大型儀器開放實驗混合式教學的探索與實踐

［摘 要］在“雙一流”高校建設的新時期，大型精密儀器的引進能夠完善和提升高校的育人環(huán)境，促進學科前沿成果轉(zhuǎn)化，推動高素質(zhì)創(chuàng)新型科研人才的培養(yǎng)。依托最新X射線光電子能譜儀，結(jié)合國際國內(nèi)科研熱點，課題組設計了“X射線光電子能譜技術(shù)在先進材料表面研究中的應用”開放實驗教學課程，形成了“云課堂—儀器硬件/應用軟件現(xiàn)場培訓—微課堂—實驗項目研究”的新型開放實驗混合式教學模式。該開放實驗教學模式集知識養(yǎng)成、實驗技能基礎和學科關(guān)鍵問題于一體，不僅能豐富學生學科儀器的知識儲備、提升學生嚴謹科學的實驗操作素養(yǎng)，促進學生主動思考、提高主動分析和解決問題的能力，而且有利于培養(yǎng)學生關(guān)注科技前沿的意識和興趣，激發(fā)學生投身科研事業(yè)的熱情，開闊學生的視野，推動學生原始創(chuàng)新的動力。

［關(guān)鍵詞］開放實驗混合式教學；X射線光電子能譜儀；云課堂；儀器硬件/軟件現(xiàn)場培訓；微課堂

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0072-05

新形勢下，北京理工大學緊密圍繞建設“世界雙一流大學”的目標，積極推動一流實驗室建設與共享，不斷發(fā)揮實驗平臺的優(yōu)勢，不斷探索先進前沿、高效創(chuàng)新的開放實驗教學的實踐經(jīng)驗，豐富培養(yǎng)創(chuàng)新型人才體系中重要的組成部分所涉及的實驗內(nèi)容和實驗技能；深入貫徹實施“價值塑造、知識養(yǎng)成、創(chuàng)新實踐”三位一體的培養(yǎng)模式[1]，創(chuàng)新開放內(nèi)容、開放形式、開放模式、開放類型，培養(yǎng)學生的原始創(chuàng)新和實踐能力，通過實驗室開放工作，使本科生和研究生能夠較早地涉足科學研究工作并且提高其科學實驗技能。

高校實驗室是進行學科建設、開展科學基礎研究和科技創(chuàng)新、發(fā)展學生的原始創(chuàng)新能力和實驗操作能力的重要平臺。代表著先進的科學技術(shù)發(fā)展成果的大型精密儀器設備，將不再屬于科研的專利，其教學功能逐步被挖掘、開發(fā)和利用，是高校實施人才培養(yǎng)、專業(yè)建設、創(chuàng)新實踐、學科發(fā)展的重要物質(zhì)基礎[2]。目前大型精密儀器在高校實驗教學中的使用，受儀器資源配置、學時、師資力量等因素影響，具有更大的復雜程度與更多的不確定因素[3]。與大型儀器相關(guān)的實驗教學大多以MOOC、教學實驗演示、播放實驗視頻等方式開展，呈現(xiàn)出理論教學多于實驗教學的現(xiàn)象，部分學生只能停留在對儀器的粗淺認識上，理論與實踐能力不能充分結(jié)合，影響了學生的學習興趣，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[4]。大型精密儀器一般價格昂貴，維護運營成本高，結(jié)構(gòu)復雜，儀器自身所需環(huán)境特殊等諸多因素限制了對學生的開放程度。實驗項目缺乏科學研究的系統(tǒng)性和探索性的訓練，缺少針對獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力的鍛煉，不利于培養(yǎng)學生的實踐能力[5]。

為了有效將大型精密儀器設備資源應用于實驗教學中，本文以X射線光電子能譜儀為例，進行了大型儀器開放實驗教學模式的探索與研究?；凇癤射線光電子能譜技術(shù)在先進材料表面研究中的應用”開放實驗教學課程，形成了“云課堂—儀器硬件/軟件現(xiàn)場培訓—微課堂—實驗項目研究”的新型開放實驗混合式教學模式。在開放課程中，讓學生感受大型儀器及其廣泛和前沿的應用領(lǐng)域，培養(yǎng)學生全球化的視野，培養(yǎng)學生求真務實、獨立創(chuàng)新、嚴謹細致的科學素養(yǎng)，提升學生的操作實踐能力。

