OPCE理念指导下的仪器分析实验教学改革*
2023-10-09郭守杰吴利军李知声王之俊法文君
郭守杰,吴利军,蔡 拓,李知声,王之俊,法文君
(1 许昌学院化工与材料学院,河南 许昌 461000;2 许昌学院实验室与设备管理中心,河南 许昌 461000)
当今社会,高科技时代急需具有创新意识和创新能力的人才,培养学生创新能力已经成为近年来高校发展的重要趋势[1],而实验教学在培养学生的实践能力和创新能力上有着举足轻重的作用[2]。
实验教学课程中,仪器分析实验课程重要性不言而喻,仪器分析是采用一系列特殊的仪器设备,通过测量材料的某些物理或者物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、元素含量及结构信息的一种方法。随着科技的不断发展,形貌各异的材料被相继开发出来,在材料开发过程中,需要通过仪器对其进行一系列的分析表征,从而判断合成材料是否符合预期。目前许多高校均开设了仪器分析课程,该课程包括仪器分析理论课程和仪器分析实验课程,《仪器分析》已经被列为化学专业(本科)必修的基础课程之一。随着“仪器分析”课程的重要性日趋重要,为适应创新人才培养模式的要求,构建适应社会发展的“仪器分析”实验教学体系,改革仪器分析实验教学内容,实现教学手段现代化势在必行[3]。
作为仪器分析课程中的实践环节,仪器分析实验课程教学具有直观性、实践性、科学性及综合性等特征[4],仪器分析实验课程是一门与仪器分析理论课程紧密配合的课程,开设在学习了理论课程以后。学生首先通过仪器分析理论课了解仪器的构造、测试原理等内容,然后通过仪器分析实验课加深对有关仪器分析方法基本原理的理解,更直观的了解仪器的基本结构,掌握仪器的基本操作方法,学会数据的处理及分析,锻炼学生分析问题、解决问题的综合能力,从而为后续课程的学习及未来职业岗位的胜任奠定一定基础。
仪器分析实验课程之一的扫描电镜实验,在仪器分析课程中起着重要的作用。扫描电子显微镜是探测微观世界的重要大型精密仪器,可用于研究样品的内部结构、表面形貌特征、成份分析等[5]。通过扫描电镜实验课程可以直观的了解仪器的构造、操作过程,熟悉一系列电镜相关的专业知识,选取特定样品进行拍摄,通过课中实时观察样品的微观形貌,熟悉电镜的操作要点,掌握电镜图片的分析方法,为后续科研过程中的电镜测试奠定了良好的基础。
作为建设高水平应用型大学为目标的许昌学院,经过一系列的教学改革实践,提出了建立在OPCE(Open,Practical,and Creative Education)即“开放、实践、创新”理念基础上的人才培养模式,此项人才培养模式在开放、实践和创新的基础上达到教育学生的目的,即以开放的课程模式为导向,以学生实践为教学途径,旨在开发学生创新性思维和解决实际问题的能力[6],该项成果荣获2020河南省教学成果特等奖。本文基于OPCE理念为指导,以扫描电镜实验课程为例,指出了实验教学中存在的不足,从多方面分析,提出了一系列的建议,从课前预习、授课方式、考核方式、设备开放以及科研教学结合等方面出发,以激发学生的上课兴趣,锻炼学生的创新能力,促使学生主动思考,全方位提升授课效果,从而最终达到课程改革目的。
1 扫描电镜实验课程教学概况
1.1 扫描电镜介绍
扫描电子显微镜是用于观察样品微观形貌的设备,利用高能电子束扫描样品表面,激发出一系列电信号被探测器接收,经过一系列光电转换,最终形成样品的微观形貌,属于一种功能强大的材料测试分析设备。其主要结构包括:镜筒、样品仓,成像及记录系统(如图1所示)。
图1 扫描电镜结构示意图Fig.1 Structure of SEM
1.2 扫描电镜实验课程存在的问题
