OPCE理念指導(dǎo)下的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革*

郭守杰，吳利軍，蔡 拓，李知聲，王之俊，法文君

(1 許昌學(xué)院化工與材料學(xué)院，河南 許昌 461000；2 許昌學(xué)院實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理中心，河南 許昌 461000)

當(dāng)今社會(huì)，高科技時(shí)代急需具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力已經(jīng)成為近年來高校發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力上有著舉足輕重的作用[2]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程重要性不言而喻，儀器分析是采用一系列特殊的儀器設(shè)備，通過測(cè)量材料的某些物理或者物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、元素含量及結(jié)構(gòu)信息的一種方法。隨著科技的不斷發(fā)展，形貌各異的材料被相繼開發(fā)出來，在材料開發(fā)過程中，需要通過儀器對(duì)其進(jìn)行一系列的分析表征，從而判斷合成材料是否符合預(yù)期。目前許多高校均開設(shè)了儀器分析課程，該課程包括儀器分析理論課程和儀器分析實(shí)驗(yàn)課程，《儀器分析》已經(jīng)被列為化學(xué)專業(yè)(本科)必修的基礎(chǔ)課程之一。隨著“儀器分析”課程的重要性日趨重要，為適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的要求，構(gòu)建適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的“儀器分析”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，改革儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段現(xiàn)代化勢(shì)在必行[3]。

作為儀器分析課程中的實(shí)踐環(huán)節(jié)，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)具有直觀性、實(shí)踐性、科學(xué)性及綜合性等特征[4]，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程是一門與儀器分析理論課程緊密配合的課程，開設(shè)在學(xué)習(xí)了理論課程以后。學(xué)生首先通過儀器分析理論課了解儀器的構(gòu)造、測(cè)試原理等內(nèi)容，然后通過儀器分析實(shí)驗(yàn)課加深對(duì)有關(guān)儀器分析方法基本原理的理解，更直觀的了解儀器的基本結(jié)構(gòu)，掌握儀器的基本操作方法，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)的處理及分析，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力，從而為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及未來職業(yè)崗位的勝任奠定一定基礎(chǔ)。

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程之一的掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，在儀器分析課程中起著重要的作用。掃描電子顯微鏡是探測(cè)微觀世界的重要大型精密儀器，可用于研究樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形貌特征、成份分析等[5]。通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程可以直觀的了解儀器的構(gòu)造、操作過程，熟悉一系列電鏡相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，選取特定樣品進(jìn)行拍攝，通過課中實(shí)時(shí)觀察樣品的微觀形貌，熟悉電鏡的操作要點(diǎn)，掌握電鏡圖片的分析方法，為后續(xù)科研過程中的電鏡測(cè)試奠定了良好的基礎(chǔ)。

作為建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)為目標(biāo)的許昌學(xué)院，經(jīng)過一系列的教學(xué)改革實(shí)踐，提出了建立在OPCE(Open，Practical，and Creative Education)即“開放、實(shí)踐、創(chuàng)新”理念基礎(chǔ)上的人才培養(yǎng)模式，此項(xiàng)人才培養(yǎng)模式在開放、實(shí)踐和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上達(dá)到教育學(xué)生的目的，即以開放的課程模式為導(dǎo)向，以學(xué)生實(shí)踐為教學(xué)途徑，旨在開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維和解決實(shí)際問題的能力[6]，該項(xiàng)成果榮獲2020河南省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)。本文基于OPCE理念為指導(dǎo)，以掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程為例，指出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，從多方面分析，提出了一系列的建議，從課前預(yù)習(xí)、授課方式、考核方式、設(shè)備開放以及科研教學(xué)結(jié)合等方面出發(fā)，以激發(fā)學(xué)生的上課興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，促使學(xué)生主動(dòng)思考，全方位提升授課效果，從而最終達(dá)到課程改革目的。

