工科專業(yè)大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)

劉小青　謝峻林　方德　梁曉寧

［摘 要］ 掌握大型精密分析儀器的核心科技，突破西方的技術(shù)壁壘，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。以透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)實踐為例，研究了工科專業(yè)大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)方法。通過開發(fā)實物教學(xué)模型，結(jié)合計算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)搭建多媒體素質(zhì)教育平臺，借助MOOC和超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建成了理論與實踐深度融合，課內(nèi)與課外、線上與線下有機(jī)結(jié)合的，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系。透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)經(jīng)驗可為其他大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)提供借鑒與參考。

［關(guān)鍵詞］ 創(chuàng)新型人才；大型精密分析儀器；透射電鏡；運(yùn)用能力

［基金項目］ 2020年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“‘材料研究與測試方法案例教學(xué)的設(shè)計與實施”（202002204026）；2021年度武漢理工大學(xué)校級教學(xué)改革重點研究項目“基于混合式教學(xué)的‘透射電鏡實驗立體化教材建設(shè)研究”（W20210059）

［作者簡介］ 劉小青（1969—），男，湖北漢川人，博士，武漢理工大學(xué)材料研究與測試中心教授級高級實驗師，主要從事電子顯微分析、固廢資源化研究；謝峻林（1965—），女，浙江慈溪人，博士，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事燃料燃燒、生態(tài)環(huán)境材料研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）24-0001-04［收稿日期］ 2022-06-21

近年來，國內(nèi)越來越多的高校購買了透射電鏡等大型精密分析儀器。這些儀器99%為西方發(fā)達(dá)國家所研發(fā)，價格昂貴，售后服務(wù)成本高。為突破技術(shù)壁壘，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)已經(jīng)迫在眉睫［1-2］。作為國家未來的創(chuàng)新型科技人才，工科大學(xué)生應(yīng)該盡可能地掌握大型精密分析儀器的工作原理和操作技能，然而長期以來，大型精密分析儀器的教學(xué)出現(xiàn)重理論、輕實踐，理論與實踐脫節(jié)，或者只講理論不做實驗的現(xiàn)象［3-4］。學(xué)生學(xué)完“分析測試技術(shù)”課程參加工作后或攻讀研究生時，仍然不會操作大型精密分析儀器的現(xiàn)象十分普遍。如何改進(jìn)分析測試技術(shù)類課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高學(xué)生大型精密分析儀器的運(yùn)用能力，是新工科背景下卓越工程師培養(yǎng)必須解決的一個棘手問題，近年來已經(jīng)受到了社會各界的廣泛關(guān)注［5-6］。信息技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了教育教學(xué)的信息化改革研究，大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)帶來的時代變革也讓教育從業(yè)者對教學(xué)改革有了更強(qiáng)烈的危機(jī)感、緊迫感和使命感［7-10］。在新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)面前，本文擬以透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)實踐，探討工科專業(yè)大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)。

一、建設(shè)背景

透射電鏡可以在納米和皮米尺度表征材料的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成等，廣泛應(yīng)用于與材料和生命科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域，是現(xiàn)代分析測試技術(shù)最重要的手段，也是理工科高校材料研究與測試方法類課程中重要的教學(xué)章節(jié)，但因?qū)W時和設(shè)備有限，在教學(xué)實踐中暴露出以下幾個主要問題：（1）透射電鏡的理論教學(xué)難度大。透射電鏡涉及的晶體學(xué)理論和電子光學(xué)理論比較艱深，透射電鏡的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，而目前透射電鏡教學(xué)資源多以文字、圖片和PPT為主，交互性、可視化的教學(xué)資源相對匱乏。因此，透射電鏡的理論知識很難被學(xué)生所理解與掌握。（2）透射電鏡的實驗教學(xué)難以有效開展。透射電鏡價格昂貴，維護(hù)成本高，臺套數(shù)少，且大多以科學(xué)研究為主，服務(wù)教學(xué)的少之又少。即使應(yīng)用于教學(xué)，也不太放心學(xué)生在儀器上操作，因此，學(xué)生在透射電鏡上的動手機(jī)會很少。（3）學(xué)生對透射電鏡的綜合運(yùn)用能力差。由于對透射電鏡理論知之不深，又缺乏實際操作經(jīng)驗，在解析透射電鏡實驗數(shù)據(jù)時，學(xué)生很難結(jié)合透射電鏡理論與實驗操作中觀察到的實驗現(xiàn)象，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的綜合分析，導(dǎo)致學(xué)生的綜合分析問題能力得不到有效提高。

