光電子能譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐*

周傳強(qiáng)，張惠芹，趙 偉，龔翔翔

(1 揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009；2 揚(yáng)州教育學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

經(jīng)過(guò)本科階段的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，理工科研究生即將走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研工作；分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程是搭建在理論知識(shí)和科研實(shí)踐之間的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生科研實(shí)踐能力的必經(jīng)之路[1]。作為一種分析測(cè)試手段，X射線光電子能譜技術(shù)(XPS)是化學(xué)、材料等相關(guān)專業(yè)研究生必須掌握的重要研究工具；該技術(shù)在薄膜器件、半導(dǎo)體、催化材料、光電材料等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用[2-3]。當(dāng)前，在大多數(shù)高校，分析測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)仍沿用“教師講解并演示—學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)—教師評(píng)分”的傳統(tǒng)教學(xué)模式[4]，該模式下學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)體驗(yàn)感不強(qiáng)，教學(xué)效果不理想。近年來(lái)，以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)法被認(rèn)為可一定程度上提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，但該方法難以激發(fā)學(xué)生的提問(wèn)精神與創(chuàng)新意識(shí)[5-6]。與之不同，啟發(fā)式教學(xué)法的重要特征是教師設(shè)置教學(xué)場(chǎng)景、提供具有內(nèi)在啟發(fā)性地引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技能分析并解決問(wèn)題[7-8]；因而，該教學(xué)法可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，屬于高層次的問(wèn)題式教學(xué)方法[9-10]。針對(duì)研究生已經(jīng)具備相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)習(xí)能力的特點(diǎn)，本文擬以XPS測(cè)試技術(shù)為例，探索啟發(fā)式教學(xué)法在分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐，為其他測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)改革提供借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

熟悉XPS測(cè)試技術(shù)的原理(圖1A)和應(yīng)用，了解XPS儀器的主要結(jié)構(gòu)組成(圖1B)和功能，掌握測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)分析方法。

圖1 X射線激發(fā)內(nèi)層電子電離(光電原理,A)， XPS儀器的主要結(jié)構(gòu)示意圖(B)[2]Fig.1 Ionization of inner electrons inspired by X-ray (photoelectron principle)(A); Structure diagram of X-ray photoelectron spectroscopy(B)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

(1)實(shí)驗(yàn)材料：聚對(duì)苯二甲酸類塑料(Polyethylene terephthalate, PET)塑料飲料瓶(圖2A)；

(2)實(shí)驗(yàn)儀器：ESCALAB 250Xi光電子能譜儀(美國(guó)ThermoFisher公司制造，圖2B)；

(3)數(shù)據(jù)采集及處理：測(cè)試和數(shù)據(jù)處理用Avantage軟件(圖2C)。

圖2 PET塑料飲料瓶照片(A),ESCALAB 250Xi 光電子能譜儀照片(B)和用于測(cè)試與數(shù)據(jù)處理的 Advantage軟件界面(C)Fig.2 Photo of PET plastic bottle(A)， photo of ESCALAB 250Xi X-ray photoelectron spectroscopy(B) and advantage software interface used for measurement and data processing (C)

2 啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

以我校相關(guān)專業(yè)2020級(jí)選修《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)與儀器》課程的100研究生作為研究對(duì)象。在課程開(kāi)始時(shí)將學(xué)生隨機(jī)分為兩大組，第一大組進(jìn)行傳統(tǒng)模式教學(xué)，作為對(duì)照。

第二大組開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)：分成兩個(gè)批次，每批次5個(gè)小組，每小組5人(教學(xué)時(shí)分多個(gè)批次)，以小組為單位開(kāi)展相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)；啟發(fā)式教學(xué)過(guò)程分為三個(gè)階段(圖3)：首先是教學(xué)準(zhǔn)備階段：教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)好奇心，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題；其次是教學(xué)實(shí)施階段：教師鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生學(xué)習(xí)指引方向，激發(fā)探究心，指導(dǎo)學(xué)生分析并解決問(wèn)題；最后是學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)階段：教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，給予學(xué)生積極評(píng)價(jià)與肯定，使他們?cè)鰪?qiáng)學(xué)習(xí)自信心，體驗(yàn)學(xué)習(xí)愉悅感。

圖3 啟發(fā)式教學(xué)中不同階段教師引導(dǎo)下學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程Fig.3 Students’ learning procedures at different stages guided under teacher in heuristic teaching