1 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)概況

1.1 掃描電鏡介紹

掃描電子顯微鏡是用于觀察樣品微觀形貌的設(shè)備，利用高能電子束掃描樣品表面，激發(fā)出一系列電信號(hào)被探測(cè)器接收，經(jīng)過一系列光電轉(zhuǎn)換，最終形成樣品的微觀形貌，屬于一種功能強(qiáng)大的材料測(cè)試分析設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)包括：鏡筒、樣品倉，成像及記錄系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1 掃描電鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of SEM

1.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專業(yè)課程教學(xué)活動(dòng)中占有重要地位，有利于提高學(xué)生的分析問題、解決問題的能力[7]。許昌學(xué)院化工與材料學(xué)院的材料相關(guān)三個(gè)專業(yè)，均開設(shè)了掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，課程內(nèi)容包括：電鏡工作原理的學(xué)習(xí)、樣品的制備、電鏡樣品的拍攝觀察(該內(nèi)容由老師操作)、后期的實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理及課程考核等內(nèi)容。

但是由于掃描電鏡設(shè)備昂貴，加上課時(shí)有限，學(xué)生沒有上機(jī)操作的機(jī)會(huì)，幾個(gè)小時(shí)的學(xué)習(xí)達(dá)不到理想的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生對(duì)電鏡工作原理、樣品拍攝技巧、電鏡圖片分析等知識(shí)的掌握程度參差不齊，注意力集中、自覺性良好的學(xué)生可以獲取一些相關(guān)知識(shí)，自覺性相對(duì)差的學(xué)生基本上屬于走馬觀花，效果不佳。另外由于考核方式單一，主要依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量以及理論知識(shí)考核對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，無法真正掌握學(xué)生對(duì)設(shè)備原理的理解及對(duì)操作技能的掌握。根據(jù)以上問題，基于OPCE理念為指導(dǎo)提出以下解決辦法，以達(dá)到改變目前實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，充分培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及分析、解決問題的能力，最終提高教學(xué)效果。

2 建立OPCE理念為中心的掃描電鏡課程教學(xué)改革

2.1 有效利用微課、課前充分預(yù)習(xí)

如果僅通過課本學(xué)習(xí)掃描電鏡的原理、構(gòu)造及操作的知識(shí)，比較枯燥、乏味、難以理解。所以充分利用微課手段，錄制一些平時(shí)電鏡操作期間的視頻(包括制樣、放樣、操作等過程)及電鏡內(nèi)部構(gòu)造的圖片，加上有關(guān)電鏡工作原理的視頻動(dòng)畫。利用目前發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，將課堂教學(xué)延伸到課外，課前將這些內(nèi)容發(fā)到學(xué)生群，充分以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，通過生動(dòng)形象的形式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深預(yù)習(xí)的效果，目前微課已經(jīng)成為高校課堂授課重要的輔助手段[8]，另外在課前預(yù)習(xí)過程中增加一項(xiàng)內(nèi)容，即提出幾個(gè)課程相關(guān)的問題，諸如：簡(jiǎn)述掃描電鏡的分辨率的主要影響因素，解釋一下景深的定義，二次電子和背散射電子是如何產(chǎn)生的。讓學(xué)生在預(yù)習(xí)報(bào)告中對(duì)上述提出的問題進(jìn)行詳細(xì)解答，根據(jù)學(xué)生的解答情況判斷學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。這樣學(xué)生在上課前就已經(jīng)對(duì)本節(jié)課程有了一定程度的了解，帶著問題來進(jìn)行學(xué)習(xí)，達(dá)到提升學(xué)習(xí)效果的目的。

2.2 新舊電鏡搭配、學(xué)生親自上機(jī)

