依托高層次科研基地開展儀器分析類課程學改革的探索

趙斌 段宏基 劉亞青 張叢筠 趙貴哲

[摘要]依托高層次科研基地，借助優勢儀器資源和人才資源，探索儀器分析類課程教學改革對提高研究生培養質量至關重要。該文在分析當前儀器分析類課程教學存在問題的基礎上，從授課教師、授課內容、授課時間、教學方法及考核方式等方面提出了創新改革措施，以激發研究生的學習興趣，提高課程的實用性與研究生的創新能力。

[關鍵詞]儀器分析類課程;教學改革;科研基地;人才培養

[中圖分類號]G64

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0173-03

材料科學的發展離不開大型分析儀器，材料類研究生對大型分析儀器基本原理的理解程度以及對儀器操作的掌握和應用能力，影響本學科研究生教學科研水平的提升，從而影響研究生的培養質量。

一、儀器分析類課程教學現存問題及其產生原因

儀器分析類課程對于多數理工科專業尤其是對于材料類專業研究生的培養至關重要，但其多數課程教學采用傳統的講授模式，重視理論教學、偏廢實踐操作，具體來說存在以下不足：（1）一般來說，課程只安排一位授課教師，按照教科書及課件照本宣科。儀器分析類課程由同一位授課教師進行授課，其授課方式比較單一，且受到專業和研究方向限制，難以全部精通所有儀器原理和應用。甚至存在教研分離的問題，即負責該類課程的教師已長期脫離科學研究，嚴重影響課程教學的前沿性和創新性。（2）課程教學過程枯燥乏味，難以引起學生興趣。儀器分析類課程屬于實踐性很強的課程，但當前課程偏廢實踐操作，學生只能通過圖片等學習儀器構造原理，較為枯燥，難以深入理解。（3）考核方式單一，通過試卷考試。學生大都通過死記硬背教科書中的考點來應付考試。但對于儀器分析類課程來說，對考題的掌握并不代表對儀器應用的掌握。就有學生雖然能在考試中拿到高分，但甚至連相關儀器都沒有見過。（4）課程內容存在滯后性。一方面是由于培養方案及課程教學大綱更新不及時，另一方面是由于部分授課教師對授課內容做不到緊跟研究前沿并及時更新。造成這些不足的原因主要為大型儀器屬于稀缺資源，購置成本、運行成本及維護成本較高，主要用于科學研究。當前科研與教學脫節較為嚴重，科研用儀器難以在集中的時間段用于課程教學。為了解決這些問題，許多從事研究生教學工作的教師在儀器分析類課程中引入CAI教學、視頻等方式進行了有益的探索和實踐。教學方式的改進在一定程度上改善了儀器分析類課程教學狀況，但沒有從根本上解決該類課程輕視實踐操作的問題。

二、我校儀器分析類課程教學改革的背景

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展及科研水平的提升，先進大型儀器及檢測設備越來越多地被投入到高等學校的科學研究中。特別是為了整合科研資源，先進大型儀器往往在高層次的科研基地集中管理、運行和使用。例如，筆者所在的納米功能復合材料山西省重點實驗室擁有超過4000萬人民幣的儀器設備資源，其中包括透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、拉曼光譜、熱重分析儀、紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、X射線衍射儀等先進儀器設備。同時，本實驗室集中了十多位從事不同研究領域的教學科研人員，擁有穩定的高層次人才團隊，直接負責和維護相關大型儀器。近兩年，在山西省研究生教育改革項目和山西省高等學校教學改革創新項目的支持下，本團隊依托實驗室優勢儀器資源和教師資源對研究生儀器分析類課程進行了積極探索，將其作為中北大學材料科學與工程學院儀器分析類課程的補充和拓展，取得了顯著成效，對以實踐科研促進教學的改革及提高研究生培養質量具有重要的意義。