扫描电镜实验教学在专业课程教学活动中占有重要地位,有利于提高学生的分析问题、解决问题的能力[7]。许昌学院化工与材料学院的材料相关三个专业,均开设了扫描电镜实验教学课程,课程内容包括:电镜工作原理的学习、样品的制备、电镜样品的拍摄观察(该内容由老师操作)、后期的实验报告处理及课程考核等内容。
但是由于扫描电镜设备昂贵,加上课时有限,学生没有上机操作的机会,几个小时的学习达不到理想的学习效果,学生对电镜工作原理、样品拍摄技巧、电镜图片分析等知识的掌握程度参差不齐,注意力集中、自觉性良好的学生可以获取一些相关知识,自觉性相对差的学生基本上属于走马观花,效果不佳。另外由于考核方式单一,主要依靠实验报告的质量以及理论知识考核对学生学习效果进行评价,无法真正掌握学生对设备原理的理解及对操作技能的掌握。根据以上问题,基于OPCE理念为指导提出以下解决办法,以达到改变目前实验现状,充分培养学生动手能力及分析、解决问题的能力,最终提高教学效果。
2 建立OPCE理念为中心的扫描电镜课程教学改革
2.1 有效利用微课、课前充分预习
如果仅通过课本学习扫描电镜的原理、构造及操作的知识,比较枯燥、乏味、难以理解。所以充分利用微课手段,录制一些平时电镜操作期间的视频(包括制样、放样、操作等过程)及电镜内部构造的图片,加上有关电镜工作原理的视频动画。利用目前发达的网络,将课堂教学延伸到课外,课前将这些内容发到学生群,充分以学生自主学习为中心,通过生动形象的形式提高学生的学习兴趣,加深预习的效果,目前微课已经成为高校课堂授课重要的辅助手段[8],另外在课前预习过程中增加一项内容,即提出几个课程相关的问题,诸如:简述扫描电镜的分辨率的主要影响因素,解释一下景深的定义,二次电子和背散射电子是如何产生的。让学生在预习报告中对上述提出的问题进行详细解答,根据学生的解答情况判断学生的预习效果。这样学生在上课前就已经对本节课程有了一定程度的了解,带着问题来进行学习,达到提升学习效果的目的。
2.2 新旧电镜搭配、学生亲自上机
目前学院一台钨灯丝扫描电镜因为购买时间较长,加上分辨率比较低,缺少良好的维护,导致设备基本处于闲置状态,而新购置的场发射电镜由于性能优良,分辨率高,长期处于饱和状态,没有达到对设备的科学有效利用。为改变以上现状,将利用学院旧电镜开展电镜授课,培训过程中将设备的整个操作过程进行录像,课后将录像上传至学生群里,方便学生在课程结束后进行复习,同时为提高授课效果,采取小组模式,每组学生不超过8名同学,在前期预习过程对电镜原理及构造有了详细的了解后,课堂上主要讲解设备的开关机方法,重点讲述样品拍摄技巧,包括焦距调节、相散调节,电压、电流、工作距离等工作条件改变对样品拍摄效果的影响等方面。课程进行中,基于OPCE理念,为每一名学生提供上机操作实践的机会,通过理论与实践相结合,让学生进一步理解并掌握电镜的操作技巧。
2.3 开放旧电镜,定期开展电镜培训
除正常仪器分析课程中的电镜课程外,将旧电镜对学生开放,每年定期开展电镜操作培训,对该设备有兴趣的学生均可以报名参加,在该培训中,由于时间更加充分,可以对电镜的工作原理、制样技巧及操作方法等进行详细的讲述,和同学进行充分的互动,有问题的同学可以及时的进行询问,通过系统性的培训,让学生都能够充分的掌握上述内容,最终培养出一批能够熟练操作电镜的学生,对他们进行上机考核,考核通过的学生即可独立进行电镜操作。同时在考核通过的学生拍摄样品过程中,组织其他同学进行观摩学习,通过老带新模式,进一步提高电镜学习效果,形成一种良性循环,既培养了学生的操作技能,也优化了设备利用效率,另外学生科研过程中制备的样品,可以及时的进行电镜拍摄,最终也提升了科研效率。
2.4 增加上机考试,考察动手能力
