工科专业大型精密分析仪器运用能力培养体系的建设

刘小青　谢峻林　方德　梁晓宁

［摘 要］ 掌握大型精密分析仪器的核心科技，突破西方的技术壁垒，对创新型人才的培养至关重要。以透射电镜运用能力培养体系的建设实践为例，研究了工科专业大型精密分析仪器运用能力培养体系的建设方法。通过开发实物教学模型，结合计算机多媒体技术、网络技术和虚拟仿真技术搭建多媒体素质教育平台，借助MOOC和超星网络教学平台，建成了理论与实践深度融合，课内与课外、线上与线下有机结合的，以创新型人才培养为目标的透射电镜运用能力培养体系。透射电镜运用能力培养体系的建设经验可为其他大型精密分析仪器运用能力培养体系的建设提供借鉴与参考。

［关键词］ 创新型人才；大型精密分析仪器；透射电镜；运用能力

［基金项目］ 2020年度教育部产学合作协同育人项目“‘材料研究与测试方法案例教学的设计与实施”（202002204026）；2021年度武汉理工大学校级教学改革重点研究项目“基于混合式教学的‘透射电镜实验立体化教材建设研究”（W20210059）

［作者简介］ 刘小青（1969—），男，湖北汉川人，博士，武汉理工大学材料研究与测试中心教授级高级实验师，主要从事电子显微分析、固废资源化研究；谢峻林（1965—），女，浙江慈溪人，博士，武汉理工大学材料科学与工程学院教授（通信作者），主要从事燃料燃烧、生态环境材料研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）24-0001-04［收稿日期］ 2022-06-21

近年来，国内越来越多的高校购买了透射电镜等大型精密分析仪器。这些仪器99%为西方发达国家所研发，价格昂贵，售后服务成本高。为突破技术壁垒，创新型人才培养已经迫在眉睫［1-2］。作为国家未来的创新型科技人才，工科大学生应该尽可能地掌握大型精密分析仪器的工作原理和操作技能，然而长期以来，大型精密分析仪器的教学出现重理论、轻实践，理论与实践脱节，或者只讲理论不做实验的现象［3-4］。学生学完“分析测试技术”课程参加工作后或攻读研究生时，仍然不会操作大型精密分析仪器的现象十分普遍。如何改进分析测试技术类课程的教学方法和教学手段，提高学生大型精密分析仪器的运用能力，是新工科背景下卓越工程师培养必须解决的一个棘手问题，近年来已经受到了社会各界的广泛关注［5-6］。信息技术的飞速发展促进了教育教学的信息化改革研究，大数据和人工智能等前沿技术带来的时代变革也让教育从业者对教学改革有了更强烈的危机感、紧迫感和使命感［7-10］。在新的机遇和挑战面前，本文拟以透射电镜运用能力培养体系的建設实践，探讨工科专业大型精密分析仪器运用能力培养体系的建设。

一、建设背景

透射电镜可以在纳米和皮米尺度表征材料的微观结构及物质组成等，广泛应用于与材料和生命科学及相关领域，是现代分析测试技术最重要的手段，也是理工科高校材料研究与测试方法类课程中重要的教学章节，但因学时和设备有限，在教学实践中暴露出以下几个主要问题：（1）透射电镜的理论教学难度大。透射电镜涉及的晶体学理论和电子光学理论比较艰深，透射电镜的结构也很复杂，而目前透射电镜教学资源多以文字、图片和PPT为主，交互性、可视化的教学资源相对匮乏。因此，透射电镜的理论知识很难被学生所理解与掌握。（2）透射电镜的实验教学难以有效开展。透射电镜价格昂贵，维护成本高，台套数少，且大多以科学研究为主，服务教学的少之又少。即使应用于教学，也不太放心学生在仪器上操作，因此，学生在透射电镜上的动手机会很少。（3）学生对透射电镜的综合运用能力差。由于对透射电镜理论知之不深，又缺乏实际操作经验，在解析透射电镜实验数据时，学生很难结合透射电镜理论与实验操作中观察到的实验现象，对实验数据进行准确、有效的综合分析，导致学生的综合分析问题能力得不到有效提高。

