疫情環(huán)境下大型儀器課程的五環(huán)節(jié)教學(xué)模式探索

陳 娟 魏文嫻 肖金坤

(1.揚(yáng)州大學(xué) 測(cè)試中心，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

在科技高速發(fā)展的今天，大型儀器已經(jīng)成為生物、醫(yī)藥、建筑等眾多行業(yè)中必不可少的科研工具，也是高等學(xué)校教書育人和科學(xué)研究所需的必要設(shè)備。大型儀器課程具有非常強(qiáng)的前沿性、理論性和實(shí)踐性，它要求學(xué)生不僅能夠掌握理論知識(shí)，還應(yīng)該具備實(shí)踐操作能力，該課程的教學(xué)工作順應(yīng)了新時(shí)代應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求[1-3]。大型儀器課程為綜合性課程，包括對(duì)掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀、光電子能譜儀、拉曼、紅外、紫外光譜儀、色質(zhì)譜儀、熱重分析儀、動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀等多臺(tái)設(shè)備的介紹。根據(jù)揚(yáng)州大學(xué)的學(xué)科分類及專業(yè)設(shè)置情況，大型儀器課程面向材料、化學(xué)、獸醫(yī)、農(nóng)學(xué)等自然學(xué)科研究生開設(shè)。該課程的開設(shè)，能讓學(xué)生了解常見的大型儀器設(shè)備種類及各種測(cè)試技術(shù)的工作原理和應(yīng)用范圍，掌握大型儀器的操作方法及測(cè)試結(jié)果的分析解析，為學(xué)生的科研工作奠定理論基礎(chǔ)，并提供實(shí)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

盡管大型儀器課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式在傳授學(xué)生基本知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生基本技能方面有重要作用，然而仍然存在以下局限：教學(xué)的時(shí)間和空間非常有限。大型儀器包括眾多分析技術(shù)，因此，分配到每項(xiàng)技術(shù)的理論和實(shí)踐教學(xué)時(shí)間都非常短，并且因?qū)嵺`場地常選用各個(gè)分析測(cè)試室，實(shí)踐場地較小，不能滿足大班授課的需求。同時(shí)，受到疫情的影響，我國的在線開放課程得到迅猛發(fā)展，學(xué)生線上學(xué)習(xí)資源得到深度挖掘，線上學(xué)習(xí)方式趨于流行[4-6]?；谏鲜鲆蛩?，開展線上和線下相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)，是實(shí)行現(xiàn)代大型儀器教學(xué)改革的必由之路。據(jù)此，本文以大型儀器課程中“透射電子顯微鏡”為例，探索混合式的教學(xué)模式，使用便利的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)豐富的學(xué)習(xí)資源耦合線下實(shí)踐教學(xué)，設(shè)計(jì)五個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐，使得教學(xué)的時(shí)間和空間不再受到限制。

一、大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的大型儀器授課分為兩個(gè)階段：課堂理論授課階段和測(cè)試室內(nèi)實(shí)踐操作階段。如果學(xué)生不能自覺地進(jìn)行課程預(yù)習(xí)，便對(duì)課程沒有大致的了解和把握；在傳統(tǒng)的授課課堂上教師往往講授大量抽象難懂的理論知識(shí)，而學(xué)生較難吸收；傳統(tǒng)的課堂上教學(xué)內(nèi)容更新相對(duì)較慢，沒有及時(shí)加入新發(fā)展的技術(shù)，跟不上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的腳步。此外，透射電子顯微鏡為大型精密貴重儀器，對(duì)操作者的專業(yè)性和熟練性要求很高，為避免儀器因誤操作導(dǎo)致的損害，實(shí)踐操作時(shí)教師往往以演示為主，只有少量學(xué)生在有限的權(quán)限內(nèi)能操作儀器。為了讓學(xué)生更好地吸收理論知識(shí)，掌握透射電鏡的實(shí)踐操作技術(shù)，提升科學(xué)素養(yǎng)和動(dòng)手能力，我們將在使用優(yōu)質(zhì)豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和線上教育平臺(tái)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的兩個(gè)階段的教學(xué)環(huán)節(jié)細(xì)化成五個(gè)階段的教學(xué)環(huán)節(jié)，它們依次為：課前預(yù)習(xí)、線上講授、虛擬仿真軟件模擬、線下實(shí)踐和教學(xué)評(píng)價(jià)。大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學(xué)模式列于表1中。利用中國大學(xué)MOOC平臺(tái)發(fā)布單元導(dǎo)學(xué)和優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，使用騰訊會(huì)議進(jìn)行線上授課，借助虛擬仿真軟件模擬透射電子顯微鏡的操作，為線下實(shí)踐作充分的準(zhǔn)備。利用問題式、探索式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，加強(qiáng)學(xué)生與教師之間的互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為他們今后的科研工作做好鋪墊。

表1 大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學(xué)模式

二、五環(huán)節(jié)混合式教學(xué)模式的實(shí)施方案

大型儀器教學(xué)中“透射電子顯微技術(shù)”單元五環(huán)節(jié)教學(xué)模式的具體實(shí)施方案如下：

(一)引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)