2.1 教學(xué)準(zhǔn)備

2.1.1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

在XPS測(cè)試技術(shù)理論課程前兩周，教師設(shè)計(jì)教學(xué)場(chǎng)景，帶PET塑料瓶裝飲料到放在講臺(tái)上，問(wèn)大家：“你們平時(shí)喝瓶裝飲料嗎？你們知道這個(gè)飲料瓶是什么做的嗎？”學(xué)生回答：“塑料?。　痹賳?wèn)：“塑料有很多種，你們知道這是哪種塑料嗎？”有學(xué)生回答：“PET。” 然后，老師再問(wèn)：“怎么證實(shí)它是PET呢？”在不知不覺(jué)中將學(xué)生引入“如何測(cè)試材料的組成元素與化學(xué)結(jié)構(gòu)”、“XPS測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用”等教學(xué)內(nèi)容上來(lái)。這種聊天的方式很容易讓學(xué)生接受，并能激發(fā)起他們主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。緊接著，教師可以向?qū)W生建議使用啟發(fā)式教學(xué)來(lái)學(xué)習(xí)XPS測(cè)試技術(shù)這門課程，并介紹該教學(xué)模式的概念和過(guò)程，告訴他們查找文獻(xiàn)資料和尋求幫助的途徑與方法。

2.1.2 分解教學(xué)任務(wù)

XPS測(cè)試技術(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程分為理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐兩部分。理論學(xué)習(xí)任務(wù)又可以分解成五個(gè)部分：(1)儀器測(cè)試原理和技術(shù)發(fā)展歷史；(2)XPS儀器的主要組成結(jié)構(gòu)和功能；(3)XPS樣品要求和樣品制備過(guò)程；(4)XPS測(cè)試過(guò)程和測(cè)試程序；(5)XPS數(shù)據(jù)的常用處理方法和結(jié)果分析。相應(yīng)地，參加啟發(fā)式教學(xué)學(xué)習(xí)的五個(gè)小組分別負(fù)責(zé)講解以上5項(xiàng)內(nèi)容，當(dāng)一個(gè)小組講解時(shí)，其他小組成員負(fù)責(zé)對(duì)講解內(nèi)容提問(wèn)或給出意見(jiàn)和建議，包括課件的可觀賞性，內(nèi)容完整性和可理解性，講解語(yǔ)言的邏輯性等等。實(shí)踐過(guò)程分為：樣品準(zhǔn)備、樣品測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。教師告知學(xué)生獲取知識(shí)的途徑：在中國(guó)知網(wǎng)上可以查到XPS儀器原理和技術(shù)發(fā)展歷史，在學(xué)校測(cè)試中心網(wǎng)頁(yè)上可以看到儀器功能和應(yīng)用領(lǐng)域的介紹，等等。

2.2 教學(xué)實(shí)施

2.2.1 理論學(xué)習(xí)

第1小組選出代表講解XPS儀器的測(cè)試原理和該測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷史，第3小組針對(duì)講解內(nèi)容提出“什么情況下的材料可以發(fā)生光電效應(yīng)？”、“光電子跑出來(lái)之后材料表面帶正電荷怎么辦？”等關(guān)鍵性問(wèn)題；第1小組回答：“光子的能量稍大于材料表層原子內(nèi)電子的結(jié)合能時(shí)就可以發(fā)生光電效應(yīng)”和“光電子的數(shù)量相對(duì)較少”等。教師肯定了學(xué)生們的努力，但同時(shí)指出這個(gè)回答并不準(zhǔn)確，留下的疑問(wèn)可以聽(tīng)聽(tīng)下面的講解。果然，第2小組在講解儀器的主要組成結(jié)構(gòu)和功能時(shí)，提到X射線的能量足以使元素的內(nèi)層電子或價(jià)電子克服束縛能而逃逸出來(lái)，還提到儀器有一個(gè)叫“中和槍”的部件可發(fā)射低速電子到樣品表面用于中和由于光電子逃逸而造成的正電荷。大家聽(tīng)到這里，不約而同地“喔”了一聲，自然得到問(wèn)題的答案。