目前學(xué)院一臺(tái)鎢燈絲掃描電鏡因?yàn)橘徺I時(shí)間較長，加上分辨率比較低，缺少良好的維護(hù)，導(dǎo)致設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)，而新購置的場(chǎng)發(fā)射電鏡由于性能優(yōu)良，分辨率高，長期處于飽和狀態(tài)，沒有達(dá)到對(duì)設(shè)備的科學(xué)有效利用。為改變以上現(xiàn)狀，將利用學(xué)院舊電鏡開展電鏡授課，培訓(xùn)過程中將設(shè)備的整個(gè)操作過程進(jìn)行錄像，課后將錄像上傳至學(xué)生群里，方便學(xué)生在課程結(jié)束后進(jìn)行復(fù)習(xí)，同時(shí)為提高授課效果，采取小組模式，每組學(xué)生不超過8名同學(xué)，在前期預(yù)習(xí)過程對(duì)電鏡原理及構(gòu)造有了詳細(xì)的了解后，課堂上主要講解設(shè)備的開關(guān)機(jī)方法，重點(diǎn)講述樣品拍攝技巧，包括焦距調(diào)節(jié)、相散調(diào)節(jié)，電壓、電流、工作距離等工作條件改變對(duì)樣品拍攝效果的影響等方面。課程進(jìn)行中，基于OPCE理念，為每一名學(xué)生提供上機(jī)操作實(shí)踐的機(jī)會(huì)，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生進(jìn)一步理解并掌握電鏡的操作技巧。

2.3 開放舊電鏡，定期開展電鏡培訓(xùn)

除正常儀器分析課程中的電鏡課程外，將舊電鏡對(duì)學(xué)生開放，每年定期開展電鏡操作培訓(xùn)，對(duì)該設(shè)備有興趣的學(xué)生均可以報(bào)名參加，在該培訓(xùn)中，由于時(shí)間更加充分，可以對(duì)電鏡的工作原理、制樣技巧及操作方法等進(jìn)行詳細(xì)的講述，和同學(xué)進(jìn)行充分的互動(dòng)，有問題的同學(xué)可以及時(shí)的進(jìn)行詢問，通過系統(tǒng)性的培訓(xùn)，讓學(xué)生都能夠充分的掌握上述內(nèi)容，最終培養(yǎng)出一批能夠熟練操作電鏡的學(xué)生，對(duì)他們進(jìn)行上機(jī)考核，考核通過的學(xué)生即可獨(dú)立進(jìn)行電鏡操作。同時(shí)在考核通過的學(xué)生拍攝樣品過程中，組織其他同學(xué)進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)，通過老帶新模式，進(jìn)一步提高電鏡學(xué)習(xí)效果，形成一種良性循環(huán)，既培養(yǎng)了學(xué)生的操作技能，也優(yōu)化了設(shè)備利用效率，另外學(xué)生科研過程中制備的樣品，可以及時(shí)的進(jìn)行電鏡拍攝，最終也提升了科研效率。

2.4 增加上機(jī)考試，考察動(dòng)手能力

經(jīng)過對(duì)歷屆學(xué)生的觀察，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在重理論知識(shí)而輕實(shí)驗(yàn)操作的現(xiàn)象，對(duì)于課堂上面講授的理論知識(shí)，都會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間去學(xué)習(xí)掌握，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)，卻認(rèn)為是對(duì)理論的驗(yàn)證，都是老師的事情，無需太重視[9]，針對(duì)以上現(xiàn)象，基于OPCE理念，對(duì)考試方式進(jìn)行優(yōu)化，在課程考試中，除了理論考試外，增設(shè)上機(jī)考試，對(duì)學(xué)生進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，重點(diǎn)考察學(xué)生對(duì)操作要點(diǎn)掌握的程度，每名同學(xué)能夠清晰講解設(shè)備開關(guān)機(jī)操作步驟，同時(shí)能夠獨(dú)立拍攝出形貌清晰、輪廓分明、無明顯相散的樣品照片就可以通過上機(jī)考試，考試通過以后結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告及理論考試成績(jī)就是該名學(xué)生的最終成績(jī)，通過考試形式優(yōu)化，更能提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作的重視程度，達(dá)到理論與實(shí)踐的結(jié)合，最大限度的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.5 增設(shè)掃描電鏡選修課程、融入思政元素