三、儀器分析類課程教學改革實踐論析

（一）多元化授課教師組的探索

如前所述，儀器分析類課程授課內容一般按照不同儀器來分章節，但是大多數情況下整個課程由一位教師來負責，這就會受到教師自身專業與研究方向限制，使得授課效果不理想。

在高層次科研基地中，科研團隊由多名專注科研的教師組成，各人負責不同的研究方向和科研項目，長期從事前沿科學研究，同時也負責不同儀器設備的管理和維護，對不同儀器設備的原理、應用知識及最新發展動態有專業級的理解和掌握。因此，可以依托高層次科研基地優勢教師資源將目前儀器分析類課程“單一授課教師”改為“多元化授課教師組”，充分發揮各專業教師對儀器設備應用的不同專長。同時，多元化授課教師組會在教學實踐中引入不同教學風格，激發學生學習興趣，提高授課質量。本團隊在初步實踐過程中，由實驗室主任牽頭，由五名教師組建了授課教師組，分別負責紅外光譜、熱重分析、紫外-可見-近紅外分光光度計、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡的教學實踐。教學大綱由授課教師組共同討論制訂，但各授課單元、授課形式、考查方式、授課時間均由教師獨立負責，對于每類儀器的課程教學給予責任教師比較大的發揮自由。

（二）側重實踐的授課內容設置探索

考慮到材料類研究生在本科階段已系統學習過相關儀器分析類課程，對不同分析儀器的基本原理和數據分析知識有初步的掌握。首先基于“多元化授課教師組”的設置，本課程的授課內容可按儀器類型分解為多個課程單元。同時，在相應儀器分析類課程單元內可淘汰已過時的知識的講解，結合分析測試過程側重講解測試原理、樣品準備和禁忌以及儀器實踐操作，結合實際科研項目和測試結果引導學生進行數據分析。同時，可以結合儀器的生產廠家與型號對學生拓展相關知名儀器制造商及系列型號的區別與聯系，使學生的知識體系立體化。

在傳統的儀器分析類課程中，學生看到的都是靜態的知識點，學習這些知識會感到枯燥乏味而且不利于理解和掌握。如果結合實際測試過程并要求學生實踐操作就是一個動態的教學過程，學生可以全方位地了解儀器工作原理和過程，觀察測試中數據的記錄和變化，在此基礎上理解并掌握測試過程中對實驗條件的設置，掌握測試樣品的準備和測試禁忌，熟悉測試過程中突發狀況的處理辦法等。例如在傳統的熱重分析教學中，學生在學習完基本原理后需要分析一幅幅靜止的熱重曲線圖中的典型數據。而在改進后的教學中，學生從樣品的準備（裁切、研磨、烘干等）、裝填（如何加入到樣品坩堝中，加入多少量等）、測試條件的設置依據（溫度區間、升溫速率、測試氣氛及氣體流速等）到測試過程中曲線的動態變化都可以進行實踐和觀察。這樣的課程設置會使學生對具體儀器分析知識有全方位的立體化的理解和掌握，對儀器知識的學習就會從記憶層面上升為理解應用層面，為其在研究生階段從事具體科學研究打下良好基礎。

（三）靈活的授課時間探索

儀器分析類課程屬于材料類研究生的專業基礎課程，以往一般都是采用大班授課，學生人數眾多。但做了側重實踐的課程改革后，為了保證授課效果，必須壓縮每次教學的學生人數?；谇捌凇岸嘣谡n教師組”的設置及“課程單元”的分解，改進后的課程可靈活設置授課時間，各授課教師可根據實際測試情況開設多期教學。例如紅外光譜教學，如果每期5人，那么開設10期就可以完成對50名學生的教學。還可以更加靈活地安排相關的理論教學時間與實踐教學時間，理論教學可以一次完成，側重實踐的教學部分可以分期完成等。本團隊每年采用多期教學的方式對20余名研一學生進行儀器教學，作為學院儀器分析類課程的補充，取得了顯著效果，學生在學習完成后均可以獨立操作相關儀器并對相關數據進行科學分析。

