依托高层次科研基地开展仪器分析类课程学改革的探索

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　　[摘要]依托高层次科研基地，借助优势仪器资源和人才资源，探索仪器分析类课程教学改革对提高研究生培养质量至关重要。该文在分析当前仪器分析类课程教学存在问题的基础上，从授课教师、授课内容、授课时间、教学方法及考核方式等方面提出了创新改革措施，以激发研究生的学习兴趣，提高课程的实用性与研究生的创新能力。
　　[关键词]仪器分析类课程;教学改革;科研基地;人才培养
　　[中图分类号]G64
　　[文献标识码]A
　　[文章编号]2095-3437（2020）04-0173-03
　　材料科学的发展离不开大型分析仪器，材料类研究生对大型分析仪器基本原理的理解程度以及对仪器操作的掌握和应用能力，影响本学科研究生教学科研水平的提升，从而影响研究生的培养质量。
　　一、仪器分析类课程教学现存问题及其产生原因
　　仪器分析类课程对于多数理工科专业尤其是对于材料类专业研究生的培养至关重要，但其多数课程教学采用传统的讲授模式，重视理论教学、偏废实践操作，具体来说存在以下不足：（1）一般来说，课程只安排一位授课教师，按照教科书及课件照本宣科。仪器分析类课程由同一位授课教师进行授课，其授课方式比较单一，且受到专业和研究方向限制，难以全部精通所有仪器原理和应用。甚至存在教研分离的问题，即负责该类课程的教师已长期脱离科学研究，严重影响课程教学的前沿性和创新性。（2）课程教学过程枯燥乏味，难以引起学生兴趣。仪器分析类课程属于实践性很强的课程，但当前课程偏废实践操作，学生只能通过图片等学习仪器构造原理，较为枯燥，难以深入理解。（3）考核方式单一，通过试卷考试。学生大都通过死记硬背教科书中的考点来应付考试。但对于仪器分析类课程来說，对考题的掌握并不代表对仪器应用的掌握。就有学生虽然能在考试中拿到高分，但甚至连相关仪器都没有见过。（4）课程内容存在滞后性。一方面是由于培养方案及课程教学大纲更新不及时，另一方面是由于部分授课教师对授课内容做不到紧跟研究前沿并及时更新。造成这些不足的原因主要为大型仪器属于稀缺资源，购置成本、运行成本及维护成本较高，主要用于科学研究。当前科研与教学脱节较为严重，科研用仪器难以在集中的时间段用于课程教学。为了解决这些问题，许多从事研究生教学工作的教师在仪器分析类课程中引入CAI教学、视频等方式进行了有益的探索和实践。教学方式的改进在一定程度上改善了仪器分析类课程教学状况，但没有从根本上解决该类课程轻视实践操作的问题。
　　二、我校仪器分析类课程教学改革的背景
　　近年来，随着我国国民经济的快速发展及科研水平的提升，先进大型仪器及检测设备越来越多地被投入到高等学校的科学研究中。特别是为了整合科研资源，先进大型仪器往往在高层次的科研基地集中管理、运行和使用。例如，笔者所在的纳米功能复合材料山西省重点实验室拥有超过4000万人民币的仪器设备资源，其中包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、热重分析仪、红外光谱仪、差示扫描量热仪、X射线衍射仪等先进仪器设备。同时，本实验室集中了十多位从事不同研究领域的教学科研人员，拥有稳定的高层次人才团队，直接负责和维护相关大型仪器。近两年，在山西省研究生教育改革项目和山西省高等学校教学改革创新项目的支持下，本团队依托实验室优势仪器资源和教师资源对研究生仪器分析类课程进行了积极探索，将其作为中北大学材料科学与工程学院仪器分析类课程的补充和拓展，取得了显著成效，对以实践科研促进教学的改革及提高研究生培养质量具有重要的意义。
