高校大型分析测试设备服务于本科教学的方法探讨

段辉平 宋洪海 杜 娟

北京航空航天大学分析测试中心 北京 100191

☆资产管理与设备使用☆

高校大型分析测试设备服务于本科教学的方法探讨

段辉平 宋洪海 杜 娟

北京航空航天大学分析测试中心 北京 100191

利用透射电子显微镜，结合大学本科材料分析测试方法课程学习，探求大型分析测试设备为材料学本科教学的服务方式和作用。根据学生课堂学习的进程，设计不同层次的实验，使学生把抽象的理论知识与具体的设备操作和实验结果分析联系起来。

大型设备；本科教学；课程设计

Abstract: Combined with the class learning of the course for undergraduates, i.e. modern analysis and testing method, transmission electron microscopy had been employed to f nd out the serving approaches and role of the large analysis and testing instruments for the undergraduate teaching in materials science. Based on the progress of class learning, different experiments had been designed for the undergraduates with the purpose to let them bridge the abstract theoretical study with concrete instrument operation and experimental result analysis.

Key words: large analytical instrument; undergraduate teaching; course designing

对于材料科学与工程专业的学生而言，熟悉或掌握先进分析测试设备的使用以及对测试结果进行合理正确的分析已经成为一种必备的技能，几乎所有高校的材料科学与工程专业均开设了与材料测试方法相关的课程。但囿于各单位测试设备，特别是大型分析测试设备资源有限，绝大部分本科学生都没有机会在学习期间接触到相应的设备，更不用说亲自动手上机实验。因此在学习材料测试方法相关课程时，对设备没有基本的感性认识，不能把课堂上学到的理论知识与具体实践活动结合起来。而在学生进入毕业设计阶段或后续的深造过程中，绝大部分学生都要用到大型分析测试设备进行分析和研究。通过笔者近几年对学生的了解，有相当大的一部分学生虽然学习了相关课程，但对设备的了解知之甚少；另外由于课堂学习时对设备也没有感性认识，对设备的基本操作和基本功能也备感陌生，以致在进行毕业设计实验或攻读硕士学位时，不清楚自己要从分析测试实验中得到什么或验证什么，更不用说能对实验结果进行正确的分析和解释。

随着我国经济实力的增强和科技水平的发展，各种精密的大型分析测试设备越来越普及，国内各高校也大量引进了先进的大型分析测试设备，逐步形成了系统、完善的分析测试平台，为提高高校的科研教学水平提供了保障。但由于管理和资源相对紧缺的原因，目前这些大型设备都主要用于教师、研究生的课题研究，对本科生教学的辅助作用发挥不够理想。大学本科的分析测试方法学习主要依靠理论课程，很少甚至没有相应的实验来配合学生的理论学习；对于存在的一些具体问题，笔者进行了探讨[1]。

目前，对于如何加强大型设备的管理，提高其使用效率已经引起了广泛的关注，很多设备管理人员也提出了一些具体的方法和措施[2-4]。从实验室管理、实验室的运行机制、实验教学内容和教学方法等方面，探讨对本科生开放大中型仪器的具体保障措施[5]。对于大型设备如何为本科生开放，如何为他们提供更多的接触和使用机会，一些高校也进行了具体尝试，如西南交通大学探讨了重点实验室对本科生开放的方式，得到了预想的效果，一些思路也值得借鉴，如对优秀本科生开放等[6]。但重点实验室一般都是专业性较强的大型设备，相对来说用户较少，实验安排可控性强，而大型的公共分析测试设备，如透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪等，用户较多，相对来说实验安排非常紧张。在服务于本科教育方面，这些大型分析测试设备基本限于为本科生提供参观或演示性实验而已，远远满足不了学生学习和教学的需要。一些设备管理人员开始挖掘大型分析测试设备在激发本科生学习兴趣、提高其科研技能和素质方面的作用，提出了一些很好的方法和建议。从开设实验课、选修课以及为本科生毕业设计服务等方面进行了积极的探索[7]；北京工业大学探讨了大型仪器设备在本科生、研究生创新能力培养中的实践教学模式、特点及成效，提出了大型分析设备的“分散”式教学模式，取得了较好的实验效果[8]。

我校分析测试中心在学校的支持下，结合现代材料分析方法的课堂学习，以透射电子显微镜实验室为平台，设计不同层次的实验，探讨有限的实验课时对学生掌握大型分析测试设备基本技能的方法和途径，探索大型公共分析测试设备在本科教学中的作用和方法。

1 方法探讨

我们从学生对学校分析测试中心以及相关设备的了解程度、学习分析测试设备相关知识的兴趣、大型分析测试设备对本科教学服务的必要性等几个方面对学生进行了调查。从正在学习现代材料分析方法课程的二年级本科生中随机发放问卷90份，收回87份。结果发现学生对中心及设备的功能知之甚少，68人有强烈学习设备操作、分析方法的愿望，学生希望能有更多的机会接触设备，希望中心能通过开设实验课、开放实验室等方式为他们提供机会。基于问卷结果，分析测试中心决定以透射电子显微镜实验室为主，根据课堂理论学习的进度设计了4种不同层次的实验，即认识型实验、强化型实验、巩固型实验和自主设计型实验，以此探求大型分析测试设备为本科教学服务的途径、方式、方法，力图利用有限的时间，使学生熟悉大型分析测试设备的基本分析方法，激发学生学习兴趣，培养学生分析问题和解决问题的能力。考虑到设备的承载能力和学生现场听讲效果及操作设备时间等问题，从68名具有强烈学习愿望的学生中随机抽取16名学生分为4组进行了尝试性探索，具体做法如下：

