提高大型精密儀器認(rèn)知度的方法及實踐探索

摘要：以掃描電子顯微鏡的理論教學(xué)為基礎(chǔ)，總結(jié)不同學(xué)科的科研實例，綜合運用多媒體、虛擬實驗建設(shè)等手段形成可視化媒介平臺，使不同用戶在有限的時間內(nèi)根據(jù)需要選擇學(xué)習(xí)資源，不僅可以充分發(fā)揮大型精密儀器的使用功能和管理水平，而且對提高用戶尤其是工科大學(xué)生的理論水平及實際操作、解析技能都將發(fā)揮積極的作用。

關(guān)鍵詞：精密儀器；認(rèn)知度；教學(xué)實踐；可視化平臺

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）14-0238-02

各種大型精密儀器的使用水平不僅能反映高校的科研能力，而且在不同層次學(xué)生的各種教學(xué)環(huán)節(jié)中也是重要的一環(huán)。目前，圍繞大型精密儀器，針對不同學(xué)科門類，許多高校都開設(shè)了如《儀器分析》、《材料近代研究方法》、《材料測試新技術(shù)》、《現(xiàn)代材料測試技術(shù)》等理論課程及相應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1-3]。與其他專業(yè)學(xué)科的課程不同，儀器分析類課程涉及的基礎(chǔ)知識范圍廣，每種分析技術(shù)和理論往往由包括機(jī)械、物理、信息、化學(xué)、自動化、材料等多學(xué)科知識綜合而成[4]；涉及的教學(xué)方法多，僅僅通過基本原理的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在各種儀器分析課程中，一般都會分配一定的學(xué)時使學(xué)生通過實際操作進(jìn)一步掌握相關(guān)原理和操作技能，以提高認(rèn)知水平；涉及的技術(shù)更新快，如我們所熟知的摩爾定律所揭示的信息技術(shù)進(jìn)程。伴隨科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今各種大型精密儀器的換代速度無論是硬件還是軟件比以往更快。因此，適應(yīng)教育教學(xué)改革的發(fā)展，真正提高學(xué)生及其他用戶對于大型精密儀器的認(rèn)知度，是廣大現(xiàn)代技術(shù)教育者及實驗室技術(shù)人員必須面對的課題和任務(wù)。

如何更好地發(fā)揮大型精密儀器在實踐教學(xué)領(lǐng)域的作用，讓包括廣大教師在內(nèi)的不同用戶尤其是學(xué)生能更深入地了解儀器的基本原理及功能作用，既透徹學(xué)會理論，又真正地運用于學(xué)習(xí)和研究實踐中，這是我們在工作中一直致力解決的問題。通過對多年來從事大型精密儀器的教學(xué)、科研實際經(jīng)驗的總結(jié)，以理工類各學(xué)科應(yīng)用較廣泛的掃描電子顯微鏡/能譜儀為主題，我們提出并承擔(dān)了利用多媒體技術(shù)優(yōu)化拓展掃描電鏡實踐教學(xué)領(lǐng)域相關(guān)探索的實踐教學(xué)改革項目。本研究以大型精密儀器為出發(fā)點，以拓展大型儀器的實踐教學(xué)領(lǐng)域及真正提高大型儀器認(rèn)知度為目的，力求對我校相關(guān)大型儀器類的理論和實踐教學(xué)具有示范性作用，同時對完善實驗室建設(shè)以及后續(xù)大型儀器的教學(xué)實踐具有良好的促進(jìn)作用。

一、研究背景及目的

作為較為貴重的大型分析測試儀器，掃描電鏡對于我?；?、材料、生物食品、紡織、機(jī)械等各工科專業(yè)師生科研水平的提高起到了顯著的促進(jìn)作用，在實踐教學(xué)領(lǐng)域，掃描電鏡技術(shù)是各學(xué)院多門儀器分析測試類課程的主干內(nèi)容，是本科生、研究生接觸認(rèn)識高精大型儀器的最主要手段之一。然而，電子顯微鏡是集物理學(xué)、自動化、電磁學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科諸多抽象概念的聚集體，研究對象多為微米及納米級的微結(jié)構(gòu)，電子光學(xué)、掃描、真空等幾大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且看不到，樣品制備方式、樣品形態(tài)、形貌解析等環(huán)節(jié)也常由不同種類試樣而存在差異，因此在教學(xué)及實踐中增加了學(xué)生掌握知識的難度，并且由于單組上機(jī)人數(shù)較多等原因[5]，很容易導(dǎo)致部分學(xué)生尤其是以往沒有接觸過掃描電鏡課程的學(xué)生在認(rèn)知上存在不足或錯誤的理解。因此，在近年來的理論及實踐教學(xué)中，我們逐步將掃描電鏡抽象的概念用動畫、視頻等多媒體手段加以演示及講授，受到了師生的好評，實踐證明，這種方法對于電鏡基本知識的理論教學(xué)以及日常實驗教學(xué)是有效的。然而在教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，這種方法在提高學(xué)生對掃描電鏡認(rèn)知的深度和廣度上還遠(yuǎn)不夠，例如，在表面改性研究中有關(guān)等離子體轟擊試樣表面形貌的認(rèn)識，學(xué)生如果沒有足夠的知識積累，很難在一兩次實驗或測試中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變化，會直接影響實驗結(jié)果的解析，諸如此類，使我們認(rèn)識到作為現(xiàn)代技術(shù)教育者，有義務(wù)把以往測試樣品的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)總結(jié)，使后來者加以借鑒，真正提高測試的針對性及解析水平，一方面使學(xué)生通過學(xué)習(xí)真正認(rèn)知（而不是簡單認(rèn)識）電子顯微鏡原理結(jié)構(gòu)，更主要的是使他們真正學(xué)會利用電鏡為科學(xué)研究服務(wù)。

