一不可，是兩個重要組成部分。然而，由于現(xiàn)代大型精密貴重儀器尤其是世界先進的分析測試儀器價格高昂，運行和維護成本較高，致使很多高校的相應(yīng)課程教學存在重理論、輕實踐的問題。

在這樣的背景下，高校體系中的大型現(xiàn)代儀器共享平臺——分析測試中心便為創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一個必要的平臺。分析測試中心是高等學校的重要組成部分，是高等學校進行教學、科研和服務(wù)社會的重要基地。由于分析測試中心集中了學校大部分的大型精密貴重儀器設(shè)備，它也是一個學科交叉和創(chuàng)新實踐的公共平臺。但是，由于儀器貴重、操作復(fù)雜、常規(guī)培訓上機周期長等原因，使得絕大部分高校的學生包括研究生都只能對這些先進“科研助手”望而遠觀。因此，開發(fā)這一協(xié)同創(chuàng)新平臺為大學本科學生、研究生進行研究型實驗教學服務(wù)，讓學生共享大型儀器資源，對于完善高校實踐教學體系和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才而言意義重大。

因此，本成果針對高校教學尤其是現(xiàn)代分析測試技術(shù)類課程授課過程中普遍存在的問題，圍繞學生的自主學習能力和實踐能力培養(yǎng)進行了多年的探索和實踐，構(gòu)建了以“一主兩翼”（課堂教學為主體、智能化多媒體仿真教學和儀器操作實訓為兩翼）的教學體系為依托，以學校大型儀器開放共享平臺為教學實踐基地，融入思政要素，形成專業(yè)知識、文化素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力“四維一體”的協(xié)調(diào)發(fā)展的人才培養(yǎng)模式，使教學效果得到顯著改善，人才培養(yǎng)質(zhì)量得到穩(wěn)步提升。

一、背景和現(xiàn)狀

一間教室、一位老師、一塊黑板，這是傳統(tǒng)的課堂。盡管當今課堂有了多媒體支撐，但這種教學模式的諸多弊端仍日益凸顯。尤其是在自然科學領(lǐng)域，社會和科學技術(shù)的高速發(fā)展，導(dǎo)致課本知識相對滯后、教學內(nèi)容與研究現(xiàn)狀脫節(jié)；同時，在傳統(tǒng)教學過程中，“滿堂灌”的教學方式、單一的教學組織形式、“演示性”的實踐教學模式、單一的考核方式等，均造成學生學習的主動性和積極性不高，動手能力也受到極大限制，這與當前高校培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的目標是不相符的。

西南科技大學X 射線探究晶體微觀世界開課已有十余年，該課程是一門適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣的方法技術(shù)課程，以X 射線衍射分析這一人類探索微觀世界的強大工具為核心，對提高學生的綜合素質(zhì)和實踐技能、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力具有重要意義。2016年，課程組開始對教學體系進行改革，以解決傳統(tǒng)教學模式中的諸多“痛點”問題，提高學生的學習主動性和實踐能力，進而培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才。

二、創(chuàng)新思路

課程改革突破傳統(tǒng)的“以老師為中心”的教學模式，融合專業(yè)知識與思政要素，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)融為一體，形成“以學生為本、以提高學生綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力為主線，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展”的新型教學理念。

（一）以“四維一體”的教學體系建設(shè)為核心

課堂教學是大學教學活動的體系核心。同時，兼顧價值觀引導(dǎo)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、實踐實訓，這些是對課堂專業(yè)知識教學時空、內(nèi)容和手段上的補充，是學生陶冶情操、獲取知識和培養(yǎng)能力的重要教學形式。

（二）以高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)為導(dǎo)向

在注重學生的基本專業(yè)素質(zhì)提升的同時，重視學生的創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)，尋找到自身人才培養(yǎng)的優(yōu)勢與特色，為學生未來的職業(yè)選擇奠定基礎(chǔ)。

（三）以多元化的教學方式改革為途徑

充分利用信息技術(shù)，植入智能化多媒體仿真教學，堅持傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學手段相結(jié)合、線上與線下學習相結(jié)合；課堂教學采用課堂引入實驗、啟發(fā)式教學、課堂討論、提問式教學、理論與案例結(jié)合等手段，引導(dǎo)學生積極思考、分析問題。

（四）以學校大型儀器開放共享平臺為依托

堅持理論聯(lián)系實際，以解決生活、生產(chǎn)中遇到的實際問題為目標，并依托大型儀器開放共享平臺在課程實踐環(huán)節(jié)上不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)學生的實踐技能和創(chuàng)新能力。

