新工科背景下利用大型仪器平台的实验教学实践

姚青倩，卢 媛，陈翠红，王 平，展思辉

（南开大学环境科学与工程学院，天津 300350）

0 引言

2017 年教育部发布了“新工科研究与实践项目指南”等一系列政策，就新时期如何培养适应时代发展要求的工程技术人才提出了要求［1-2］。新工科建设是为了服务国家实施的“创新驱动发展”“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等重大发展战略计划［3-4］。新工科往往由多个学科交叉融合而成，目的在于培养具有多学科交叉知识、理论和专业基础的复合型工程科技人才［5］。在新工科建设中实践环节的教学正是培养学生创新精神和工程实践能力的主要渠道［6-7］。为适应新工科发展的要求，必须对工程类专业的实践环节进行系统的改革和完善［8］。仪器分析技术的发展在一定程度上推动着科学研究的发展，仪器分析学科作为分析化学的重要分支，在生命科学、材料科学、环境监测、信息科学等多学科领域都起着很重要的作用［9］。2021 年3 月全国两会公布了一项“关于对重大科研仪器行业进行重点支持的提案”，建议提高对国家重大科研仪器设备研制和开发的经费投入，鼓励科研仪器行业的积极创新。仪器分析实验课程的开设可以加强学生对科研仪器的理论和实践学习，服务国家发展战略。目前全国各大院校均开设了仪器分析实验课程，力图实现完善的分析测试能力培养体系［10-11］。立足于新工科背景下培养新型工科技术人才的要求，我校环境科学工程学院大型仪器平台对传统仪器分析课程进行了教育教学改革工作，加入了涉及多学科领域的实验方案，为新工科建设和创新型人才培养提供了新方案。

1 大型仪器实践教学平台的建设

1.1 平台的建设背景

建设大型仪器实践平台的目的是为了服务学科建设，结合环境科学与工程学院教师的科研方向，提供给学生进行科研项目活动的实践平台，以科研项目带动学生的创新精神和实践能力的培养［12］。环境学院大型仪器平台建设始于2010 年，随着“双一流”学科建设的推进，也为了更好地服务于科学研究，近年来平台购置的仪器数量和种类持续增多。平台目前拥有高分辨质谱、共聚焦显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜等大型精密仪器10 余台，仪器总价值超3 000 万元，并配有国内外先进的数据处理软件系统，为开展仪器分析前沿实验课程提供了强有力的硬件支撑。在新工科建设的背景下，为了持续推进工程教育改革，不断深化人才培养模式，自2017 年环境学院大型仪器平台开设了仪器分析实验课程，将科研与教学相结合，搭建了大型仪器实践教学平台。平台从师资队伍建设、运行机制以及实验室安全管理方面入手，打造了符合自身学科发展特色的教学实践平台，该平台的整体框架结构见图1。

图1 大型仪器实践教学平台结构框架

1.2 师资队伍建设

学科建设的核心任务是该学科领域的师资队伍建设，学科队伍建设是开展学术研究和专业人才培养的前提和保障，通过对相关学科专业教师的队伍建设和培养组建高水平的师资队伍在新工科建设中尤其重要［13］。目前，大型仪器实践教学平台包含硕士6 人，博士3 人，其中副高级职称3 人，所学专业涵盖环境，材料，化学，生物等方向。仪器分析实验课程由大型仪器管理人员担任授课教师，此类人员对仪器原理和实验操作都有着丰富的知识储备和经验。在师资培养方面，平台会定期组织授课教师参与仪器和教学方面相关的培训和讲座，并对相关人员定期考核以提高教师专业水平和职业素养。

1.3 平台运行机制

大型仪器实践教学平台设有健全的仪器管理制度，包括仪器操作守则、实验室应急规程、人员考核制度等，保证教学实验的安全有序开展。校内外师生可在大型仪器公共管理系统中查看相关仪器参数信息、运行状态、使用情况以及上课时间等事项。除科学研究和实验教学外，大型仪器平台人员还分工负责实验室安全检查、试剂耗材使用登记、教学消耗品采购、仪器维护维修、财务报销、新闻宣传等事宜，保证平台正常高效运行。在课程资源共享方面，包括实验数据、实验讲义以及仪器操作教学视频等课程资料均采用线上共享的方式分享在数据共享库、微信公众号、“雨课堂”等网络平台上供师生查阅学习，实现智能化教学管理。

