新工科背景下利用大型儀器平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

姚青倩，盧 媛，陳翠紅，王 平，展思輝

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

2017 年教育部發(fā)布了“新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南”等一系列政策，就新時(shí)期如何培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的工程技術(shù)人才提出了要求［1-2］。新工科建設(shè)是為了服務(wù)國(guó)家實(shí)施的“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等重大發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃［3-4］。新工科往往由多個(gè)學(xué)科交叉融合而成，目的在于培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉知識(shí)、理論和專業(yè)基礎(chǔ)的復(fù)合型工程科技人才［5］。在新工科建設(shè)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)正是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力的主要渠道［6-7］。為適應(yīng)新工科發(fā)展的要求，必須對(duì)工程類專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的改革和完善［8］。儀器分析技術(shù)的發(fā)展在一定程度上推動(dòng)著科學(xué)研究的發(fā)展，儀器分析學(xué)科作為分析化學(xué)的重要分支，在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都起著很重要的作用［9］。2021 年3 月全國(guó)兩會(huì)公布了一項(xiàng)“關(guān)于對(duì)重大科研儀器行業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)支持的提案”，建議提高對(duì)國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制和開發(fā)的經(jīng)費(fèi)投入，鼓勵(lì)科研儀器行業(yè)的積極創(chuàng)新。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研儀器的理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)，服務(wù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。目前全國(guó)各大院校均開設(shè)了儀器分析實(shí)驗(yàn)課程，力圖實(shí)現(xiàn)完善的分析測(cè)試能力培養(yǎng)體系［10-11］。立足于新工科背景下培養(yǎng)新型工科技術(shù)人才的要求，我校環(huán)境科學(xué)工程學(xué)院大型儀器平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)儀器分析課程進(jìn)行了教育教學(xué)改革工作，加入了涉及多學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)方案，為新工科建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了新方案。

1 大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

1.1 平臺(tái)的建設(shè)背景

建設(shè)大型儀器實(shí)踐平臺(tái)的目的是為了服務(wù)學(xué)科建設(shè)，結(jié)合環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教師的科研方向，提供給學(xué)生進(jìn)行科研項(xiàng)目活動(dòng)的實(shí)踐平臺(tái)，以科研項(xiàng)目帶動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)［12］。環(huán)境學(xué)院大型儀器平臺(tái)建設(shè)始于2010 年，隨著“雙一流”學(xué)科建設(shè)的推進(jìn)，也為了更好地服務(wù)于科學(xué)研究，近年來(lái)平臺(tái)購(gòu)置的儀器數(shù)量和種類持續(xù)增多。平臺(tái)目前擁有高分辨質(zhì)譜、共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型精密儀器10 余臺(tái)，儀器總價(jià)值超3 000 萬(wàn)元，并配有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，為開展儀器分析前沿實(shí)驗(yàn)課程提供了強(qiáng)有力的硬件支撐。在新工科建設(shè)的背景下，為了持續(xù)推進(jìn)工程教育改革，不斷深化人才培養(yǎng)模式，自2017 年環(huán)境學(xué)院大型儀器平臺(tái)開設(shè)了儀器分析實(shí)驗(yàn)課程，將科研與教學(xué)相結(jié)合，搭建了大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)從師資隊(duì)伍建設(shè)、運(yùn)行機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)室安全管理方面入手，打造了符合自身學(xué)科發(fā)展特色的教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，該平臺(tái)的整體框架結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

1.2 師資隊(duì)伍建設(shè)