二、建设目标与定位

透射电镜运用能力培养体系的建设目标是顺应新工科背景下教学改革的大趋势，充分利用计算机多媒体技术和网络技术，发掘与利用各种有形和无形的教学资源，将抽象的理论形象化，将具体的实验虚拟化，实现课内教学和课外学习、线下教学和线上学习的有机结合与相互补充，最终建成理论与实践深度融合的透射电镜运用能力培养体系。透射电镜运用能力培养体系是工科专业大型精密分析仪器运用能力培养体系的重要组成部分，其建设应满足新工科背景下综合型、创新型、应用型人才培养的要求，培养具有较扎实的透射电镜理论知识基础、熟练的透射电镜操作技能和独立的数据分析处理能力的透射电镜创新型应用人才。

三、建设实践

（一）构建理论与实践相结合的“透射电镜”课程教学体系

根据工科大学教育对卓越人才培养的要求，以培养学生基础理论素养和提高学生动手能力为出发点，制订适合大学生工程教育的“透射电镜”课程教学大纲。理论教学以目标为导向组织教学，充分运用原理示意图、结构解剖图、教学视频、教学动画、交互式三维虚拟仿真软件、MOOC课和超星网络教学平台等多媒体教学手段，帮助学生更好地理解透射电镜的结构、组成和透射电镜的工作原理、成像原理以及数据分析原理，激发学生的学习热情。实验训练以解决实际问题为导向组织教学，将交互式三维虚拟仿真实验软件运用于实验操作教学，以帮助提高学生的动手能力和实验技能。理论教学与实验教学相辅相成，形成了理论与实践深度融合的“透射电镜”课程教学体系（如图1）。

（二）开发透射电镜实物教学模型，搭建透射电镜多媒体素质教育平台

为提高学生对透射电镜结构和原理的认知，学校将一台已经报废的老透射电镜作为透射电镜实物教学模型，用线切割技术从上至下切出一个剖面，使其完整呈现透射电镜的内部构造。同时，收集反映透射电镜历史和著名学者的照片、表现透射电镜结构和成像原理的示意图，以及典型的透射电镜图像等，制作大型教学展板，放置于学校测试中心一楼走廊，方便学生参观学习。制作反映透射电镜组成结构、工作原理、发展演进历史、电镜种类、功能与应用等的电镜知识科普视频，制作交互式的透射电镜虚拟仿真软件辅助教学，并将科普视频和仿真软件用大屏显示器展示出来。将上述透射电镜实物模型、多媒体电脑和大屏显示器放置于测试中心一楼大型仪器多媒体展厅，搭建了透射电镜的多媒体素质教育平台。

（三）开发以学生为中心，虚拟与现实相结合的透射电镜教学资源

利用计算机三维虚拟仿真技术，设计开发透射电镜虚拟仿真实验平台，构建了以学生为中心，虚拟与现实相结合的透射电镜教学资源（如图2）。利用此教学平台，只需借助电脑，学生就能够用交互式、可视化的方式沉浸在透射电镜实验室中，去感受透射电镜的真实操作。同时，由于三维技术还能将透射电镜的内部结构和成像原理在虚拟实验过程中同时展现给学生，因此，与现实的透射电镜实验相比，更有助于学生理解和掌握透射电镜的基本原理。