一、開放實驗教學設計

隨著材料、能源、微電子、信息產(chǎn)業(yè)及環(huán)境領(lǐng)域等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于表面分析實驗技術(shù)的需求也日益增長[6]。X射線光電子能譜（X?Ray Photoelectron Spectroscopy， XPS）是一種有效的表面分析技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于基礎研究、先進材料研制、前沿交叉、醫(yī)工融合、深空探測等領(lǐng)域。隨著儀器的更新發(fā)展，XPS儀器不僅具有高效、可靠的全自動分析技術(shù)和簡單易用的分析軟件，而且在性能指標上得到了很大提高。在開放實驗混合式教學中需要考慮和關(guān)注的問題有：（1）重視云課堂知識引導和應用領(lǐng)域的導入功能；強化微課堂的知識鞏固、能力提升功能。同時與現(xiàn)場培訓和項目研究進行有機結(jié)合和銜接，形成“知識/技能—培養(yǎng)/訓練—復習/鞏固專項知識/技能—實踐準備/探索”，實現(xiàn)開放實驗線上線下全方位地服務學生。（2）大型儀器設備對實驗技術(shù)人員要求較高，需要其理論基礎扎實、知識面寬廣，熟悉本專業(yè)領(lǐng)域新技術(shù)、新設備、新材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。（3）關(guān)注儀器功能和應用，在實驗過程中傳遞儀器功能的科學價值，考慮學生的接收和理解能力，需要選取合適的實驗內(nèi)容、實驗方式和授課形式。（4）重視學生的知識養(yǎng)成和成長，兼顧學生探索的興趣，關(guān)注學生的課程感受，提高學生積極探索的主動性，提高其在實驗探究中的科研敏銳度。（5）重視學生實際動手能力的培養(yǎng)，增加師生互動，使學生初步具備創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。

在“互聯(lián)網(wǎng)+實驗教育”的發(fā)展新階段，課題組以X射線光電子能譜儀為例，采用“云課堂—儀器硬件/應用軟件現(xiàn)場培訓—微課堂—實驗項目研究”新型開放實驗混合式教學模式。該教學模式思維導圖如圖 1所示。探索和實踐如何在開放實驗教學中將線上線下的內(nèi)容有效地銜接，通過虛實結(jié)合，針對“X射線光電子能譜技術(shù)在先進材料表面研究中的應用”這一開放課題，最大程度地培養(yǎng)學生的綜合能力。

二、開放實驗教學實施

該開放課程注重實驗室安全教育，向?qū)W生傳遞正確的實驗室使用價值觀。首先，引導學生通過云課堂進行大型儀器的應用領(lǐng)域、基礎原理、實驗技術(shù)等內(nèi)容的學習，向?qū)W生普及大型精密儀器在各學科研究中的重要作用和地位，培養(yǎng)學生參與開放實驗教學課程的初始興趣和意識；其次，通過現(xiàn)場培訓儀器硬件/應用軟件環(huán)節(jié)，使學生了解該大型儀器的基本結(jié)構(gòu)和功能，初步掌握設備各項功能的理論基礎、基本實驗操作、常規(guī)數(shù)據(jù)解析等三個方面的基礎技能；再次，通過微課堂環(huán)節(jié)，學生可以針對性地復習之前的知識，了解后續(xù)實驗研究項目的背景知識，引導學生查閱資料，提升文獻檢索能力；最后，通過實驗項目研究環(huán)節(jié)，結(jié)合具體科研項目研究，制定合適的實驗方案，在開放實驗教學課程中培養(yǎng)學生的科研思維、科研創(chuàng)新能力等素質(zhì)。

（一）云課堂的實施

云課堂是基于云計算技術(shù)的一種高效、便捷、實時互動的遠程教學課堂形式[7]。北京理工大學“延河課堂”由北京理工大學網(wǎng)絡信息技術(shù)中心搭建和維護，為師生提供在線教學服務，學生自主選擇學習資源進行學習。本環(huán)節(jié)構(gòu)建過程中，教師需要重新梳理儀器相關(guān)的內(nèi)容，以由淺入深的方式架構(gòu)視頻資源庫，例如，可以先從實驗室安全教育、實驗室預約流程進行導入，然后根據(jù)儀器特點進行應用領(lǐng)域、發(fā)展史、基本原理、儀器硬件、儀器軟件、儀器延伸功能、數(shù)據(jù)解析等模塊的深入研究，形成既相對獨立又成體系的在線實驗教學相關(guān)的理論課程。在本開放實驗課程中，學生可通過“延河課堂”平臺在進入實驗室之前獲得實驗室安全知識、XPS發(fā)展史、XPS應用領(lǐng)域、XPS測試原理、XPS實驗技術(shù)等理論知識。在該階段，學生對該實驗課程涉及的實驗室環(huán)境、實驗室儀器及儀器設計的實驗技術(shù)有一個整體、清晰的認知，還可以與教師和其他學生進行超時空互動，激發(fā)了學習意愿和了解更多儀器相關(guān)信息的興趣。