在学生学习完设备的基本结构和原理后，让学生对设备实物及其结构部件进行认识，并了解各主要部件的作用原理以及整体设备的工作原理，此即认识型实验，实验时间2小时。通过对实验设备近距离的观察和现场讲解，学生对设备的整体构造有了具体的感性认识，克服了以往学生对大型设备只限于抽象认识的问题，极大地提高了学生学习的兴趣。

在学生学习完设备基本分析功能和操作方法后，在设备管理人员的指导下，让学生亲自上机实验并完成所学分析功能的基本操作，加深对所学理论知识的理解以及设备工作原理的认识，此即强化型实验，实验时间2小时。在此阶段，开设了透射电子显微镜基本功能，即形貌像的观察和衍射谱的获取等基本操作训练实验。在学生操作过程中，教师结合成像原理详细讲解每一步操作改变的参数，使学生对透射电镜的成像过程和各部件的功能有了深刻的了解。通过学生亲自动手操作设备和教师现场讲解，使学生对透射电子显微镜形貌像和衍射谱的形成原理有了深刻而具体的认识。

在学生熟悉设备工作原理和掌握基本操作的基础上，让每一名学生都拍摄一张纳米炭管形貌像和一张单晶硅的衍射谱，获取实验结果，要求学生用所学的知识对结果进行合理解释，写出实验分析报告，巩固所学知识，此即巩固型实验，实验时间2小时。由于图像是学生亲自动手获得的实验结果，不再是课堂教师展示的示意图，更能激发学生强烈的学习兴趣。通过对图像的分析，学生可以掌握一些基本的分析技能，提高了学生应用理论知识解决实际问题的能力。

在学生学习完课程之后，根据学生对材料微观结构和设备的兴趣，由学生自主设计实验，提出实验申请，在设备管理人员指导下，操作设备解决感兴趣的问题，撰写实验分析报告，此即自主设计型实验，实验时间2小时。此实验自愿参与，不要求学生全部参加。在自主设计型实验中，学生往往对位错和复杂衍射谱的分析感兴趣。囿于实验操作的复杂性和设备资源的有限性，我们只选择了一些相对简单的孪晶衍射谱让学生进行拍摄和分析。

通过4个不同层次的实验训练，学生对电子显微学的原理、透射电镜的结构以及基本操作和分析方法有了具体的认识。后续的课程考核表明，这些学生对相应知识的掌握和理解程度明显优于其他没有经过实验训练的学生。

2 存在的问题和思考

虽然尝试的效果令人非常满意，但遗憾的是由于设备需要承担足够的公共服务，不能为本科教学提供大量的实验时间。考虑到学生日后的发展和大型分析测试设备管理、开发的需要，笔者认为没有必要对所有学生都进行同样的训练和培养，对大型分析测试设备的学习和教学应分为两个不同的方向：一是培训少量学生，达到基本掌握设备操作技巧和日常维护技能的水平，从中发现一些对大型分析测试设备兴趣浓厚的学生，目的是培养熟练掌握设备操作、具有设备功能开发能力的高端实验人员，为设备使用和管理的可持续发展储备人才；二是培训学生掌握实验结果的分析方法和技巧。由于大部分学生今后只需要掌握如何利用大型分析测试设备为自己的科学研究服务，掌握如何从实验结果中获得所需要的重要信息和结论，因此对于这一部分学生来说，不需要掌握设备的操作和维护技能，但需要熟练掌握各种分析方法和技巧。因此，就目前状况而言，笔者认为如何利用设备优势激发学生的学习兴趣，提高学生对实验结果的分析技巧是高校大型分析测试设备服务于本科教学的重点。可以采用为学生提供见习机会、定期开放等形式，提高学生对设备的基本操作、功能、结构和工作原理的认识水平；对于某些对设备或分析方法有极大兴趣的学生，可如本文所述，根据所学课程的内容，利用部分时间，选择部分学生进行基本操作的培训。

3 结束语

高校中的大型分析测试设备承担着大量的科研任务，绝大部分处于满负荷状态，但作为学校重要的大型设备，同样肩负着为本科教学服务的责任和义务。笔者结合课堂理论学习进度，设计合适的实验，探讨了大型分析测试设备服务于本科教学的途径、方法，取得了一定的效果，但仍然满足不了学生学习的要求。大型分析测试设备服务于科研与教学的矛盾不是短期内能解决的问题，特别是那些需要较强操作技能的设备，如何让其最大限度地服务于本科教学，仍然是一个值得探讨和研究的课题。

[1] 段辉平,宋洪海,杜娟.分析测试中心服务于本科教学的问题与思考[J].中国现代教育装备,2011,17:47-48.

[2] 郭武学.高校分析测试中心的现状分析与探讨[J].中国现代教育装备,2007,5:66-68.

[3] 刘雁红,崔永岩.发挥大型仪器设备在教学科研中作用的研究[J].中国轻工教育,2009,S:115-117.

[4] 陶文宏,王英姿.关于大型仪器实验教学的思考[J].科技与教育,2008,9:182.

[5] 饶薇薇,包新华.对本科生开放大中型仪器的实践与探索[J].化工高等教育,2008,3:49-51.

[6] 周仲荣,张文桂.重点实验室参与本科教学实践的启示[J].高等工程教育研究,2003,5:22-24.

[7] 屈树新,沈如.探索大型分析设备在本科教学中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(10):30-33.

[8] 汤云晖,王波.大型仪器设备实验教学与本科生、研究生创新能力培养的探索实践[J].中国现代教育装备,2010,17:129-131.

Investigation on the serving approach for large analysis and testing instruments to the undergraduate teaching

Duan Huiping, Song Honghai, Du Juan
Beijing university of aeronautics and astronautics, Beijing, 100191, China

2011-12-01

段辉平，博士，副教授，常务副主任。

北京航空航天大学教改项目“公共分析测试平台在本科实验教学中的应用探索”。