基于高校大型儀器設備開展實驗教學的探索實踐研究

俞有幸+畢曉昉+郝維昌

摘要：大型儀器設備是高校教學和科研的寶貴資源，合理有效地利用高校大型儀器設備資源開展本科實驗教學工作是培養學生綜合能力的重要環節，也是提高高校大型儀器設備利用效率的重要途徑。一直以來，大型儀器設備由于臺套數不夠，限制了基于大型儀器設備開展本科實驗教學的工作。啟發創新思維、提出可行方案、突破臺套數限制，是當前實現基于大型儀器設備開展本科實驗教學的關鍵。

關鍵詞：透射；教學；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0263-02

一、引言

隨著國家對教育和科研的持續投入，大型儀器設備在各個高校的普及率越來越高。據不完全統計，全國范圍內50萬以上的大型儀器設備中，有40%分布在高校中[1]。2015年初國務院發布的《關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》中明確指出，提高高校大型科研儀器的開放程度，進一步提高科技資源利用效率是當前的重要任務。大型儀器設備面向本科實驗教學開放，是提高大型儀器設備資源利用率的有效途徑之一。一直以來，大型儀器設備由于價格昂貴、設備精密、操作復雜、科研任務繁重等種種原因，僅能承擔部分研究生實驗教學，真正面向本科實驗教學開放的力度普遍不夠。

二、基于高校大型儀器設備開展本-研一體化實驗教學的指導思想

“本-研一體化”是近年來國內外高校實驗教學改革的主要發展趨勢，通過實驗教學資源的有機整合，將本、研兩種教學模式優勢互補，充分挖掘學生的創新意識，培養符合時代需要的創新型人才，滿足國家未來發展對知識和技術創新型人才的戰略需求[2]。本-研一體化實驗教學的核心并不是簡單地讓本科生和研究生共享實驗資源、共同參與教學，而是將“研究型”、“創新型”、“個性化”教學理念貫徹到實驗學員選擇、實驗課程設置、實驗內容選擇、實驗知識講授、實驗能力訓練、實驗結果分析、學習效果測評到課程結束后的延續學習等各個環節中的全新教學模式，是教學模式的本質創新，旨在鼓勵對科研感興趣的本科學生提前接觸科研，培養本科學生的創新意識和實踐能力，同時提升研究生的科研能力和科學素養。

大型儀器設備往往承載了研究和開發的先進理念，同時也是先進制造和分析技術的集中體現[3]。將“本-研一體化”實驗教學模式與高校大型儀器設備有機結合，不僅更能體現“研究型”、“創新型”本-研一體化實驗教學的優勢，而且還能彌補大型儀器設備臺套數方面的不足，為進一步提升高校大型儀器設備的利用效率提供了創造性思路。

三、基于透射電子顯微鏡開展本-研一體化實驗教學模式的探索

1.課程的定位。北航一直以培養未來領軍和領導人才為目標，堅持“把一流學生培養成一流人才”的育人理念，在人才培養中創造知識，在創造知識中培育人才，尊重學生個性特點，實施有溫度的教育[4]。實驗課程的宏觀定位也應緊密圍繞“一流人才”、“創造創新”、“個性化”的人才培養宗旨，鼓勵和幫助有志于科學研究的一流學生提前進入科研，經歷真實科研過程，以研究任務為導向，充分挖掘學生的科研潛力和創新潛能，為綜合性大學“研究型”、“創新型”的人才培養目標服務。

2.平臺的介紹。北京航空航天大學材料科學與工程實驗教學中心（以下簡稱“中心”）成立于2001年。中心堅持以培養材料科學與工程高素質、寬口徑創新型人才為目標，“以大專業、自主式為核心，增強實踐能力，培養協作精神，提升研究素質，強化創新意識”為實驗教學理念，2008年被評為“北京市實驗教學示范中心”，2016年被評為“國家實驗教學示范中心”。中心現有專職人員50人，其中正高20人，副高17人。擁有包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針、原子力顯微鏡在內的各類大型儀器設備二十余臺，在材料制備、材料結構表征、材料物理和化學性能表征等方面積累了豐富的實驗與教學經驗。