（二）儀器硬件/應用軟件的現(xiàn)場培訓的實施

大型儀器設備是人才培養(yǎng)和科學研究的重要支撐資源，是開展高水平實驗教學和項目研究的必備條件。學生不規(guī)范的操作可能對儀器的靈敏度、精密度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響，降低其使用壽命，嚴重時甚至會造成儀器損壞。引入標準GB/T 28894-2012（同ISO 18117：2009）和標準GB/T 30815-2014（同ISO 18116：2005），針對XPS中樣品前處理及表面化學分析樣品的制備和安裝方法進行標準化培訓和指導，有助于培養(yǎng)學生良好的樣品制備習慣和操作素養(yǎng)，提高測試結(jié)果的可靠性和準確性。開放實驗課程一般有5～10名學生選課。教師按照《XPS操作指南》對進入實驗室的學生進行儀器操作培訓，對參與學生進行分組，這樣更加有利于師生互動，提高學習效率。分層分級開展培訓過程，將XPS硬件/應用軟件操作分為基礎操作、中級操作、高級操作，滿足不同階段的學生對開放實驗的需求，幫助學生掌握與相應研究項目對應的實驗技能。

（三）微課堂的實施

在開放實驗教學中引入微課堂。微課堂的教學內(nèi)容“短小精悍”，主題突出，具有針對性； 微課堂資源的總?cè)萘啃?，易于播放和下載，更適合移動學習[8]。在該環(huán)節(jié)中，教師可以將儀器測試原理、實驗樣品制備技術(shù)要點、關(guān)鍵操作技能等內(nèi)容制作成微視頻，方便學生反復觀看以進行專項知識和技能的鞏固和提高，提高學生的自我管理和約束能力。針對“X射線光電子能譜技術(shù)在先進材料表面研究中的應用”這一開放實驗課程，教師將實驗背景、實驗目的、原理、實驗技術(shù)操作等內(nèi)容通過微視頻在微課堂中展示，引導學生在實驗項目研究這一環(huán)節(jié)開展前的任何時間、地點進行預習，指引學生主動查閱相關(guān)資料和文獻，熟悉實驗研究項目。

（四）實驗項目的實施

本開放實驗教學課程“X射線光電子能譜技術(shù)在先進材料表面研究中的應用”結(jié)合科研項目，以電子電器行業(yè)廣泛應用的新型電源連接器為研究對象，利用X射線光電子能譜儀測試電源連接器電接觸面表面，進行商品化電連接器的失效分析，通過全面的數(shù)據(jù)分析和解析過程，探討電源連接器失效原因。

電源連接器是重要的基礎電器元件，常常需要在嚴苛的環(huán)境條件下使用，因此需要對其進行阻燃處理。電源連接器中添加的紅磷阻燃劑在長期使用后會導致連接器接觸面老化，進而出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，探究燃燒發(fā)生的原因極為關(guān)鍵。對連接器產(chǎn)品進行高溫濕熱老化試驗，研究連接器表面磷元素的含量和價態(tài)的變化有助于推測產(chǎn)品失效的原因。對學生進行分組，每組4人，分別使用經(jīng)歷了不同天數(shù)老化的實驗樣品。該開放實驗由兩個研究小組完成，需要學生在技術(shù)方法、操作技能培訓合格后，按要求進行參數(shù)設置、數(shù)據(jù)處理和分析等工作，分組及測試情況見表1。利用X射線光電子能譜儀可以進行元素組成的鑒別，獲取接觸表面元素種類和含量的整體變化信息，據(jù)此進行電源連接器失效分析。

三、開放實驗教學特色與評價

北京理工大學分析測試中心利用學校實驗室公共平臺的優(yōu)勢，不斷發(fā)揮大型精密儀器在各類相關(guān)學科發(fā)展中的催化劑效應，提升了緊缺型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

（一）構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+教育”條件下的人才培養(yǎng)新模式，將培養(yǎng)人才方式創(chuàng)新和實踐課程模式、內(nèi)容創(chuàng)新進行高度融合