　　三、仪器分析类课程教学改革实践论析
　　（一）多元化授课教师组的探索
　　如前所述，仪器分析类课程授课内容一般按照不同仪器来分章节，但是大多数情况下整个课程由一位教师来负责，这就会受到教师自身专业与研究方向限制，使得授课效果不理想。
　　在高层次科研基地中，科研团队由多名专注科研的教师组成，各人负责不同的研究方向和科研项目，长期从事前沿科学研究，同时也负责不同仪器设备的管理和维护，对不同仪器设备的原理、应用知识及最新发展动态有专业级的理解和掌握。因此，可以依托高层次科研基地优势教师资源将目前仪器分析类课程“单一授课教师”改为“多元化授课教师组”，充分发挥各专业教师对仪器设备应用的不同专长。同时，多元化授课教师组会在教学实践中引入不同教学风格，激发学生学习兴趣，提高授课质量。本团队在初步实践过程中，由实验室主任牵头，由五名教师组建了授课教师组，分别负责红外光谱、热重分析、紫外-可见-近红外分光光度计、扫描电子显微镜、透射电子显微镜的教学实践。教学大纲由授课教师组共同讨论制订，但各授课单元、授课形式、考查方式、授课时间均由教师独立负责，对于每类仪器的课程教学给予责任教师比较大的发挥自由。
　　（二）侧重实践的授课内容设置探索
　　考虑到材料类研究生在本科阶段已系统学习过相关仪器分析类课程，对不同分析仪器的基本原理和数据分析知识有初步的掌握。首先基于“多元化授课教师组”的设置，本课程的授课内容可按仪器类型分解为多个课程单元。同时，在相应仪器分析类课程单元内可淘汰已过时的知识的讲解，结合分析测试过程侧重讲解测试原理、样品准备和禁忌以及仪器实践操作，结合实际科研项目和测试结果引导学生进行数据分析。同时，可以结合仪器的生产厂家与型号对学生拓展相关知名仪器制造商及系列型号的区别与联系，使学生的知识体系立体化。
　　在传统的仪器分析类课程中，学生看到的都是静态的知识点，学习这些知识会感到枯燥乏味而且不利于理解和掌握。如果结合实际测试过程并要求学生实践操作就是一个动态的教学过程，学生可以全方位地了解仪器工作原理和过程，观察测试中数据的记录和变化，在此基础上理解并掌握测试过程中对实验条件的设置，掌握测试样品的准备和测试禁忌，熟悉测试过程中突发状况的处理办法等。例如在传统的热重分析教学中，学生在学习完基本原理后需要分析一幅幅静止的热重曲线图中的典型数据。而在改进后的教学中，学生从样品的准备（裁切、研磨、烘干等）、装填（如何加入到样品坩埚中，加入多少量等）、测试条件的设置依据（温度区间、升温速率、测试气氛及气体流速等）到测试过程中曲线的动态变化都可以进行实践和观察。这样的课程设置会使学生对具体仪器分析知识有全方位的立体化的理解和掌握，对仪器知识的学习就会从记忆层面上升为理解应用层面，为其在研究生阶段从事具体科学研究打下良好基础。 　　（三）灵活的授课时间探索
　　仪器分析类课程属于材料类研究生的专业基础课程，以往一般都是采用大班授课，学生人数众多。但做了侧重实践的课程改革后，为了保证授课效果，必须压缩每次教学的学生人数。基于前期“多元化授课教师组”的设置及“课程单元”的分解，改进后的课程可灵活设置授课时间，各授课教师可根据实际测试情况开设多期教学。例如红外光谱教学，如果每期5人，那么开设10期就可以完成对50名学生的教学。还可以更加灵活地安排相关的理论教学时间与实践教学时间，理论教学可以一次完成，侧重实践的教学部分可以分期完成等。本团队每年采用多期教学的方式对20余名研一学生进行仪器教学，作为学院仪器分析类课程的补充，取得了显著效果，学生在学习完成后均可以独立操作相关仪器并对相关数据进行科学分析。