利用發(fā)布在中國大學(xué)MOOC平臺(tái)上的單元導(dǎo)學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在某一時(shí)間段內(nèi)根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)安排學(xué)習(xí)活動(dòng)：預(yù)習(xí)單元學(xué)習(xí)內(nèi)容并了解單元學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)。課前預(yù)習(xí)包括資料閱讀、在線答題和提出問題。資料閱讀包括提前閱讀本單元的課本知識(shí)和相關(guān)的簡短易懂的音頻、視頻等補(bǔ)充材料。形式多樣的學(xué)習(xí)資源可以使得知識(shí)更加易于理解和吸收。根據(jù)本單元的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)，設(shè)計(jì)在線答題題目。在線答題一方面促使學(xué)生預(yù)習(xí)本單元的知識(shí)，另一方面考察學(xué)生對(duì)本單元的了解程度。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教師能靈活調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)薄弱知識(shí)的講授。學(xué)生提出預(yù)習(xí)過程中不懂的問題，教師對(duì)問題進(jìn)行收集和整理，并在接下來的線上授課環(huán)節(jié)為學(xué)生進(jìn)行講解。

(二)利用騰訊會(huì)議線上講授

線上講授為透射電鏡理論教學(xué)的核心環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)講授內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了預(yù)習(xí)答疑和引進(jìn)的最新技術(shù)的介紹部分。線上講授在騰訊會(huì)議軟件上進(jìn)行。為了達(dá)到最佳教學(xué)效果，在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中將騰訊會(huì)議的下載和使用方法說明書發(fā)布給學(xué)生，讓學(xué)生提前熟悉授課軟件，學(xué)會(huì)使用軟件中的各種學(xué)習(xí)功能。開始上課后，首先拋出預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中困擾大部分學(xué)生的問題，用問題引出課程內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生思考，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。線上針對(duì)這些問題進(jìn)行詳細(xì)解答。在騰訊會(huì)議上除了講授透射電子顯微鏡工作原理等理論知識(shí)外，借助線上教學(xué)能大量使用網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，給學(xué)生展示高清的透射電子顯微鏡外觀圖片、詳盡的儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖、透射電鏡成像及衍射斑點(diǎn)的動(dòng)態(tài)形成過程等，如圖1所示，讓學(xué)生輕松掌握透射電鏡的原理、應(yīng)用等理論知識(shí)。

圖1 線上展示透射電鏡成像及衍射斑點(diǎn)的動(dòng)態(tài)形成過程

為學(xué)生介紹近期引入的新技術(shù)配件。常規(guī)的透射電鏡需要在高真空的環(huán)境下觀察樣品，因而無法觀察含水樣品。揚(yáng)州大學(xué)近些年購買了如圖2所示的Gatan 626冷凍樣品傳輸臺(tái)，該傳輸臺(tái)可以將含水樣品固定，并送入常規(guī)透射電鏡進(jìn)行觀察，這對(duì)生物樣品以及膠束樣品的觀察具有重要意義。向?qū)W生介紹這一技術(shù)，將為學(xué)生在后期的科研工作中使用該技術(shù)做好鋪墊。冷凍樣品傳輸臺(tái)的工作原理為利用制樣機(jī)器人將具有極薄液層的樣品快速投入液態(tài)乙烷中冷凍，由于液態(tài)乙烷具有極大的導(dǎo)熱速率，使得樣品溫度在極短的時(shí)間內(nèi)降低至玻璃化溫度，制備得到玻璃態(tài)樣品。將玻璃態(tài)樣品儲(chǔ)存在液氮中，并迅速轉(zhuǎn)移至裝有液氮的冷凍樣品桿中，將冷凍樣品桿插入透射電鏡，即可對(duì)含水樣品進(jìn)行觀察[7-9]。

圖2 Gatan 626冷凍樣品傳輸臺(tái)

(三)虛擬仿真軟件模擬

相比較音頻視頻等教學(xué)資源，虛擬仿真技術(shù)是最新發(fā)展起來的高級(jí)仿真技術(shù)[10-12]，能提供逼真的觸覺、聽覺和視覺等多維感官的體驗(yàn)，大大提升學(xué)生理解和記憶知識(shí)的程度。依托于透射電鏡的虛擬仿真項(xiàng)目是近年來揚(yáng)州大學(xué)培育的仿真項(xiàng)目之一，該系統(tǒng)包括虛擬仿真軟件，提供立體的視覺感知的頭盔顯示器和追蹤手部操作的手部跟蹤器。進(jìn)入透射電鏡的虛擬仿真網(wǎng)站后，首先閱讀軟件的使用說明及注意事項(xiàng)；再完成透射電鏡的操作，包括透射電鏡開機(jī)、三級(jí)真空泵抽真空(如圖3所示)、多樣品桿進(jìn)樣、常規(guī)樣品觀察、拔出多樣品桿，電鏡關(guān)機(jī)等。虛擬仿真模擬能完成樣品成像中的放大縮小、平移和對(duì)焦等基本模擬操作，這是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來完成的。

