大型儀器開放實驗混合式教學(xué)的探索與實踐

［摘 要］在“雙一流”高校建設(shè)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(xué)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(shè)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(yīng)用”開放實驗教學(xué)課程，形成了“云課堂—儀器硬件/應(yīng)用軟件現(xiàn)場培訓(xùn)—微課堂—實驗項目研究”的新型開放實驗混合式教學(xué)模式。該開放實驗教學(xué)模式集知識養(yǎng)成、實驗技能基礎(chǔ)和學(xué)科關(guān)鍵問題于一體，不僅能豐富學(xué)生學(xué)科儀器的知識儲備、提升學(xué)生嚴謹科學(xué)的實驗操作素養(yǎng)，促進學(xué)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(xué)生關(guān)注科技前沿的意識和興趣，激發(fā)學(xué)生投身科研事業(yè)的熱情，開闊學(xué)生的視野，推動學(xué)生原始創(chuàng)新的動力。

［關(guān)鍵詞］開放實驗混合式教學(xué)；X射線光電子能譜儀；云課堂；儀器硬件/軟件現(xiàn)場培訓(xùn)；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(xué)緊密圍繞建設(shè)“世界雙一流大學(xué)”的目標，積極推動一流實驗室建設(shè)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(xué)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(xué)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(xué)研究工作并且提高其科學(xué)實驗技能。

高校實驗室是進行學(xué)科建設(shè)、開展科學(xué)基礎(chǔ)研究和科技創(chuàng)新、發(fā)展學(xué)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(xué)技術(shù)發(fā)展成果的大型精密儀器設(shè)備，將不再屬于科研的專利，其教學(xué)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(shè)、創(chuàng)新實踐、學(xué)科發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。目前大型精密儀器在高校實驗教學(xué)中的使用，受儀器資源配置、學(xué)時、師資力量等因素影響，具有更大的復(fù)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(xué)大多以MOOC、教學(xué)實驗演示、播放實驗視頻等方式開展，呈現(xiàn)出理論教學(xué)多于實驗教學(xué)的現(xiàn)象，部分學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(fù)雜，儀器自身所需環(huán)境特殊等諸多因素限制了對學(xué)生的開放程度。實驗項目缺乏科學(xué)研究的系統(tǒng)性和探索性的訓(xùn)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(xué)生的實踐能力[5]。

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

一、開放實驗教學(xué)設(shè)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(yīng)用于基礎(chǔ)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(xué)中需要考慮和關(guān)注的問題有：（1）重視云課堂知識引導(dǎo)和應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)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(xùn)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(xùn)練—復(fù)習(xí)/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(wù)學(xué)生。（2）大型儀器設(shè)備對實驗技術(shù)人員要求較高，需要其理論基礎(chǔ)扎實、知識面寬廣，熟悉本專業(yè)領(lǐng)域新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。（3）關(guān)注儀器功能和應(yīng)用，在實驗過程中傳遞儀器功能的科學(xué)價值，考慮學(xué)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(xué)生的知識養(yǎng)成和成長，兼顧學(xué)生探索的興趣，關(guān)注學(xué)生的課程感受，提高學(xué)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(xué)生實際動手能力的培養(yǎng)，增加師生互動，使學(xué)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(yīng)用軟件現(xiàn)場培訓(xùn)—微課堂—實驗項目研究”新型開放實驗混合式教學(xué)模式。該教學(xué)模式思維導(dǎo)圖如圖 1所示。探索和實踐如何在開放實驗教學(xué)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(yīng)用”這一開放課題，最大程度地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

二、開放實驗教學(xué)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(dǎo)學(xué)生通過云課堂進行大型儀器的應(yīng)用領(lǐng)域、基礎(chǔ)原理、實驗技術(shù)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，向?qū)W生普及大型精密儀器在各學(xué)科研究中的重要作用和地位，培養(yǎng)學(xué)生參與開放實驗教學(xué)課程的初始興趣和意識；其次，通過現(xiàn)場培訓(xùn)儀器硬件/應(yīng)用軟件環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解該大型儀器的基本結(jié)構(gòu)和功能，初步掌握設(shè)備各項功能的理論基礎(chǔ)、基本實驗操作、常規(guī)數(shù)據(jù)解析等三個方面的基礎(chǔ)技能；再次，通過微課堂環(huán)節(jié)，學(xué)生可以針對性地復(fù)習(xí)之前的知識，了解后續(xù)實驗研究項目的背景知識，引導(dǎo)學(xué)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(xué)課程中培養(yǎng)學(xué)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(xué)課堂形式[7]。北京理工大學(xué)“延河課堂”由北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)中心搭建和維護，為師生提供在線教學(xué)服務(wù)，學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)資源進行學(xué)習(xí)。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(yù)約流程進行導(dǎo)入，然后根據(jù)儀器特點進行應(yīng)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(xué)相關(guān)的理論課程。在本開放實驗課程中，學(xué)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(yīng)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(xué)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(shè)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(xué)生進行超時空互動，激發(fā)了學(xué)習(xí)意愿和了解更多儀器相關(guān)信息的興趣。