第3小組的同學(xué)講到樣品必須是干燥、無(wú)揮發(fā)性且化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的固體時(shí)，第1小組的同學(xué)提問(wèn)“溶液中的樣品如何測(cè)試？”、“如何判斷樣品有沒(méi)有揮發(fā)性？”，第3小組的同學(xué)分別回答 “溶液中的樣品需要干燥富集到鋁箔上”和“有無(wú)揮發(fā)性可通過(guò)將樣品放在真空干燥箱中一段時(shí)間看真空度是否變化來(lái)判斷”。教師對(duì)講解和提問(wèn)的同學(xué)都進(jìn)行了表?yè)P(yáng)，并表示大家再認(rèn)真聽(tīng)聽(tīng)下一組同學(xué)的講解就更清楚了。第4小組在講解XPS測(cè)試過(guò)程時(shí)，特別強(qiáng)樣品臺(tái)要先放入進(jìn)樣室2～3 h等真空度不再變化時(shí)才送入分析室檢測(cè)。第5小組介紹了處理XPS數(shù)據(jù)的常用軟件Avantage，雖然他們用的并不太熟練，但基本功能都講解了，可見(jiàn)他們也花費(fèi)了不少時(shí)間和精力，教師肯定了他們的努力。

2.2.2 實(shí)踐過(guò)程

實(shí)踐內(nèi)容主要包括：(1)樣品制備：從塑料礦泉水瓶上剪一塊1 cm×1 cm的平整小片，干燥后用雙面膠貼在樣品臺(tái)上，然后送入儀器的進(jìn)樣室，抽真空達(dá)到10-7mbar后，將樣品傳入到分析室；(2)樣品測(cè)試：包括在控制儀器的電腦上打開(kāi)Avantage軟件、設(shè)置程序樹(shù)(設(shè)置要測(cè)元素、通過(guò)能、掃描次數(shù)等)、設(shè)定測(cè)試點(diǎn)、開(kāi)啟中和槍與X射線槍、點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始；測(cè)試結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)；(3)數(shù)據(jù)處理：到另外一臺(tái)電腦上下載數(shù)據(jù)，打開(kāi)Avantage軟件處理數(shù)據(jù)：首先對(duì)全譜進(jìn)行元素識(shí)別，再進(jìn)行荷電矯正，然后根據(jù)PET的分子結(jié)構(gòu)單元對(duì)C1s與O1s譜進(jìn)行分峰擬合，最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 PET聚合物的結(jié)構(gòu)單元(A),PET的XPS全譜(B),PET的XPS C1s譜(C)和PET的XPS O1s譜(D)Fig.4 Structural units of PET polymer(A)， XPS survey spectrum of PET(B)， C1s spectrum of PET(C) and O1s spectrum of PET(D)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以小組為單位學(xué)生自己動(dòng)手開(kāi)展樣品制備、樣品測(cè)試，并處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；教師只需要在旁邊觀看，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)再加以糾正和指導(dǎo)，或他們需要幫助時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單講解。當(dāng)5個(gè)小組的同學(xué)都完成測(cè)試后，大家又圍在一起討論心得和體會(huì)。第1小組的同學(xué)提出:“在測(cè)試環(huán)節(jié)，為什么要先開(kāi)啟中和槍而后開(kāi)X射線槍？”第4小組同學(xué)回答：“那是為了防止材料表面出現(xiàn)正電荷?！钡?小組的同學(xué)補(bǔ)充：“如果先開(kāi)X射線槍測(cè)試就開(kāi)始了，中和就來(lái)不及了。”第5小組的同學(xué)提出：“數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為什么要進(jìn)行荷電矯正？”第2小組的同學(xué)說(shuō)：“因?yàn)樽V圖的起點(diǎn)不在零點(diǎn)，而是在-2 eV左右的位置?！比缓蟮?小組的那個(gè)同學(xué)追問(wèn)：“譜圖的起點(diǎn)為什么在-2 eV左右呢？”同學(xué)們面面相覷，教師看到?jīng)]人能夠回答，正要解答，突然聽(tīng)到第1小組的一名女生低聲說(shuō)：“可能因?yàn)橹泻蜆屜乳_(kāi)的，中和電子比較多的原因吧！”諸如此類的討論還有不少。最后，教師肯定了大家的討論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中各組的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)：整體上每一小組都完成了自主實(shí)驗(yàn)過(guò)程，但也存在一些小的問(wèn)題。第1、3小組在程序設(shè)置上存在困難，第2、5小組在數(shù)據(jù)分析軟件的使用不熟練；第4小組對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)理解上還不夠，等等。針對(duì)這些問(wèn)題，教師進(jìn)行了有針對(duì)性的指導(dǎo)和講解。