圖3 模擬透射電鏡三級(jí)真空泵抽真空

透射電鏡的實(shí)踐課程受到儀器精密度和場地的限制，學(xué)生往往較難親自動(dòng)手操作儀器。虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生學(xué)習(xí)大型儀器的操作提供了平臺(tái)，經(jīng)過多次反復(fù)的虛擬上機(jī)操作后，學(xué)生能熟悉儀器的使用方法和操作流程，為后期的上機(jī)實(shí)踐做好鋪墊。

(四)大型儀器線下實(shí)踐

在虛擬仿真模擬過程中，用于成像的樣品單一，線下實(shí)踐過程中可以對(duì)多種不同特性的樣品成像，不同樣品在觀察過程中選用不同的電壓、電流、束斑直徑等條件；線下實(shí)踐能清楚感受聚焦過程中圖像的變化；上機(jī)操作過程中除了進(jìn)行透射成像外，還可以使用選區(qū)光闌進(jìn)行衍射圖像的拍攝。圖4是學(xué)生正在實(shí)踐操作透射電鏡。因而線下實(shí)踐是對(duì)虛擬仿真模擬的必要補(bǔ)充和強(qiáng)化。此外，在虛擬仿真操作的基礎(chǔ)上，學(xué)生能很快地掌握電鏡的操作技巧，提高了線下實(shí)踐的效率。

圖4 學(xué)生實(shí)踐操作透射電鏡

(五)多方位教學(xué)評(píng)價(jià)

為了能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)又提高學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中的積極性和能動(dòng)性，我們使用了全過程多方位的評(píng)價(jià)考核體系。多方位教學(xué)評(píng)價(jià)與原有評(píng)價(jià)方式的比較如圖5所示。多方位的評(píng)價(jià)考核在課前預(yù)習(xí)、線上講授、虛擬仿真軟件模擬和線下實(shí)踐環(huán)節(jié)均設(shè)定參與度、測(cè)試題等評(píng)價(jià)點(diǎn)。課程的理論評(píng)價(jià)劃分為兩個(gè)部分：一部分評(píng)價(jià)學(xué)生在課前預(yù)習(xí)和在線講授中的綜合表現(xiàn)，計(jì)為平時(shí)成績，為總成績的30%。另一部分為期末成績，要求學(xué)生結(jié)合即將開展的科研工作，選擇在以后的科研工作中常用測(cè)試技術(shù)，并描述該技術(shù)如何為科研工作服務(wù)，該部分占總成績的70%。課程的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)也分為兩部分：一部分為學(xué)生在虛擬仿真軟件教學(xué)以及線下實(shí)踐中的綜合表現(xiàn)，占總成績的50%，另一部分是學(xué)生為自己即將開展的科研課題中涉及的樣品規(guī)劃透射電鏡拍攝方案，包括制備透射樣品方案和電鏡的成像操作方案，占總成績的50%。原有的評(píng)價(jià)方式為利用結(jié)課考試測(cè)試透射電子顯微技術(shù)的理論知識(shí)掌握情況和上交透射電鏡操作步驟，這種評(píng)價(jià)方式容易導(dǎo)致學(xué)生僅僅死記硬背分析測(cè)試技術(shù)原理以及操作步驟，而無法靈活掌握透射電子顯微技術(shù)。本文建立的新的教學(xué)評(píng)價(jià)體系能更加客觀地反映學(xué)生對(duì)透射電鏡技術(shù)的掌握情況，有利于培養(yǎng)新型應(yīng)用型人才。

圖5 多方位教學(xué)評(píng)價(jià)與原有評(píng)價(jià)方式的比較

三、結(jié)語

大型儀器教學(xué)采用線上和線下混合式五環(huán)節(jié)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，能在一定程度上克服教學(xué)的時(shí)間和空間局限性，滿足大型儀器教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)的需求。將傳統(tǒng)的線下課堂講授加少量操作實(shí)踐的模式細(xì)化并改善為線上和線下結(jié)合的五環(huán)節(jié)教學(xué)模式，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)間和空間均較自由的線上學(xué)習(xí)過程中吸取更多的知識(shí)，并為線下的操作實(shí)踐做充足的準(zhǔn)備，接著在實(shí)踐過程中充分踐行所學(xué)知識(shí)，掌握分析測(cè)試技術(shù)的研究方法和實(shí)驗(yàn)操作技能，從而提高學(xué)生梳理知識(shí)、分析解決問題以及科學(xué)創(chuàng)新的綜合能力。目前大型儀器課程的線上和線下混合式五環(huán)節(jié)的教學(xué)模式仍在實(shí)踐探索階段，我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步加強(qiáng)和細(xì)化課程設(shè)計(jì)，提升教學(xué)改革效果，培養(yǎng)既具有堅(jiān)實(shí)的測(cè)試技術(shù)理論功底，又具有將理論應(yīng)用到實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。