三、主要舉措

（一）構(gòu)建“一主兩翼”“四維一體”的教學體系

為了提高學生的自主學習能力和實踐技能，培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才，我們依托學校大型儀器開放共享平臺（四川省大型科學儀器共享服務(wù)平臺的分平臺），構(gòu)建了以課堂教學為主體、智能化仿真教學和儀器操作實訓為支撐的“一主兩翼”教學體系（如圖1 所示），形成了集專業(yè)知識、文化素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力“四維一體”的人才培養(yǎng)模式。

圖1 “一主兩翼”“四維一體”教學體系示意圖

在課堂教學模式上，打破傳統(tǒng)的“滿堂灌”模式，采用互動式教學模式；充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開通了課程釘釘群，采用線上與線下學習相結(jié)合、補充的模式，構(gòu)建了以學生為中心、以學生自主活動為基礎(chǔ)的新型教學過程，逐步推進教學過程由教向?qū)W轉(zhuǎn)變。在實踐環(huán)節(jié)，首先充分利用X 射線衍射儀的智能化仿真教學系統(tǒng)進行模擬實踐，然后依托大儀平臺進行實訓。

在教學內(nèi)容設(shè)計上，巧妙融入思政要素，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體。例如，在物相鑒定中，設(shè)計成生活中學生感興趣的“鑒寶”（未知晶體鑒別、寶玉石鑒別）活動，在激發(fā)學生學習熱情的同時，拓展以玉石為中心載體的中國傳統(tǒng)玉文化，玉有五德（仁、義、智、勇、潔），愛“玉”即愛“德”，教育學生要以德為先。另外，我國航空航天技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，我們引以為傲，而配置高溫附件（可升溫至2 000℃以上）的X 射線衍射技術(shù)在航天器耐高溫涂層、部件的晶體結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮著重要的作用，借此提升愛國主義情懷。

教學內(nèi)容安排則突出重點和難點，邊演示邊講解，化繁為簡，努力提高學生的學習興趣；堅持理論聯(lián)系實際，將生活中遇到的實際問題及該領(lǐng)域最新研究成果引入課堂，實現(xiàn)學生專業(yè)知識、文化素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力“四維一體”的協(xié)調(diào)發(fā)展。

（二）實施多元化的教學方式

在教學活動組織方面，采用教師主導(dǎo)、學生主體模式。課堂上，老師充當“主持人”角色，以引導(dǎo)、拋出問題為主；學生分組進行討論、匯報，充分發(fā)揮了學生學習、探索的主動性。

在教學方法與手段方面，采用課堂講授、課堂引入實驗、啟發(fā)式教學、提問式教學、課堂討論、理論與案例相結(jié)合的手段，引導(dǎo)學生積極思考、分析問題。例如，將常見晶體結(jié)構(gòu)模型帶入課堂讓學生進行實物觀察對比；將關(guān)鍵知識點涉及到的實驗（通過具有紋理結(jié)構(gòu)的實木板和復(fù)合板的抗壓實驗感知石墨與鉆石晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別、光的雙縫干涉等）帶入課堂，讓學生自己操作、感知實驗過程，拓展學生思維。

在教學評價方面，注重學生識別、解決實際問題的能力，采用過程性（課外拓展作業(yè)占40%、實踐及實例分析占20%）與終結(jié)性評價（期末探索性論文占40%）相結(jié)合的方式；依據(jù)持續(xù)改進原則，根據(jù)教學過程中遇到的問題、學生反饋信息等，從教學設(shè)計、組織、實施等方面進行反思。

（三）依托優(yōu)勢資源——學校大儀共享平臺，強化實踐能力培養(yǎng)

課程依托于學校大儀共享平臺，為學生提供了優(yōu)質(zhì)的實踐平臺及實訓資源，充分發(fā)揮大型科研儀器在學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的作用。

首先，課程實踐環(huán)節(jié)引入虛擬儀器仿真平臺（如圖2 所示），將X 射線衍射儀虛擬化，學生可通過平臺操作一臺虛擬儀器，其界面和功能與實際儀器一致。學生在上機實訓之前，可先通過仿真平臺學習儀器基本操作，然后再分組進行樣品制備、上機測試、數(shù)據(jù)處理與分析等實訓操練，切實提高學生的實踐能力及課堂知識運用能力。