（二）儀器硬件/應(yīng)用軟件的現(xiàn)場培訓(xùn)的實施

大型儀器設(shè)備是人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的重要支撐資源，是開展高水平實驗教學(xué)和項目研究的必備條件。學(xué)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?xí)斐蓛x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(xué)分析樣品的制備和安裝方法進行標準化培訓(xùn)和指導(dǎo)，有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的樣品制備習(xí)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(xué)生選課。教師按照《XPS操作指南》對進入實驗室的學(xué)生進行儀器操作培訓(xùn)，對參與學(xué)生進行分組，這樣更加有利于師生互動，提高學(xué)習(xí)效率。分層分級開展培訓(xùn)過程，將XPS硬件/應(yīng)用軟件操作分為基礎(chǔ)操作、中級操作、高級操作，滿足不同階段的學(xué)生對開放實驗的需求，幫助學(xué)生掌握與相應(yīng)研究項目對應(yīng)的實驗技能。

（三）微課堂的實施

在開放實驗教學(xué)中引入微課堂。微課堂的教學(xué)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。子诓シ藕拖螺d，更適合移動學(xué)習(xí)[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(xué)生反復(fù)觀看以進行專項知識和技能的鞏固和提高，提高學(xué)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(yīng)用”這一開放實驗課程，教師將實驗背景、實驗?zāi)康摹⒃怼嶒灱夹g(shù)操作等內(nèi)容通過微視頻在微課堂中展示，引導(dǎo)學(xué)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(yù)習(xí)，指引學(xué)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(xué)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(yīng)用”結(jié)合科研項目，以電子電器行業(yè)廣泛應(yīng)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(chǔ)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(dǎo)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(xué)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(xué)生在技術(shù)方法、操作技能培訓(xùn)合格后，按要求進行參數(shù)設(shè)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(xué)特色與評價

北京理工大學(xué)分析測試中心利用學(xué)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(xué)科發(fā)展中的催化劑效應(yīng)，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(yīng)用軟件現(xiàn)場培訓(xùn)—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(luò)直播、微視頻、遠程網(wǎng)絡(luò)控制電腦端等信息化教學(xué)手段，全面推進信息化實踐教學(xué)，實現(xiàn)線上線下多維度、多層次的交互融合教學(xué)和學(xué)習(xí)模式，不僅豐富了實驗教學(xué)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(shè)備，X射線光電子能譜儀雖然組成相對復(fù)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(xué)；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(xué)習(xí)和訓(xùn)練，service模式協(xié)助管理者處理一些儀器故障、儀器復(fù)雜和高級參數(shù)的設(shè)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(xué)生創(chuàng)新動力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，構(gòu)筑學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)的周期，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供保障

建設(shè)一流大學(xué)、培養(yǎng)一流人才，高水平的教學(xué)科研輔助實驗平臺是重要基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)分析測試中心不斷實踐先進的管理經(jīng)驗，為學(xué)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(xué)科前沿應(yīng)用為切入點，開拓了學(xué)生科研的新視野，培養(yǎng)了學(xué)生廣泛的科研興趣和熱忱，引導(dǎo)學(xué)生深入探討科學(xué)問題；該開放實踐項目以大型精密儀器為導(dǎo)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(xué)年開設(shè)四次該課程，每個學(xué)期一個儀器功能主題匹配一個研究項目，設(shè)置學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)的周期，不僅引導(dǎo)學(xué)生漸進式了解科研儀器，而且為其后續(xù)進行更高層的學(xué)習(xí)和研究奠定了基礎(chǔ)。

（三）引入國家標準和ISO國際標準，不僅給學(xué)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(xué)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(xué)生提供了標準和規(guī)范操作的參考標準，而且規(guī)范了學(xué)生前處理樣品和制備樣品的流程，提升了學(xué)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)略需求中的高校“雙一流”建設(shè)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(xué)分析測試中心在積極服務(wù)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(wù)本科實驗和開放實驗教學(xué)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(yīng)用”“透射電鏡中特殊材料的參數(shù)設(shè)置及方法”“熱分析儀器培訓(xùn)和應(yīng)用”等，以期滿足學(xué)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(shè)的新時期，將X射線光電子能譜技術(shù)應(yīng)用于開放實驗教學(xué)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(wù)于學(xué)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(xué)問題提供專業(yè)的幫助，同時助力科研團隊對于基礎(chǔ)學(xué)科和關(guān)鍵科學(xué)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(xué)研究和原始創(chuàng)新型人才，更好地服務(wù)學(xué)校科研事業(yè)。

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［責(zé)任編輯：雷 艷］