（四）創新教學方法，提升學生科研素養

儀器設備的使用及數據分析能力對材料分析類研究生科研課題的順利開展至關重要，同時影響其分析和解決問題能力的提升。傳統儀器分析類課程的教學方法為板書或PPT課件講解，基本上屬于照本宣科的填鴨式教學，難以滿足研究生教學的需要。實行改革之后，授課教師由于均來自高層次科研基地，活躍于科研領域，負責相關科研課題并熟悉本學科研究領域前沿，在授課過程中可以以實際科研項目中的測試分析來加深學生對具體儀器分析的理解和掌握。從科研項目中要解決的問題出發，引導學生思考應當采用何種儀器、何種測試方法驗證及解決問題并分析數據揭示規律。傳統儀器分析類課堂中以儀器原理知識為主體，學生被動學習。而改革后的課程教學以問題為導向，引導學生提出問題、分析問題，進而思考應當采用何種儀器及測試驗證和解決問題，在得到結果后分析并總結規律，開展課題研究。同時，可以引導學生通過調研相關文獻了解具體儀器設備在當前最新科學研究中的應用。以科研促進研究生教學方法的創新對培養研究生創新意識及分析解決問題的能力大有裨益，可大大提升研究生的科研素養。例如本團隊在掃描電子顯微鏡教學實踐中，授課教師依據所從事的具體研究，通過將實踐教學內容設置為鍍鎳玻纖在聚丙烯中的分布分散研究，引導學生學習液氮脆斷樣品制備以及選擇合適放大倍率觀察鍍鎳玻纖在聚丙烯基體中的分布分散及搭接網絡的形成。同時要求學生學習分析相關文獻中SEM測試及結果討論部分，提升學生對SEM圖片處理及結果分析能力。依托科研項目的授課方式，可以全面提高學生利用特定儀器對相關科學問題進行分析、解決和驗證的能力，使學生的科研素養得到顯著提高。

（五）多元化考核方式探索

以本校儀器分析類課程為例，考核方式依舊為閉卷考試，以卷面成績來判定研究生對儀器分析這個學習內容的掌握情況。但閉卷考試的弊端在于學生可以通過死記硬背的方式暫時記憶相關知識點，進而取得高分。即使考試成績較好的研究生，在進入實際課題研究階段時，仍然對儀器設備及其測試手段一知半解。即使對其基本原理了解，也不會合理制備樣品及做測試分析。例如，在實際教學中我們發現，雖然學生在課堂中學習了掃描電子顯微鏡的相關知識，但在測試時卻不了解如何制備測試樣品，甚至不知道為何某些樣品需要噴金或噴碳。即使制備好了樣品，在測試時卻不能合理地選擇觀測區域。這些問題都是由于重知識傳授輕實踐操作，教學嚴重脫離科學研究實際引起的。由此我們認為儀器分析類課程的考核方式應該多元化。應當側重對儀器基本原理和用途的理解，即理解儀器可以做什么事情;側重對實踐操作及數據結果分析能力的考核;弱化紙面試題考核;以課程單元為基本考核單元，以綜合性課題對整個大課程的學習效果進行評價。另外，由于研究生各自的研究方向不盡相同，實際科研過程中所要重點學習與掌握的儀器設備也有所區別，因此不必強調每個研究生對所有儀器都能熟練掌握。在考核過程中可由授課教師靈活掌握。

四、結語

綜上所述，依托高層次科研基地的優勢儀器資源和教師資源對儀器分析類課程進行改革探索，多元化授課教師組、基于特定儀器的課程單元設置、側重實踐的授課內容、靈活的授課時間、依托科研項目創新教學方法以及多元化考核方式等方面的改革創新，有助于解決當前該類課程理論與實踐脫節嚴重、知識點死板陳舊、課堂枯燥乏味等問題，也有助于提升課程教學效果以及研究生的科研能力與科研素養。

[責任編輯：龐丹丹]