　　（四）创新教学方法，提升学生科研素养
　　仪器设备的使用及数据分析能力对材料分析类研究生科研课题的顺利开展至关重要，同时影响其分析和解决问题能力的提升。传统仪器分析类课程的教学方法为板书或PPT课件讲解，基本上属于照本宣科的填鸭式教学，难以满足研究生教学的需要。实行改革之后，授课教师由于均来自高层次科研基地，活跃于科研领域，负责相关科研课题并熟悉本学科研究领域前沿，在授课过程中可以以实际科研项目中的测试分析来加深学生对具体仪器分析的理解和掌握。从科研项目中要解决的问题出发，引导学生思考应当采用何种仪器、何种测试方法验证及解决问题并分析数据揭示规律。传统仪器分析类课堂中以仪器原理知识为主体，学生被动学习。而改革后的课程教学以问题为导向，引导学生提出问题、分析问题，进而思考应当采用何种仪器及测试验证和解决问题，在得到结果后分析并总结规律，开展课题研究。同时，可以引导学生通过调研相关文献了解具体仪器设备在当前最新科学研究中的应用。以科研促进研究生教学方法的创新对培养研究生创新意识及分析解决问题的能力大有裨益，可大大提升研究生的科研素养。例如本团队在扫描电子显微镜教学实践中，授课教师依据所从事的具体研究，通过将实践教学内容设置为镀镍玻纤在聚丙烯中的分布分散研究，引导学生学习液氮脆断样品制备以及选择合适放大倍率观察镀镍玻纤在聚丙烯基体中的分布分散及搭接网络的形成。同时要求学生学习分析相关文献中SEM测试及结果讨论部分，提升学生对SEM图片处理及结果分析能力。依托科研项目的授课方式，可以全面提高学生利用特定仪器对相关科学问题进行分析、解决和验证的能力，使学生的科研素养得到顯著提高。
　　（五）多元化考核方式探索
　　以本校仪器分析类课程为例，考核方式依旧为闭卷考试，以卷面成绩来判定研究生对仪器分析这个学习内容的掌握情况。但闭卷考试的弊端在于学生可以通过死记硬背的方式暂时记忆相关知识点，进而取得高分。即使考试成绩较好的研究生，在进入实际课题研究阶段时，仍然对仪器设备及其测试手段一知半解。即使对其基本原理了解，也不会合理制备样品及做测试分析。例如，在实际教学中我们发现，虽然学生在课堂中学习了扫描电子显微镜的相关知识，但在测试时却不了解如何制备测试样品，甚至不知道为何某些样品需要喷金或喷碳。即使制备好了样品，在测试时却不能合理地选择观测区域。这些问题都是由于重知识传授轻实践操作，教学严重脱离科学研究实际引起的。由此我们认为仪器分析类课程的考核方式应该多元化。应当侧重对仪器基本原理和用途的理解，即理解仪器可以做什么事情;侧重对实践操作及数据结果分析能力的考核;弱化纸面试题考核;以课程单元为基本考核单元，以综合性课题对整个大课程的学习效果进行评价。另外，由于研究生各自的研究方向不尽相同，实际科研过程中所要重点学习与掌握的仪器设备也有所区别，因此不必强调每个研究生对所有仪器都能熟练掌握。在考核过程中可由授课教师灵活掌握。
　　四、结语
　　综上所述，依托高层次科研基地的优势仪器资源和教师资源对仪器分析类课程进行改革探索，多元化授课教师组、基于特定仪器的课程单元设置、侧重实践的授课内容、灵活的授课时间、依托科研项目创新教学方法以及多元化考核方式等方面的改革创新，有助于解决当前该类课程理论与实践脱节严重、知识点死板陈旧、课堂枯燥乏味等问题，也有助于提升课程教学效果以及研究生的科研能力与科研素养。
　　[责任编辑：庞丹丹]
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