該開放實驗形成了“云課堂—儀器硬件/應用軟件現(xiàn)場培訓—微課堂—實驗項目研究”的開放實驗混合式課程模式，構(gòu)建了現(xiàn)代化的技術(shù)支撐、保障平臺，利用網(wǎng)絡直播、微視頻、遠程網(wǎng)絡控制電腦端等信息化教學手段，全面推進信息化實踐教學，實現(xiàn)線上線下多維度、多層次的交互融合教學和學習模式，不僅豐富了實驗教學內(nèi)容、形式和手段，而且實現(xiàn)超時空的知識傳送。較其他大型精密儀器設備，X射線光電子能譜儀雖然組成相對復雜，但儀器硬體部分組件相對獨立，自動化程度高，實際動手操作部分有限，便于附件分割化、功能模塊化教學；軟體部分分為user模式和service模式，user模式可以讓軟件操作者在軟件保護環(huán)境中進行學習和訓練，service模式協(xié)助管理者處理一些儀器故障、儀器復雜和高級參數(shù)的設置和更改的軟件操作。

（二）將科研項目融入開放實驗課程中，持續(xù)進行學生創(chuàng)新動力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，構(gòu)筑學生創(chuàng)新學習的周期，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供保障

建設一流大學、培養(yǎng)一流人才，高水平的教學科研輔助實驗平臺是重要基礎。北京理工大學分析測試中心不斷實踐先進的管理經(jīng)驗，為學生提供一個高效率、高智慧的創(chuàng)新實驗室環(huán)境。該開放實踐項目以學科前沿應用為切入點，開拓了學生科研的新視野，培養(yǎng)了學生廣泛的科研興趣和熱忱，引導學生深入探討科學問題；該開放實踐項目以大型精密儀器為導向，使用掃描聚焦X射線光電子能譜儀。該儀器集依托X射線光電子能譜儀配置了紫外光電子能譜、俄歇電子能譜、反光電子能譜、雙陽極、轉(zhuǎn)移管、加熱/冷卻等研究型功能選配，每一學年開設四次該課程，每個學期一個儀器功能主題匹配一個研究項目，設置學生創(chuàng)新學習的周期，不僅引導學生漸進式了解科研儀器，而且為其后續(xù)進行更高層的學習和研究奠定了基礎。

（三）引入國家標準和ISO國際標準，不僅給學生提供了標準和規(guī)范操作的參考標準，而且能夠規(guī)范學生專業(yè)的制樣方法和操作方式

樣品的正確處理和制備對于分析是極為重要的，尤其是表面分析，儀器探測深度只有納米級，正確的處理會保護測試面的狀態(tài)進而得到準確可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。國家標準和國際標準化組織標準的引入、解讀和實施，不僅給學生提供了標準和規(guī)范操作的參考標準，而且規(guī)范了學生前處理樣品和制備樣品的流程，提升了學生的綜合素養(yǎng)，有利于推動檢驗檢測技術(shù)的進步和標準化，有利于推動國家戰(zhàn)略需求中的高?！半p一流”建設的進程和水平。

（四）作為稀缺資源，將大型精密儀器與本科生人才培養(yǎng)相結(jié)合，提升了大型精密儀器的使用效率和使用效益，增進了現(xiàn)階段高校高精尖儀器的開放廣度和深度

北京理工大學分析測試中心在積極服務科研項目和科研成果的同時，積極開展大型精密儀器高效服務本科實驗和開放實驗教學的工作；開發(fā)出一系列適用于本科生人才培養(yǎng)的開放實踐的課程，例如“核磁共振波譜儀在有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定中的應用”“透射電鏡中特殊材料的參數(shù)設置及方法”“熱分析儀器培訓和應用”等，以期滿足學生了解、認識、探究大型精密儀器的訴求，全面激發(fā)本科生的創(chuàng)新需求和意愿。

四、結(jié)語

在“雙一流”高校建設的新時期，將X射線光電子能譜技術(shù)應用于開放實驗教學中具有深遠的意義。該儀器集依托X射線光電子能譜儀配置了諸多適合新材料研究和探索的功能選配，服務于學校各個創(chuàng)新科研團隊和實踐課程，對一些亟須解決的重大科學問題提供專業(yè)的幫助，同時助力科研團隊對于基礎學科和關(guān)鍵科學技術(shù)的探索和創(chuàng)新，持續(xù)助力于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的開放實踐和實驗課程，培養(yǎng)科學研究和原始創(chuàng)新型人才，更好地服務學?？蒲惺聵I(yè)。

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［責任編輯：雷 艷］