疫情环境下大型仪器课程的五环节教学模式探索

陈 娟 魏文娴 肖金坤

(1.扬州大学 测试中心，江苏 扬州 225127；2.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

在科技高速发展的今天，大型仪器已经成为生物、医药、建筑等众多行业中必不可少的科研工具，也是高等学校教书育人和科学研究所需的必要设备。大型仪器课程具有非常强的前沿性、理论性和实践性，它要求学生不仅能够掌握理论知识，还应该具备实践操作能力，该课程的教学工作顺应了新时代应用型人才的培养需求[1-3]。大型仪器课程为综合性课程，包括对扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、光电子能谱仪、拉曼、红外、紫外光谱仪、色质谱仪、热重分析仪、动态机械分析仪等多台设备的介绍。根据扬州大学的学科分类及专业设置情况，大型仪器课程面向材料、化学、兽医、农学等自然学科研究生开设。该课程的开设，能让学生了解常见的大型仪器设备种类及各种测试技术的工作原理和应用范围，掌握大型仪器的操作方法及测试结果的分析解析，为学生的科研工作奠定理论基础，并提供实用的实践经验。

尽管大型仪器课程的传统教学方式在传授学生基本知识和培养学生基本技能方面有重要作用，然而仍然存在以下局限：教学的时间和空间非常有限。大型仪器包括众多分析技术，因此，分配到每项技术的理论和实践教学时间都非常短，并且因实践场地常选用各个分析测试室，实践场地较小，不能满足大班授课的需求。同时，受到疫情的影响，我国的在线开放课程得到迅猛发展，学生线上学习资源得到深度挖掘，线上学习方式趋于流行[4-6]。基于上述因素，开展线上和线下相结合的方式进行教学，是实行现代大型仪器教学改革的必由之路。据此，本文以大型仪器课程中“透射电子显微镜”为例，探索混合式的教学模式，使用便利的网络平台和优质丰富的学习资源耦合线下实践教学，设计五个环节的教学实践，使得教学的时间和空间不再受到限制。

一、大型仪器课程的五环节混合式教学设计

传统的大型仪器授课分为两个阶段：课堂理论授课阶段和测试室内实践操作阶段。如果学生不能自觉地进行课程预习，便对课程没有大致的了解和把握；在传统的授课课堂上教师往往讲授大量抽象难懂的理论知识，而学生较难吸收；传统的课堂上教学内容更新相对较慢，没有及时加入新发展的技术，跟不上现代科学技术研究的脚步。此外，透射电子显微镜为大型精密贵重仪器，对操作者的专业性和熟练性要求很高，为避免仪器因误操作导致的损害，实践操作时教师往往以演示为主，只有少量学生在有限的权限内能操作仪器。为了让学生更好地吸收理论知识，掌握透射电镜的实践操作技术，提升科学素养和动手能力，我们将在使用优质丰富的网络资源和线上教育平台的基础上，将传统的两个阶段的教学环节细化成五个阶段的教学环节，它们依次为：课前预习、线上讲授、虚拟仿真软件模拟、线下实践和教学评价。大型仪器课程的五环节混合式教学模式列于表1中。利用中国大学MOOC平台发布单元导学和优质的网络学习资源，使用腾讯会议进行线上授课，借助虚拟仿真软件模拟透射电子显微镜的操作，为线下实践作充分的准备。利用问题式、探索式教学，鼓励学生独立思考，加强学生与教师之间的互动，培养学生的科学素养，为他们今后的科研工作做好铺垫。

表1 大型仪器课程的五环节混合式教学模式

二、五环节混合式教学模式的实施方案

大型仪器教学中“透射电子显微技术”单元五环节教学模式的具体实施方案如下：

(一)引导学生课前预习

利用发布在中国大学MOOC平台上的单元导学，引导学生在某一时间段内根据学习目标安排学习活动：预习单元学习内容并了解单元学习的重难点。课前预习包括资料阅读、在线答题和提出问题。资料阅读包括提前阅读本单元的课本知识和相关的简短易懂的音频、视频等补充材料。形式多样的学习资源可以使得知识更加易于理解和吸收。根据本单元的重点和难点知识，设计在线答题题目。在线答题一方面促使学生预习本单元的知识，另一方面考察学生对本单元的了解程度。根据学生的学习情况，教师能灵活调整教学侧重点，加强对薄弱知识的讲授。学生提出预习过程中不懂的问题，教师对问题进行收集和整理，并在接下来的线上授课环节为学生进行讲解。

(二)利用腾讯会议线上讲授

线上讲授为透射电镜理论教学的核心环节。在传统讲授内容的基础上，增加了预习答疑和引进的最新技术的介绍部分。线上讲授在腾讯会议软件上进行。为了达到最佳教学效果，在课前预习环节中将腾讯会议的下载和使用方法说明书发布给学生，让学生提前熟悉授课软件，学会使用软件中的各种学习功能。开始上课后，首先抛出预习环节中困扰大部分学生的问题，用问题引出课程内容，引发学生思考，调动学生的学习积极性。线上针对这些问题进行详细解答。在腾讯会议上除了讲授透射电子显微镜工作原理等理论知识外，借助线上教学能大量使用网络资源的优势，给学生展示高清的透射电子显微镜外观图片、详尽的仪器内部结构示意图、透射电镜成像及衍射斑点的动态形成过程等，如图1所示，让学生轻松掌握透射电镜的原理、应用等理论知识。