（四）建立课内与课外、线上与线下相结合的“透射电镜”教学和培训机制

“透射电镜”教学内容涉及的知识较多，由于课时有限，课堂上老师只能借助PPT和虚拟仿真软件将重要的和难以掌握的知识点讲解给学生听。为了检验课堂上学生对知识的掌握情况，当一节课快要结束时，利用MOOC或超星网络教学平台的课堂作业功能，进行课堂小测验，及时评估教学效果，并对学生普遍存在的问题进行答疑解惑。这种线上和线下相结合的课堂教学方式相较于传统的课堂点名回答问题教学方式更易为学生所接受，且考查了全体学生掌握知识的情况，因此，更方便教师及时掌握学生的整体学习情况，具有极好的教学效果。为弥补“透射电镜”课时的不足，借助MOOC平台录制透射电镜的教学录像、利用超星网络教学平台建设“透射电镜”课程教学网站、借助QQ软件建立专门的“透射电镜”学习QQ群、利用微信和课程教学网站上的课程讨论组等，建立学习互动交流平台，以辅助学生线上学习和教师互动答疑。为了满足学生更进一步学习透射电镜知识的需要，定期开展透射电镜专题讲座，将透射电镜的最新技术成果和使用经验与大家分享；每年举办透射电镜操作培训，进行一对一的上机辅导和强化训练。借助上述多条途径，建立了课内与课外、线上与线下相结合的“透射电镜”理论与操作培训机制。

（五）建立以能力评价为导向的“透射电镜”理论与操作考核体系

以能力评价为导向，设计“透射电镜”理论考核体系和操作考核体系。建立包含多种题型的试题库，理论考核重点考查学生对透射电镜结构和工作原理的理解与掌握程度，以及运用透射电镜基本理论分析和解决实际问题的能力。操作考核包含笔试和上机考试两部分，重点考查学生的实验动手能力、综合运用能力和遇到不明或紧急情况时的应变处置能力。

四、实践效果

（1）经过多年的实践，透射电镜的理论与实验的课内教学体系在材料学院全面落实。“透射电镜”课程教学体系在2015～2018级无机非金属材料工程、材料科学与工程、材料物理、材料化学、高分子科学与工程、新能源材料与器件等六个专业的60个班级中推广实施，直接受益学生达2 200名左右。（2）透射电镜操作培训机制在学校内稳定运行。从2015年至今，举办了20期透射电镜操作培训，216名学员通过考核并拿到了相应的透射电镜操作证书。（3）教学成果通过MOOC、素质教育平台等形式推广到全国其他学校，上线学习人数达14 690人。2020年“材料研究与测试方法”被教育部认定为首批国家级一流本科课程。“透射电镜”课程教学在其中发挥了重要的作用。（4）测试中心大型仪器展示平台是湖北（洪山地区）科普资源开放共享联盟成员单位，其中，透射电镜素质教育平台已经成为社会各界人士来校参会或参观的“网红打卡点”。

结语

透射电镜运用能力培养体系的建设实践以学生为中心，以目标为导向，充分利用计算机多媒体技术和网络技术辅助教学，实现了理论与实践深度融合，课内和课外、线上和线下有机结合的教学体系，在透射电镜创新型人才培养实践中取得了较好的效果，为其他大型精密分析仪器运用能力培养体系的建设提供了一個可资借鉴的范本。在建设过程中我们也体会到，计算机虚拟仿真技术虽然可以很好地辅助教学，但光靠虚拟仿真手段并不能完全代替真正的实验操作。对于大型精密分析仪器而言，如果能按仪器的比例制作一些缩小版的可拆解的实物模型作为实验教具，将更有利于学生综合运用能力的培养。

参考文献

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Research on the Training System Construction of Large Precision Analytical Instrument Using Ability for Engineering Specialty

LIU Xiao-qinga， XIE Jun-linb， FANG Dea， LIANG Xiao-ningb

（a. Materials Research and Testing Center， b. School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： To master the core technology of large precision analytical instruments and break through the technical barriers from western developed countries is very important for the cultivation of innovative talents. In this paper， based on the construction practice of transmission electron microscope using ability training system as an example， the construction method of using ability training system of large precision analytical instruments was studied. By the development of physical teaching model and the rational utilization of computer multimedia technology， network technology and virtual simulation technology， a multimedia well-rounded education platform was set up. Combined with MOOC and Chaoxing online learning platform，  the using ability training system of transmission electron microscope was constructed. This system aims at cultivating innovative talents， making theory and practice deeply integrated， and organically uniting in-class teaching and out-of-class teaching， online learning and offline learning into a whole. The construction experience of transmission electron microscope application ability training system can be used as a reference.

Key words： innovative talents; large precision analytical instruments; transmission electron microscope; using ability