二、建設(shè)目標(biāo)與定位

透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)目標(biāo)是順應(yīng)新工科背景下教學(xué)改革的大趨勢，充分利用計算機(jī)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)掘與利用各種有形和無形的教學(xué)資源，將抽象的理論形象化，將具體的實驗虛擬化，實現(xiàn)課內(nèi)教學(xué)和課外學(xué)習(xí)、線下教學(xué)和線上學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合與相互補(bǔ)充，最終建成理論與實踐深度融合的透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系。透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系是工科專業(yè)大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的重要組成部分，其建設(shè)應(yīng)滿足新工科背景下綜合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)具有較扎實的透射電鏡理論知識基礎(chǔ)、熟練的透射電鏡操作技能和獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析處理能力的透射電鏡創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

三、建設(shè)實踐

（一）構(gòu)建理論與實踐相結(jié)合的“透射電鏡”課程教學(xué)體系

根據(jù)工科大學(xué)教育對卓越人才培養(yǎng)的要求，以培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)理論素養(yǎng)和提高學(xué)生動手能力為出發(fā)點，制訂適合大學(xué)生工程教育的“透射電鏡”課程教學(xué)大綱。理論教學(xué)以目標(biāo)為導(dǎo)向組織教學(xué)，充分運(yùn)用原理示意圖、結(jié)構(gòu)解剖圖、教學(xué)視頻、教學(xué)動畫、交互式三維虛擬仿真軟件、MOOC課和超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺等多媒體教學(xué)手段，幫助學(xué)生更好地理解透射電鏡的結(jié)構(gòu)、組成和透射電鏡的工作原理、成像原理以及數(shù)據(jù)分析原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。實驗訓(xùn)練以解決實際問題為導(dǎo)向組織教學(xué)，將交互式三維虛擬仿真實驗軟件運(yùn)用于實驗操作教學(xué)，以幫助提高學(xué)生的動手能力和實驗技能。理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成，形成了理論與實踐深度融合的“透射電鏡”課程教學(xué)體系（如圖1）。

（二）開發(fā)透射電鏡實物教學(xué)模型，搭建透射電鏡多媒體素質(zhì)教育平臺

為提高學(xué)生對透射電鏡結(jié)構(gòu)和原理的認(rèn)知，學(xué)校將一臺已經(jīng)報廢的老透射電鏡作為透射電鏡實物教學(xué)模型，用線切割技術(shù)從上至下切出一個剖面，使其完整呈現(xiàn)透射電鏡的內(nèi)部構(gòu)造。同時，收集反映透射電鏡歷史和著名學(xué)者的照片、表現(xiàn)透射電鏡結(jié)構(gòu)和成像原理的示意圖，以及典型的透射電鏡圖像等，制作大型教學(xué)展板，放置于學(xué)校測試中心一樓走廊，方便學(xué)生參觀學(xué)習(xí)。制作反映透射電鏡組成結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)展演進(jìn)歷史、電鏡種類、功能與應(yīng)用等的電鏡知識科普視頻，制作交互式的透射電鏡虛擬仿真軟件輔助教學(xué)，并將科普視頻和仿真軟件用大屏顯示器展示出來。將上述透射電鏡實物模型、多媒體電腦和大屏顯示器放置于測試中心一樓大型儀器多媒體展廳，搭建了透射電鏡的多媒體素質(zhì)教育平臺。

（三）開發(fā)以學(xué)生為中心，虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的透射電鏡教學(xué)資源

利用計算機(jī)三維虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計開發(fā)透射電鏡虛擬仿真實驗平臺，構(gòu)建了以學(xué)生為中心，虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的透射電鏡教學(xué)資源（如圖2）。利用此教學(xué)平臺，只需借助電腦，學(xué)生就能夠用交互式、可視化的方式沉浸在透射電鏡實驗室中，去感受透射電鏡的真實操作。同時，由于三維技術(shù)還能將透射電鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成像原理在虛擬實驗過程中同時展現(xiàn)給學(xué)生，因此，與現(xiàn)實的透射電鏡實驗相比，更有助于學(xué)生理解和掌握透射電鏡的基本原理。

（四）建立課內(nèi)與課外、線上與線下相結(jié)合的“透射電鏡”教學(xué)和培訓(xùn)機(jī)制

“透射電鏡”教學(xué)內(nèi)容涉及的知識較多，由于課時有限，課堂上老師只能借助PPT和虛擬仿真軟件將重要的和難以掌握的知識點講解給學(xué)生聽。為了檢驗課堂上學(xué)生對知識的掌握情況，當(dāng)一節(jié)課快要結(jié)束時，利用MOOC或超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的課堂作業(yè)功能，進(jìn)行課堂小測驗，及時評估教學(xué)效果，并對學(xué)生普遍存在的問題進(jìn)行答疑解惑。這種線上和線下相結(jié)合的課堂教學(xué)方式相較于傳統(tǒng)的課堂點名回答問題教學(xué)方式更易為學(xué)生所接受，且考查了全體學(xué)生掌握知識的情況，因此，更方便教師及時掌握學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況，具有極好的教學(xué)效果。為彌補(bǔ)“透射電鏡”課時的不足，借助MOOC平臺錄制透射電鏡的教學(xué)錄像、利用超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)“透射電鏡”課程教學(xué)網(wǎng)站、借助QQ軟件建立專門的“透射電鏡”學(xué)習(xí)QQ群、利用微信和課程教學(xué)網(wǎng)站上的課程討論組等，建立學(xué)習(xí)互動交流平臺，以輔助學(xué)生線上學(xué)習(xí)和教師互動答疑。為了滿足學(xué)生更進(jìn)一步學(xué)習(xí)透射電鏡知識的需要，定期開展透射電鏡專題講座，將透射電鏡的最新技術(shù)成果和使用經(jīng)驗與大家分享；每年舉辦透射電鏡操作培訓(xùn)，進(jìn)行一對一的上機(jī)輔導(dǎo)和強(qiáng)化訓(xùn)練。借助上述多條途徑，建立了課內(nèi)與課外、線上與線下相結(jié)合的“透射電鏡”理論與操作培訓(xùn)機(jī)制。