1.4 实验室智能安全管理

除了传统的安全管理制度和相关人员定期的安全培训外，大型仪器实践教学平台也引入了智能安全管理系统。仪器实验室统一配备了数字化监控和门禁一体化系统。在实验过程中授课教师可以通过远程监控实时观察实验室内状态。在实验结束后若发现相关问题也可以通过调取监控，追究相关责任人。门禁系统可以严格管控实验室进出人员，出入实验室均需要经过授权。除此之外，涉及气体使用的实验室安装有气体泄漏监测器；危险化学品试剂的采购记录会实时同步传输到学校设备处的电子档案中，实现双重监管；实验前学生需要通过线上安全考试才能批准上机测试。在大数据和物联网的发展趋势下，利用多媒体化图像处理技术和流媒体网络传输对实验室的安全提供了有力的保障［14］。

2 仪器分析实验课程实践

2.1 课程体系设置

学术研究是学科建设的基础，学科理论、方法以及学科专业课程体系的构建是未来产业改造升级和新产业生成的基础［15］。为培养学生的学术研究水平，服务本学科建设，加强学生实践操作能力，我院利用大型仪器实践教学平台自主开设了仪器分析实验课程。如表1 所示，课程包含14 个分析实验，选用的仪器涉及光谱、色谱、质谱以及显微镜等多种分析手段，实验内容涵盖有机化学、无机化学、物理、生物、环境、材料等多学科交叉领域，采用多学科交叉融合式教学方法。本课程由仪器管理人员就现有仪器设计实验内容，使学生对未来科研中的分析测试工作有基础认知。从仪器的基本理论知识到分析测试方法的实践操作，提供了完整的专业课程体系。将学生的分析测试结果用于教育教学中，促进和推动学科研究水平，服务于新工科背景下国家对复合型人才的培养要求。

表1 多学科交叉式仪器分析实验内容设计

2.2 课程教学方式

本课程在传统实验教学方法上进行了优化，采用了多种授课方式，保证了课堂的实用性和先进性。

（1）小组教学。每组学生人数不超过5 人，学生可以根据兴趣或研究课题自主选择实验。实验课程一分为二，前一部分由仪器管理人员进行仪器构造和原理的讲解，后一部分进行样品前处理并上机操作，真正做到了理论学习与实践相结合。

（2）渗透式教学。从学生的课堂表现、课堂感受以及课程任务完成情况等开展实验教学，通过互动式教学模式不断改善授课方式。例如在原子吸收光谱学习过程中，加入了与电感耦合等离子体光谱仪的比较；将液相质谱和气相质谱相结合作为同类仪器系统学习；将电子显微镜和X射线粉末衍射的实验结果相结合，由形貌和元素分析过渡到对晶体结构的分析，由浅入深。

（3）混合式教学。在“雨课堂”等网络平台的帮助下，学生通过线上学习完成课前预习，任课教师可以实时跟踪查看学生预习情况以及对课堂问题的反馈。课堂过程中，教师可以利用在线软件对学生随时提问，自动统计答题情况并分享题目解析。课后还可以通过该软件自动批改作业、答疑以及获得学生对课堂效果的反馈。

2.3 课程考核方式

实验课的评分方式一般以实验报告为主，侧重检查实验报告的完成情况以及数据处理情况。这种做法往往只重视实验结果而忽略学生的实际学习情况，容易导致课前不预习，上课不认真，实验报告抄袭，实验数据拼凑等问题。全方位评分标准的采用可以对整个实验过程进行评判，本课程将学生的课堂问答情况、学习态度、仪器操作水平、小组成员配合情况等都归入评分细则，重点考核学生的动手能力和创新能力。其中课堂表现占30%，自主讲解、课上问答和组内配合情况各占10%，综合评估了学生的自主学习效果和动手实践能力；实验报告成绩占70%，其中理论知识总结占20%，课后习题占20%，数据处理水平占30%，是对学生思考能力和知识掌握程度的评估。评分细则如图2 所示，综合实验成绩反应了学生在整个实验过程的综合表现，体现了学生的整体科研素养。

图2 仪器分析课程评分标准

3 结语

我校环境学院大型仪器教学实践平台自建设以来，已面向全院200 多名学生开展仪器分析实验课程，教学效果改善明显。通过调查，80%以上的学生认为改革后的教学课程带来的教学质量有所提升。通过构建多元化交叉的知识体系，提供更多的自主学习环境，学生的独立思考和动手实践能力都有了大幅提高。在新工科建设的背景下，该实践教学模式集理论学习、实验操作、数据分析为一体，提升了学生的科研素养，为后续的科研、就业打下坚实的基础。