2.3 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)是判斷學(xué)生對(duì)知識(shí)技能掌握程度的手段，是教學(xué)評(píng)價(jià)的重要組成部分，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向和方法具有指導(dǎo)意義[11]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后，教師要求每位學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行自評(píng)、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，撰寫學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師主要根據(jù)學(xué)習(xí)報(bào)告的完成程度評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)技能的掌握情況，給出分?jǐn)?shù)或等級(jí)。與傳統(tǒng)教學(xué)模式中以結(jié)論性評(píng)價(jià)為主不同，啟發(fā)式教學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系采用以形成性評(píng)價(jià)為主、結(jié)論性評(píng)價(jià)為輔的評(píng)價(jià)方法[12-13]。為全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與改善教學(xué)方法，本研究提出學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)由學(xué)生自評(píng)、組員互評(píng)和教師總評(píng)三部分組成(圖5)，且三部分的權(quán)重相同，各占1/3。這種評(píng)價(jià)方法的提出主要基于以下考量：首先，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，對(duì)自己的學(xué)習(xí)效果和收獲了解最全面；其次，小組內(nèi)同學(xué)們協(xié)作開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，充分交流和討論，對(duì)個(gè)體的學(xué)習(xí)效果相互間比較了解，評(píng)價(jià)相對(duì)客觀；最后，教師通過(guò)觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，并審閱學(xué)生的總結(jié)報(bào)告，作出客觀、全面的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)。本研究提出的新型學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系，不僅可幫助教師準(zhǔn)確掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的認(rèn)知情況，還可以讓教師明白教學(xué)過(guò)程的不足之處及學(xué)生對(duì)教學(xué)活動(dòng)的反饋，為進(jìn)一步改善教學(xué)方法并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提供依據(jù)。

圖5 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)組成圖Fig.5 Study evaluation composition

3 教學(xué)效果分析

為了分析教學(xué)效果，從學(xué)生參與度、學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能掌握程度、學(xué)生滿意度四個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示：傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生的參與度只有65%，對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能掌握的學(xué)生分別占比69%和60%，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的滿意度也僅有47%；而在啟發(fā)式教學(xué)中，所有學(xué)生參與了教學(xué)過(guò)程(參與度100%)，分別有91%和87%的學(xué)生掌握了理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)生滿意度達(dá)到了89%。更重要的是，滿意該教學(xué)效果的學(xué)生對(duì)其他科研實(shí)驗(yàn)技術(shù)啟發(fā)式教學(xué)也充滿期待。實(shí)踐證明：?jiǎn)l(fā)式教學(xué)模式具有很好的教學(xué)效果：講解的同學(xué)為了講好內(nèi)容積極查閱文獻(xiàn)資料，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)；而提問(wèn)的同學(xué)只有認(rèn)真聽(tīng)講解、積極思考，才能提出合適的問(wèn)題。由于學(xué)生之間身份平等、學(xué)識(shí)水平接近，提問(wèn)同學(xué)對(duì)講解內(nèi)容敢于質(zhì)疑，積極思考，而講解同學(xué)也勇于回應(yīng)提出的質(zhì)疑，在回應(yīng)中思考并補(bǔ)充知識(shí)；在同學(xué)之間的討論或辯論中獲得新知識(shí)、實(shí)現(xiàn)新知識(shí)體系的構(gòu)建，這比師生之間的討論效果更好。教師在聽(tīng)過(guò)學(xué)生的講解和提問(wèn)后，更清楚學(xué)生想學(xué)什么、需要學(xué)什么、學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在哪里，然后用學(xué)生易于接受的方式講解；教師的講解雖少但可有的放矢、起到四兩撥千斤的作用[14-15]。

表1 啟發(fā)式課堂教學(xué)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)的教學(xué)效果比較Table 1 A comparison for the teaching results by the heuristic teaching and traditional teaching (%)

4 結(jié) 語(yǔ)

以上教學(xué)實(shí)踐表明，將啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)用于研究生實(shí)驗(yàn)課程是可行的。在教學(xué)準(zhǔn)備階段，教師要巧妙設(shè)計(jì)并創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，啟發(fā)學(xué)生的好奇心，使他們主動(dòng)發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題；在教學(xué)實(shí)施階段，教師將學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行分解、讓學(xué)生分組完成各個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)分析問(wèn)題，引導(dǎo)他們自主地開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)以解決問(wèn)題；學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)階段，教師鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)、讓組員之間互相評(píng)價(jià)，最后教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為給予肯定和積極引導(dǎo)，以增強(qiáng)他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)的信心。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，啟發(fā)式教學(xué)中教師的講解和演示內(nèi)容減少了，但在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上起關(guān)鍵引導(dǎo)作用，激發(fā)并調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極主動(dòng)性，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和創(chuàng)新性解決問(wèn)題的能力得到了鍛煉。因此，有理由相信，將啟發(fā)式教學(xué)法應(yīng)用到更多實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，必將明顯提升其教學(xué)效果。