（五）建立以能力評價為導(dǎo)向的“透射電鏡”理論與操作考核體系

以能力評價為導(dǎo)向，設(shè)計“透射電鏡”理論考核體系和操作考核體系。建立包含多種題型的試題庫，理論考核重點考查學(xué)生對透射電鏡結(jié)構(gòu)和工作原理的理解與掌握程度，以及運(yùn)用透射電鏡基本理論分析和解決實際問題的能力。操作考核包含筆試和上機(jī)考試兩部分，重點考查學(xué)生的實驗動手能力、綜合運(yùn)用能力和遇到不明或緊急情況時的應(yīng)變處置能力。

四、實踐效果

（1）經(jīng)過多年的實踐，透射電鏡的理論與實驗的課內(nèi)教學(xué)體系在材料學(xué)院全面落實?！巴干潆婄R”課程教學(xué)體系在2015～2018級無機(jī)非金屬材料工程、材料科學(xué)與工程、材料物理、材料化學(xué)、高分子科學(xué)與工程、新能源材料與器件等六個專業(yè)的60個班級中推廣實施，直接受益學(xué)生達(dá)2 200名左右。（2）透射電鏡操作培訓(xùn)機(jī)制在學(xué)校內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。從2015年至今，舉辦了20期透射電鏡操作培訓(xùn)，216名學(xué)員通過考核并拿到了相應(yīng)的透射電鏡操作證書。（3）教學(xué)成果通過MOOC、素質(zhì)教育平臺等形式推廣到全國其他學(xué)校，上線學(xué)習(xí)人數(shù)達(dá)14 690人。2020年“材料研究與測試方法”被教育部認(rèn)定為首批國家級一流本科課程?！巴干潆婄R”課程教學(xué)在其中發(fā)揮了重要的作用。（4）測試中心大型儀器展示平臺是湖北（洪山地區(qū)）科普資源開放共享聯(lián)盟成員單位，其中，透射電鏡素質(zhì)教育平臺已經(jīng)成為社會各界人士來校參會或參觀的“網(wǎng)紅打卡點”。

結(jié)語

透射電鏡運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)實踐以學(xué)生為中心，以目標(biāo)為導(dǎo)向，充分利用計算機(jī)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助教學(xué)，實現(xiàn)了理論與實踐深度融合，課內(nèi)和課外、線上和線下有機(jī)結(jié)合的教學(xué)體系，在透射電鏡創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實踐中取得了較好的效果，為其他大型精密分析儀器運(yùn)用能力培養(yǎng)體系的建設(shè)提供了一個可資借鑒的范本。在建設(shè)過程中我們也體會到，計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)雖然可以很好地輔助教學(xué)，但光靠虛擬仿真手段并不能完全代替真正的實驗操作。對于大型精密分析儀器而言，如果能按儀器的比例制作一些縮小版的可拆解的實物模型作為實驗教具，將更有利于學(xué)生綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)。

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Research on the Training System Construction of Large Precision Analytical Instrument Using Ability for Engineering Specialty

LIU Xiao-qinga， XIE Jun-linb， FANG Dea， LIANG Xiao-ningb

（a. Materials Research and Testing Center， b. School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： To master the core technology of large precision analytical instruments and break through the technical barriers from western developed countries is very important for the cultivation of innovative talents. In this paper， based on the construction practice of transmission electron microscope using ability training system as an example， the construction method of using ability training system of large precision analytical instruments was studied. By the development of physical teaching model and the rational utilization of computer multimedia technology， network technology and virtual simulation technology， a multimedia well-rounded education platform was set up. Combined with MOOC and Chaoxing online learning platform，? the using ability training system of transmission electron microscope was constructed. This system aims at cultivating innovative talents， making theory and practice deeply integrated， and organically uniting in-class teaching and out-of-class teaching， online learning and offline learning into a whole. The construction experience of transmission electron microscope application ability training system can be used as a reference.

Key words： innovative talents; large precision analytical instruments; transmission electron microscope; using ability