圖2 課程虛擬儀器仿真平臺軟件界面

另外，對大型儀器興趣濃厚且有意深入學習的同學，可繼續(xù)參加平臺的大型儀器應(yīng)用培訓班，系統(tǒng)學習儀器分析原理、自己動手制備各種不同樣品并上機測試樣品、分析數(shù)據(jù)，進一步培養(yǎng)實際動手的能力。培訓完成并經(jīng)考核后，學生可獲得相應(yīng)儀器培訓合格證書或上機證。取得上機證的學生，可預(yù)約并獨立使用儀器進行科學研究工作。

四、主要成效及推廣應(yīng)用效果

課程“一主兩翼”“四維一體”教學體系的構(gòu)建與實施，打破了傳統(tǒng)的教學模式，實現(xiàn)了教學的全面轉(zhuǎn)型。改革后的課程充分發(fā)揮了學生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用，有效解決了傳統(tǒng)“填鴨式”課堂模式死板、學生感覺枯燥而失去學習主動性、評價方式不科學且課堂與應(yīng)用脫節(jié)等“痛點”問題，激發(fā)了學生的自主探究欲望和潛能，也培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，推動了課堂教學水平的提升；同時，依托于大儀平臺，建成了理論與實踐緊密結(jié)合、突出實踐操作能力的特色課程，極大地提高了本科學生科研設(shè)計、實驗動手、綜合分析與解決問題等的能力，激發(fā)了他們的科研熱情。

很多大一、大二學生通過課程學習后，對科研充滿了極大興趣，學習目標更明確，學習動力十足，最終推免或考取了碩士研究生。例如，2014 級學生李程波，經(jīng)課程學習后加入學校大學生科研創(chuàng)新班，2018 年考取電子科技大學研究生；2014 級學生彭楊考取學校研究生；2015 級學生龔浩杰，經(jīng)課程學習后對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能研究興趣濃厚，積極參加校內(nèi)外各種實驗競賽，獲四川省第一屆物理學術(shù)競賽三等獎、四川省普通物理知識競賽二等獎，并于2019 年考取北京化工大學研究生，等等。

通過課程實踐環(huán)節(jié)衍生出的X 射線衍射儀應(yīng)用培訓班，每年面對全校本科、研究生開班1 次。2017-2021年，已有100 余人獲得儀器培訓合格證書或上機證。該模式已成功輻射到大儀平臺的其他大型儀器上。目前，平臺每月舉辦兩種儀器的應(yīng)用培訓，已培養(yǎng)大量可獨立上機進行樣品分析的學生。這對于提高學生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力，完善西南科技大學實踐教學體系和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重大意義。

課程的改革實踐，積極地融入到學?？蒲袆?chuàng)新人才培養(yǎng)體系建設(shè)中，也是國家級精品課程化學綜合設(shè)計實驗、學校在建現(xiàn)代分析測試技術(shù)精品資源共享課程群的重要組成部分，一并作為支撐材料獲得學校第五屆優(yōu)秀教學成果獎（依托優(yōu)勢資源構(gòu)建科研創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系）。課程主講教師2020 年榮獲學校第三屆教師實踐教學競賽一等獎（教授內(nèi)容為X 射線衍射分析實踐模塊）、2021 年榮獲學校第十二屆青年教學競賽二等獎，團隊參與教育部和兵器行業(yè)相關(guān)儀器分析方法標準的制/修訂（已發(fā)布實施），發(fā)表多篇相關(guān)教改論文。

課程經(jīng)過多年的探索改革與實踐，有效促進了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，其理念與具體做法在學校同類課程以及其他高校中具有普遍的適用性和推廣價值。

五、反思與今后努力方向

（一）教學反思

課程的教學創(chuàng)新改革雖有成效，但仍有諸多方面需進一步改進。例如：

1.課程課時較少，教學設(shè)計顯得太過緊湊；尤其是在實踐環(huán)節(jié)中，要想讓每一位同學都能充分地練習，則需要更多的學時。

2.教學過程中需要增加與學生的互動，如果能結(jié)合學生自身的研究課題進行講解、討論，效果將更好。

（二）努力方向

1.基于人的求知和自由本性，通過科研與教學的有機融合，將教學、知識創(chuàng)新與文化傳承過程結(jié)合起來，將相關(guān)的科研資源有效轉(zhuǎn)化為豐富教學資源，真正實現(xiàn)科教融合、教學科研相長。

2.加強線上課程（MOOC）的建設(shè)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，進一步發(fā)揮線上、線下相結(jié)合教學模式的優(yōu)勢。

3.高度重視教學改革與研究，打造特色課程，凝練高水平理論成果，并將課程改革思路加以推廣應(yīng)用。