3.學員的選擇。選課機制決定了培養對象，唯有合理的選課機制才能保障實驗資源的最大利用和培養目標的達成。基于“一流人才”、“創造創新”、“個性化”的人才培養宗旨，我們探索了雙向選課機制：學生根據自己的時間、興趣與愛好自主報名參加課程學習；教師根據學生的知識背景、學習興趣、動手能力等綜合因素對報名學生進行選拔。

4.課程的開展。課程選拔了10名本科生和10名研究生共同進行為期兩周的透射電子顯微分析實驗教學的系統學習，以這20名學員作為研究群體，分兩批次（每批次為5名本科生和5名研究生）研究和完善從學員分組搭配、實驗知識課堂講授、實驗技術上機教學、學習效果上機測評、實驗結果講解與分析到課程結束后的延續學習等各個環節中的“本-研一體化”實驗教學模式。

在學員分組搭配環節，應最大程度結合本科生與研究生的各自特點，鼓勵不同知識層次、不同知識架構的學員相互交流與合作，鼓勵他們共同學習與創新。探討了不同分組方式對學員學習興趣、學習效果的影響，發現由1名本科生和1名研究生自由搭配的分組方式是最為科學、合理的分組方式。

在實驗知識課堂講授環節，研究多因素多目標導向的分層次啟發式教學方法。綜合學員的各自特點、從“基礎”、“拔高”、“超越”等各個角度進行授課，并且著重于精講多練、精講多思、精講多動，并按照難度從低到高的遞進式、啟發式方法進行討論。同時，試驗了“本-研討論賽”、“小組PK競賽”等多種形式的學生主動參與模式。

在實驗技術上機教學環節，研究以目的為導向的動手能力培養方法。在上機實驗達到基本目標的基礎上，對于不同專業背景和知識興趣的小組提供不同特色的實驗任務，并根據小組特點與未來專業發展凝練典型實例，進一步可以將科研項目中分解的小任務進行實踐鍛煉，培養學員實踐能力與創新意識。

5.課件體系、教學測評及反饋體系的開發。從兩個維度開展適用于本-研一體化實驗教學的可定制課件體系的研究。第一個維度需從廣度來研究各種材料結構的特點，按照金屬、陶瓷、復合材料、納米材料等不同的材料結構要求，對各類材料的顯微結構進行分類，按照顯微結構分析要求的從低到高順序，知識點集合隨之增大。按照知識點集合來建立橫向課件體系。第二個維度需從深度來研究關鍵知識點的多層次擴展集合，對于某一關鍵性知識點（如電子衍射），根據掌握不同層次、不同難度、不同特點的要求，建立知識點縱向擴展集合。并在此基礎上建立縱向課件體系。

6.學員反饋。學習結束半年后，我們對所有學員進行了回訪，獲得了學員們的反饋。學員普遍反映本-研一體化實驗教學過程中研究生并不一定比本科生有優勢，部分本科生甚至表現出比研究生更好的學習能力和動手實踐能力，這和我們最后的學習測評結果是相符的。據統計，十名本科學員中一半以上選擇繼續攻讀研究生，其中包括一名本科生出國深造，他們普遍認為這樣能親手實踐的實驗學習機會很寶貴，不僅開闊了眼界，而且提高了動手能力，讓他們更早地接觸科研，激發了他們對科研的興趣，同時認為這次學習將會對于他們將來的研究工作起到重要作用。

四、結論

本文基于北京航空航天大學材料科學與工程實驗教學中心的透射電子顯微鏡開展了基于大型儀器設備的實驗教學模式研究。研究表明，通過開展本-研一體化教學不僅可以有效改善因大型設備臺套數不足帶來的限制問題，而且能夠促進本科生和研究生的交流與學習效果，起到“1+1>2”的效果。

參考文獻：

[1]朱艷萍.加強高校大型儀器設備使用效率的對策探討[J].赤峰學院學報，2014，30（4）：141.

[2]毛峽.“本-研一體化”實驗教學模式的研討[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：224.

[3]湯云暉.大型儀器設備實驗教學與本科生、研究生創新能力培養的探索實踐[J].中國現代教育裝備，2010，（17）：129.

[4]徐惠彬.弘揚北航精神做不平凡的北航人[J].北京教育.德育，2015，（718）：11.