经过对历届学生的观察,可以发现学生普遍存在重理论知识而轻实验操作的现象,对于课堂上面讲授的理论知识,都会花费大量的时间去学习掌握,而对于实验,却认为是对理论的验证,都是老师的事情,无需太重视[9],针对以上现象,基于OPCE理念,对考试方式进行优化,在课程考试中,除了理论考试外,增设上机考试,对学生进行上机测试,重点考察学生对操作要点掌握的程度,每名同学能够清晰讲解设备开关机操作步骤,同时能够独立拍摄出形貌清晰、轮廓分明、无明显相散的样品照片就可以通过上机考试,考试通过以后结合实验报告及理论考试成绩就是该名学生的最终成绩,通过考试形式优化,更能提高学生对实践操作的重视程度,达到理论与实践的结合,最大限度的提高学生的学习效果。
2.5 增设扫描电镜选修课程、融入思政元素
申请在学校增设《扫描电镜》选修课程,可以让一些学有余力、同时对这门课程有兴趣的学生都能报名进行深入学习,在增加学分的同时,还可以对扫描电镜的原理、拍摄技巧、电镜相关科学研究等方面都能够有较深入的了解。高校是培养人才的摇篮,是立德树人的重要阵地,全国高校思想政治工作会议上再次强调高校思想政治工作的重要性。要坚持把立德树人作为中心环节,把课程思政贯穿教育教学的全过程,努力开创我国高等教育事业发展新局面[10],所以在课堂上面讲述一些电镜的发展历史以及我国目前的研发水平和发达国家的差距,鼓励大家以后要好好学习,大胆创新,努力奋斗,为国家的科研发展贡献自己的一份力量,同时课堂上面准备一些精美的电镜照片,通过观察这些精美图片,让他们了解微观世界的奇妙,激发学生对电镜的兴趣,通过现场讲解电镜原理,使他们更加直观的理解电镜,形象的了解电镜的图像是如何产生的,通过控制学生人数,使每一名学生都有上机操作的机会,上机操作过程中为他们详细讲解电镜操作的技巧,如何能够结合调节焦距和相散,拍摄出最清晰的照片,通过现场教学和实践教学相结合的方式,最终使学生可以独立操作电镜,同时对电镜有了更深层次的理解。
2.6 教学服务科研,科研促进教学
目前本院学生进入大二以后,就需要进入课题组开展科研工作,该项工作就是基于OPCE理念基础上的开放平台实践课。课前指导教师为学生布置科研题目,学生通过查阅文献、浏览书籍确定实验方案,然后进行一系列实验,在这期间均需要通过扫描电镜对制备的材料进行形貌观察,然后通过其他分析仪器测试,最终制备出预期的样品。扫描电镜在科研过程中发挥的作用是举足轻重的,在电镜培训及授课过程中,激发学生学习兴趣,使学生养成主动发现问题、分析问题、最终能够通过实践独立解决问题的能力,是扫描电镜实验教学改革的焦点问题。鉴于此,在电镜课堂上准备一些学生科研过程中制备的样品照片,拍摄过程中让学生观察不同条件下合成出来的样品形貌变化(如图2所示),让同学知道反应条件的不同就会对样品的形貌产生很大的影响,提醒学生在科研过程中一定要养成认真严谨、一丝不苟,大胆创新的科学精神。
图2 DMF、PVP混合不同比例的聚苯胺后的静电纺丝样品Fig.2 Electrospinning samples of DMF,PVP with different proportions of polyaniline
通过理论教学与科研中的实践教学相结合,加深学生对电镜的认识,激发学生科研兴趣,鼓励学生在实践中创新,使学生更深层次的理解电镜、掌握电镜,从而达到电镜教学服务科研,同时科研过程又可以促进电镜教学的目的,最终契合了我们学院科研与教学并举、实践与创新相长的理念。
3 结 语
基于OPCE理念,以学生实践为中心,以创新为驱动,通过一系列的教学改革手段,提高学生对电镜学习的兴趣,优化设备利用率,促进人才的有效培养,提高人才培养质量,最终达到电镜教学改革的效果,同时该项改革的实施还可以为其他仪器分析实验改革提供借鉴。