學(xué)科建設(shè)的核心任務(wù)是該學(xué)科領(lǐng)域的師資隊(duì)伍建設(shè)，學(xué)科隊(duì)伍建設(shè)是開展學(xué)術(shù)研究和專業(yè)人才培養(yǎng)的前提和保障，通過(guò)對(duì)相關(guān)學(xué)科專業(yè)教師的隊(duì)伍建設(shè)和培養(yǎng)組建高水平的師資隊(duì)伍在新工科建設(shè)中尤其重要［13］。目前，大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)包含碩士6 人，博士3 人，其中副高級(jí)職稱3 人，所學(xué)專業(yè)涵蓋環(huán)境，材料，化學(xué)，生物等方向。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程由大型儀器管理人員擔(dān)任授課教師，此類人員對(duì)儀器原理和實(shí)驗(yàn)操作都有著豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)。在師資培養(yǎng)方面，平臺(tái)會(huì)定期組織授課教師參與儀器和教學(xué)方面相關(guān)的培訓(xùn)和講座，并對(duì)相關(guān)人員定期考核以提高教師專業(yè)水平和職業(yè)素養(yǎng)。

1.3 平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制

大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)有健全的儀器管理制度，包括儀器操作守則、實(shí)驗(yàn)室應(yīng)急規(guī)程、人員考核制度等，保證教學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全有序開展。校內(nèi)外師生可在大型儀器公共管理系統(tǒng)中查看相關(guān)儀器參數(shù)信息、運(yùn)行狀態(tài)、使用情況以及上課時(shí)間等事項(xiàng)。除科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，大型儀器平臺(tái)人員還分工負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室安全檢查、試劑耗材使用登記、教學(xué)消耗品采購(gòu)、儀器維護(hù)維修、財(cái)務(wù)報(bào)銷、新聞宣傳等事宜，保證平臺(tái)正常高效運(yùn)行。在課程資源共享方面，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)講義以及儀器操作教學(xué)視頻等課程資料均采用線上共享的方式分享在數(shù)據(jù)共享庫(kù)、微信公眾號(hào)、“雨課堂”等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上供師生查閱學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)管理。

1.4 實(shí)驗(yàn)室智能安全管理

除了傳統(tǒng)的安全管理制度和相關(guān)人員定期的安全培訓(xùn)外，大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)也引入了智能安全管理系統(tǒng)。儀器實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一配備了數(shù)字化監(jiān)控和門禁一體化系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中授課教師可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)室內(nèi)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后若發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題也可以通過(guò)調(diào)取監(jiān)控，追究相關(guān)責(zé)任人。門禁系統(tǒng)可以嚴(yán)格管控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出人員，出入實(shí)驗(yàn)室均需要經(jīng)過(guò)授權(quán)。除此之外，涉及氣體使用的實(shí)驗(yàn)室安裝有氣體泄漏監(jiān)測(cè)器；危險(xiǎn)化學(xué)品試劑的采購(gòu)記錄會(huì)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)綄W(xué)校設(shè)備處的電子檔案中，實(shí)現(xiàn)雙重監(jiān)管；實(shí)驗(yàn)前學(xué)生需要通過(guò)線上安全考試才能批準(zhǔn)上機(jī)測(cè)試。在大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)下，利用多媒體化圖像處理技術(shù)和流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全提供了有力的保障［14］。

2 儀器分析實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

2.1 課程體系設(shè)置

學(xué)術(shù)研究是學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)，學(xué)科理論、方法以及學(xué)科專業(yè)課程體系的構(gòu)建是未來(lái)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)和新產(chǎn)業(yè)生成的基礎(chǔ)［15］。為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)研究水平，服務(wù)本學(xué)科建設(shè)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力，我院利用大型儀器實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)自主開設(shè)了儀器分析實(shí)驗(yàn)課程。如表1 所示，課程包含14 個(gè)分析實(shí)驗(yàn)，選用的儀器涉及光譜、色譜、質(zhì)譜以及顯微鏡等多種分析手段，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理、生物、環(huán)境、材料等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，采用多學(xué)科交叉融合式教學(xué)方法。本課程由儀器管理人員就現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)未來(lái)科研中的分析測(cè)試工作有基礎(chǔ)認(rèn)知。從儀器的基本理論知識(shí)到分析測(cè)試方法的實(shí)踐操作，提供了完整的專業(yè)課程體系。將學(xué)生的分析測(cè)試結(jié)果用于教育教學(xué)中，促進(jìn)和推動(dòng)學(xué)科研究水平，服務(wù)于新工科背景下國(guó)家對(duì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求。