申請(qǐng)?jiān)趯W(xué)校增設(shè)《掃描電鏡》選修課程，可以讓一些學(xué)有余力、同時(shí)對(duì)這門課程有興趣的學(xué)生都能報(bào)名進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，在增加學(xué)分的同時(shí)，還可以對(duì)掃描電鏡的原理、拍攝技巧、電鏡相關(guān)科學(xué)研究等方面都能夠有較深入的了解。高校是培養(yǎng)人才的搖籃，是立德樹人的重要陣地，全國高校思想政治工作會(huì)議上再次強(qiáng)調(diào)高校思想政治工作的重要性。要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把課程思政貫穿教育教學(xué)的全過程，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[10]，所以在課堂上面講述一些電鏡的發(fā)展歷史以及我國目前的研發(fā)水平和發(fā)達(dá)國家的差距，鼓勵(lì)大家以后要好好學(xué)習(xí)，大膽創(chuàng)新，努力奮斗，為國家的科研發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量，同時(shí)課堂上面準(zhǔn)備一些精美的電鏡照片，通過觀察這些精美圖片，讓他們了解微觀世界的奇妙，激發(fā)學(xué)生對(duì)電鏡的興趣，通過現(xiàn)場(chǎng)講解電鏡原理，使他們更加直觀的理解電鏡，形象的了解電鏡的圖像是如何產(chǎn)生的，通過控制學(xué)生人數(shù)，使每一名學(xué)生都有上機(jī)操作的機(jī)會(huì)，上機(jī)操作過程中為他們?cè)敿?xì)講解電鏡操作的技巧，如何能夠結(jié)合調(diào)節(jié)焦距和相散，拍攝出最清晰的照片，通過現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方式，最終使學(xué)生可以獨(dú)立操作電鏡，同時(shí)對(duì)電鏡有了更深層次的理解。

2.6 教學(xué)服務(wù)科研，科研促進(jìn)教學(xué)

目前本院學(xué)生進(jìn)入大二以后，就需要進(jìn)入課題組開展科研工作，該項(xiàng)工作就是基于OPCE理念基礎(chǔ)上的開放平臺(tái)實(shí)踐課。課前指導(dǎo)教師為學(xué)生布置科研題目，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、瀏覽書籍確定實(shí)驗(yàn)方案，然后進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，在這期間均需要通過掃描電鏡對(duì)制備的材料進(jìn)行形貌觀察，然后通過其他分析儀器測(cè)試，最終制備出預(yù)期的樣品。掃描電鏡在科研過程中發(fā)揮的作用是舉足輕重的，在電鏡培訓(xùn)及授課過程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、最終能夠通過實(shí)踐獨(dú)立解決問題的能力，是掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的焦點(diǎn)問題。鑒于此，在電鏡課堂上準(zhǔn)備一些學(xué)生科研過程中制備的樣品照片，拍攝過程中讓學(xué)生觀察不同條件下合成出來的樣品形貌變化(如圖2所示)，讓同學(xué)知道反應(yīng)條件的不同就會(huì)對(duì)樣品的形貌產(chǎn)生很大的影響，提醒學(xué)生在科研過程中一定要養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍，大膽創(chuàng)新的科學(xué)精神。

圖2 DMF、PVP混合不同比例的聚苯胺后的靜電紡絲樣品Fig.2 Electrospinning samples of DMF，PVP with different proportions of polyaniline

通過理論教學(xué)與科研中的實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)電鏡的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生科研興趣，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中創(chuàng)新，使學(xué)生更深層次的理解電鏡、掌握電鏡，從而達(dá)到電鏡教學(xué)服務(wù)科研，同時(shí)科研過程又可以促進(jìn)電鏡教學(xué)的目的，最終契合了我們學(xué)院科研與教學(xué)并舉、實(shí)踐與創(chuàng)新相長的理念。

3 結(jié) 語

基于OPCE理念，以學(xué)生實(shí)踐為中心，以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，通過一系列的教學(xué)改革手段，提高學(xué)生對(duì)電鏡學(xué)習(xí)的興趣，優(yōu)化設(shè)備利用率，促進(jìn)人才的有效培養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，最終達(dá)到電鏡教學(xué)改革的效果，同時(shí)該項(xiàng)改革的實(shí)施還可以為其他儀器分析實(shí)驗(yàn)改革提供借鑒。