图1 线上展示透射电镜成像及衍射斑点的动态形成过程

为学生介绍近期引入的新技术配件。常规的透射电镜需要在高真空的环境下观察样品，因而无法观察含水样品。扬州大学近些年购买了如图2所示的Gatan 626冷冻样品传输台，该传输台可以将含水样品固定，并送入常规透射电镜进行观察，这对生物样品以及胶束样品的观察具有重要意义。向学生介绍这一技术，将为学生在后期的科研工作中使用该技术做好铺垫。冷冻样品传输台的工作原理为利用制样机器人将具有极薄液层的样品快速投入液态乙烷中冷冻，由于液态乙烷具有极大的导热速率，使得样品温度在极短的时间内降低至玻璃化温度，制备得到玻璃态样品。将玻璃态样品储存在液氮中，并迅速转移至装有液氮的冷冻样品杆中，将冷冻样品杆插入透射电镜，即可对含水样品进行观察[7-9]。

图2 Gatan 626冷冻样品传输台

(三)虚拟仿真软件模拟

相比较音频视频等教学资源，虚拟仿真技术是最新发展起来的高级仿真技术[10-12]，能提供逼真的触觉、听觉和视觉等多维感官的体验，大大提升学生理解和记忆知识的程度。依托于透射电镜的虚拟仿真项目是近年来扬州大学培育的仿真项目之一，该系统包括虚拟仿真软件，提供立体的视觉感知的头盔显示器和追踪手部操作的手部跟踪器。进入透射电镜的虚拟仿真网站后，首先阅读软件的使用说明及注意事项；再完成透射电镜的操作，包括透射电镜开机、三级真空泵抽真空(如图3所示)、多样品杆进样、常规样品观察、拔出多样品杆，电镜关机等。虚拟仿真模拟能完成样品成像中的放大缩小、平移和对焦等基本模拟操作，这是利用数字图像处理技术来完成的。

图3 模拟透射电镜三级真空泵抽真空

透射电镜的实践课程受到仪器精密度和场地的限制，学生往往较难亲自动手操作仪器。虚拟仿真技术为学生学习大型仪器的操作提供了平台，经过多次反复的虚拟上机操作后，学生能熟悉仪器的使用方法和操作流程，为后期的上机实践做好铺垫。

(四)大型仪器线下实践

在虚拟仿真模拟过程中，用于成像的样品单一，线下实践过程中可以对多种不同特性的样品成像，不同样品在观察过程中选用不同的电压、电流、束斑直径等条件；线下实践能清楚感受聚焦过程中图像的变化；上机操作过程中除了进行透射成像外，还可以使用选区光阑进行衍射图像的拍摄。图4是学生正在实践操作透射电镜。因而线下实践是对虚拟仿真模拟的必要补充和强化。此外，在虚拟仿真操作的基础上，学生能很快地掌握电镜的操作技巧，提高了线下实践的效率。

图4 学生实践操作透射电镜

(五)多方位教学评价

为了能对学生的学习情况进行综合评价，同时又提高学生在教学环节中的积极性和能动性，我们使用了全过程多方位的评价考核体系。多方位教学评价与原有评价方式的比较如图5所示。多方位的评价考核在课前预习、线上讲授、虚拟仿真软件模拟和线下实践环节均设定参与度、测试题等评价点。课程的理论评价划分为两个部分：一部分评价学生在课前预习和在线讲授中的综合表现，计为平时成绩，为总成绩的30%。另一部分为期末成绩，要求学生结合即将开展的科研工作，选择在以后的科研工作中常用测试技术，并描述该技术如何为科研工作服务，该部分占总成绩的70%。课程的实践教学评价也分为两部分：一部分为学生在虚拟仿真软件教学以及线下实践中的综合表现，占总成绩的50%，另一部分是学生为自己即将开展的科研课题中涉及的样品规划透射电镜拍摄方案，包括制备透射样品方案和电镜的成像操作方案，占总成绩的50%。原有的评价方式为利用结课考试测试透射电子显微技术的理论知识掌握情况和上交透射电镜操作步骤，这种评价方式容易导致学生仅仅死记硬背分析测试技术原理以及操作步骤，而无法灵活掌握透射电子显微技术。本文建立的新的教学评价体系能更加客观地反映学生对透射电镜技术的掌握情况，有利于培养新型应用型人才。

图5 多方位教学评价与原有评价方式的比较

三、结语

大型仪器教学采用线上和线下混合式五环节的教学模式进行教学，能在一定程度上克服教学的时间和空间局限性，满足大型仪器教学与时俱进的需求。将传统的线下课堂讲授加少量操作实践的模式细化并改善为线上和线下结合的五环节教学模式，有利于学生在学习时间和空间均较自由的线上学习过程中吸取更多的知识，并为线下的操作实践做充足的准备，接着在实践过程中充分践行所学知识，掌握分析测试技术的研究方法和实验操作技能，从而提高学生梳理知识、分析解决问题以及科学创新的综合能力。目前大型仪器课程的线上和线下混合式五环节的教学模式仍在实践探索阶段，我们仍然需要进一步加强和细化课程设计，提升教学改革效果，培养既具有坚实的测试技术理论功底，又具有将理论应用到实践能力的应用型人才。