二、研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

本研究的主要目標(biāo)是在以掃描電鏡實踐教學(xué)的相關(guān)過程為主線的項目主框架下，利用多媒體技術(shù)結(jié)合虛擬實驗建設(shè)等手段，配合多年工作實踐中逐漸積累的大量真實樣品測試數(shù)據(jù)，通過制作包括動畫、視頻、虛擬實驗環(huán)境、交互式操作界面等元素，建立交互式的可視化媒介平臺。[5]主要內(nèi)容包括：

1.利用調(diào)研、檢索等方式廣泛收集資料。完善的資料是完成本項目的前提條件，它應(yīng)該包括數(shù)據(jù)資料、視頻教學(xué)資料、儀器結(jié)構(gòu)與原理的動畫資料以及不同用戶的需求和要求等等?？紤]到各學(xué)科樣品分析的側(cè)重點不同，有以晶態(tài)材料測試為主的（如化工的分子篩研究、材料專業(yè)的陶瓷研究等），有以形貌分析為主的（如機(jī)械模具的微觀形態(tài)、食品和生物專業(yè)的動植物形態(tài)等），有以元素分散性分析為主的（如無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料的物相分散性等），根據(jù)我校相關(guān)學(xué)院專業(yè)對掃描電鏡教學(xué)與實踐的不同要求，通過咨詢、問卷等方式向不同用戶征集其在利用掃描電鏡時的興趣點，同時對已有實驗數(shù)據(jù)和圖像資料進(jìn)行分門別類的篩選歸納，形成實驗資料庫。

2.經(jīng)分析總結(jié)，形成項目的主框架。主框架是完成本項目的基礎(chǔ)，它是由項目需要完成的各個分支有機(jī)結(jié)合而形成的，它明確了項目各個階段需要完成的各個步驟及相互之間的關(guān)系。在建立主框架時，我們充分依據(jù)學(xué)校有關(guān)理論和實踐教學(xué)大綱的要求，從有利于基礎(chǔ)用戶如本科生完成相關(guān)課程的角度，設(shè)置儀器原理與結(jié)構(gòu)、典型樣品測試方法等功能模塊；同時，兼顧科學(xué)研究與社會服務(wù)的功能，以利于高級用戶如研究生與教師開展高水平的研究，將離子束改性、溶膠凝膠薄膜、復(fù)合材料界面、多孔材料、生物形態(tài)等專題研究涉及的高級應(yīng)用納入平臺的建設(shè)中，使不同用戶在有限的時間內(nèi)根據(jù)需要選擇學(xué)習(xí)資源。

3.按照主框架的設(shè)計要求，制作完成各種功能模塊，綜合形成交互式媒介平臺。功能模塊是利用多媒體技術(shù)，將掃描電鏡應(yīng)用中涉及的各種理論知識、結(jié)構(gòu)原理、樣品解析等多種功能用文字、聲音、影像等多種形式形象地展示出來。多媒體技術(shù)在提高儀器分析的教學(xué)水平中發(fā)揮著重要的作用[6，7]，常用工具有PowerPoint、Authorware、Flash、VB及其他編程語言等[8]，其中，可視化編程工具更易于在教學(xué)實踐中應(yīng)用。因此，我們借鑒前期工作經(jīng)驗，在本項目中主要利用VB可視化編程工具，把應(yīng)用上述其他多媒體手段制作的可視化媒介綜合在一起，編制成具有交互作用、功能多樣的可視化媒介平臺。該平臺具有良好的包容性和延展性，基于這個平臺，可以對已有的資源進(jìn)行編輯取舍，也可以在后期對功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，極大地提高了資源的綜合利用效率，使用戶在短時間內(nèi)就可以按期望完成學(xué)習(xí)和檢索功能。

三、項目完成的意義

結(jié)合本校的實際情況，將掃描電子顯微鏡等大型精密儀器通過可視化媒介平臺的形式向外展示，不僅可以彌補教學(xué)資源的不足，也可以為理論教學(xué)及科研工作提供強(qiáng)有力的指導(dǎo)，對于促進(jìn)提高大型儀器的實踐教學(xué)和科普教育水平，拓展高精大型分析儀器實踐教學(xué)領(lǐng)域，提升實驗室建設(shè)水平等均有良好的意義。

實踐表明，通過建設(shè)和利用可視化媒介平臺，不僅可以增加學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生擺脫單純的“做實驗”，提高了理論和實踐教學(xué)效果，也真正增強(qiáng)了學(xué)生利用掃描電鏡進(jìn)行試樣分析測試和解析的能力，在深度和廣度上提高了用戶尤其是工科大學(xué)生對大型精密儀器的認(rèn)知度。

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基金項目：大連工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：JGLX1065）

作者簡介：史非（1971-），男，博士，副教授，主要從事材料學(xué)及現(xiàn)代分析技術(shù)教學(xué)及科研。