表1 多學(xué)科交叉式儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.2 課程教學(xué)方式

本課程在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上進(jìn)行了優(yōu)化，采用了多種授課方式，保證了課堂的實(shí)用性和先進(jìn)性。

（1）小組教學(xué)。每組學(xué)生人數(shù)不超過(guò)5 人，學(xué)生可以根據(jù)興趣或研究課題自主選擇實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程一分為二，前一部分由儀器管理人員進(jìn)行儀器構(gòu)造和原理的講解，后一部分進(jìn)行樣品前處理并上機(jī)操作，真正做到了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合。

（2）滲透式教學(xué)。從學(xué)生的課堂表現(xiàn)、課堂感受以及課程任務(wù)完成情況等開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)互動(dòng)式教學(xué)模式不斷改善授課方式。例如在原子吸收光譜學(xué)習(xí)過(guò)程中，加入了與電感耦合等離子體光譜儀的比較；將液相質(zhì)譜和氣相質(zhì)譜相結(jié)合作為同類儀器系統(tǒng)學(xué)習(xí)；將電子顯微鏡和X射線粉末衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，由形貌和元素分析過(guò)渡到對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析，由淺入深。

（3）混合式教學(xué)。在“雨課堂”等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的幫助下，學(xué)生通過(guò)線上學(xué)習(xí)完成課前預(yù)習(xí)，任課教師可以實(shí)時(shí)跟蹤查看學(xué)生預(yù)習(xí)情況以及對(duì)課堂問(wèn)題的反饋。課堂過(guò)程中，教師可以利用在線軟件對(duì)學(xué)生隨時(shí)提問(wèn)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)答題情況并分享題目解析。課后還可以通過(guò)該軟件自動(dòng)批改作業(yè)、答疑以及獲得學(xué)生對(duì)課堂效果的反饋。

2.3 課程考核方式

實(shí)驗(yàn)課的評(píng)分方式一般以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，側(cè)重檢查實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況以及數(shù)據(jù)處理情況。這種做法往往只重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽略學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，容易導(dǎo)致課前不預(yù)習(xí)，上課不認(rèn)真，實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拼湊等問(wèn)題。全方位評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的采用可以對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)判，本課程將學(xué)生的課堂問(wèn)答情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、儀器操作水平、小組成員配合情況等都?xì)w入評(píng)分細(xì)則，重點(diǎn)考核學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。其中課堂表現(xiàn)占30%，自主講解、課上問(wèn)答和組內(nèi)配合情況各占10%，綜合評(píng)估了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果和動(dòng)手實(shí)踐能力；實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占70%，其中理論知識(shí)總結(jié)占20%，課后習(xí)題占20%，數(shù)據(jù)處理水平占30%，是對(duì)學(xué)生思考能力和知識(shí)掌握程度的評(píng)估。評(píng)分細(xì)則如圖2 所示，綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)反應(yīng)了學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的綜合表現(xiàn)，體現(xiàn)了學(xué)生的整體科研素養(yǎng)。

圖2 儀器分析課程評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)語(yǔ)

我校環(huán)境學(xué)院大型儀器教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)自建設(shè)以來(lái)，已面向全院200 多名學(xué)生開展儀器分析實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)效果改善明顯。通過(guò)調(diào)查，80%以上的學(xué)生認(rèn)為改革后的教學(xué)課程帶來(lái)的教學(xué)質(zhì)量有所提升。通過(guò)構(gòu)建多元化交叉的知識(shí)體系，提供更多的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手實(shí)踐能力都有了大幅提高。在新工科建設(shè)的背景下，該實(shí)踐教學(xué)模式集理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析為一體，提升了學(xué)生的科研素養(yǎng)，為后續(xù)的科研、就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。