大型仪器开放实验混合式教学的探索与实践

［摘 要］在“双一流”高校建设的新时期，大型精密仪器的引进能够完善和提升高校的育人环境，促进学科前沿成果转化，推动高素质创新型科研人才的培养。依托最新X射线光电子能谱仪，结合国际国内科研热点，课题组设计了“X射线光电子能谱技术在先进材料表面研究中的应用”开放实验教学课程，形成了“云课堂—仪器硬件/应用软件现场培训—微课堂—实验项目研究”的新型开放实验混合式教学模式。该开放实验教学模式集知识养成、实验技能基础和学科关键问题于一体，不仅能丰富学生学科仪器的知识储备、提升学生严谨科学的实验操作素养，促进学生主动思考、提高主动分析和解决问题的能力，而且有利于培养学生关注科技前沿的意识和兴趣，激发学生投身科研事业的热情，开阔学生的视野，推动学生原始创新的动力。

［关键词］开放实验混合式教学；X射线光电子能谱仪；云课堂；仪器硬件/软件现场培训；微课堂

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）14-0072-05

新形势下，北京理工大学紧密围绕建设“世界双一流大学”的目标，积极推动一流实验室建设与共享，不断发挥实验平台的优势，不断探索先进前沿、高效创新的开放实验教学的实践经验，丰富培养创新型人才体系中重要的组成部分所涉及的实验内容和实验技能；深入贯彻实施“价值塑造、知识养成、创新实践”三位一体的培养模式[1]，创新开放内容、开放形式、开放模式、开放类型，培养学生的原始创新和实践能力，通过实验室开放工作，使本科生和研究生能够较早地涉足科学研究工作并且提高其科学实验技能。

高校实验室是进行学科建设、开展科学基础研究和科技创新、发展学生的原始创新能力和实验操作能力的重要平台。代表着先进的科学技术发展成果的大型精密仪器设备，将不再属于科研的专利，其教学功能逐步被挖掘、开发和利用，是高校实施人才培养、专业建设、创新实践、学科发展的重要物质基础[2]。目前大型精密仪器在高校实验教学中的使用，受仪器资源配置、学时、师资力量等因素影响，具有更大的复杂程度与更多的不确定因素[3]。与大型仪器相关的实验教学大多以MOOC、教学实验演示、播放实验视频等方式开展，呈现出理论教学多于实验教学的现象，部分学生只能停留在对仪器的粗浅认识上，理论与实践能力不能充分结合，影响了学生的学习兴趣，不利于创新型人才的培养[4]。大型精密仪器一般价格昂贵，维护运营成本高，结构复杂，仪器自身所需环境特殊等诸多因素限制了对学生的开放程度。实验项目缺乏科学研究的系统性和探索性的训练，缺少针对独立发现问题、分析问题、解决问题能力的锻炼，不利于培养学生的实践能力[5]。

为了有效将大型精密仪器设备资源应用于实验教学中，本文以X射线光电子能谱仪为例，进行了大型仪器开放实验教学模式的探索与研究。基于“X射线光电子能谱技术在先进材料表面研究中的应用”开放实验教学课程，形成了“云课堂—仪器硬件/软件现场培训—微课堂—实验项目研究”的新型开放实验混合式教学模式。在开放课程中，让学生感受大型仪器及其广泛和前沿的应用领域，培养学生全球化的视野，培养学生求真务实、独立创新、严谨细致的科学素养，提升学生的操作实践能力。

一、开放实验教学设计

随着材料、能源、微电子、信息产业及环境领域等高新技术的迅猛发展，对于表面分析实验技术的需求也日益增长[6]。X射线光电子能谱（X⁃Ray Photoelectron Spectroscopy， XPS）是一种有效的表面分析技术，已经广泛应用于基础研究、先进材料研制、前沿交叉、医工融合、深空探测等领域。随着仪器的更新发展，XPS仪器不仅具有高效、可靠的全自动分析技术和简单易用的分析软件，而且在性能指标上得到了很大提高。在开放实验混合式教学中需要考虑和关注的问题有：（1）重视云课堂知识引导和应用领域的导入功能；强化微课堂的知识巩固、能力提升功能。同时与现场培训和项目研究进行有机结合和衔接，形成“知识/技能—培养/训练—复习/巩固专项知识/技能—实践准备/探索”，实现开放实验线上线下全方位地服务学生。（2）大型仪器设备对实验技术人员要求较高，需要其理论基础扎实、知识面宽广，熟悉本专业领域新技术、新设备、新材料的现状和发展趋势。（3）关注仪器功能和应用，在实验过程中传递仪器功能的科学价值，考虑学生的接收和理解能力，需要选取合适的实验内容、实验方式和授课形式。（4）重视学生的知识养成和成长，兼顾学生探索的兴趣，关注学生的课程感受，提高学生积极探索的主动性，提高其在实验探究中的科研敏锐度。（5）重视学生实际动手能力的培养，增加师生互动，使学生初步具备创新思维和创新意识。

在“互联网+实验教育”的发展新阶段，课题组以X射线光电子能谱仪为例，采用“云课堂—仪器硬件/应用软件现场培训—微课堂—实验项目研究”新型开放实验混合式教学模式。该教学模式思维导图如图 1所示。探索和实践如何在开放实验教学中将线上线下的内容有效地衔接，通过虚实结合，针对“X射线光电子能谱技术在先进材料表面研究中的应用”这一开放课题，最大程度地培养学生的综合能力。

二、开放实验教学实施

该开放课程注重实验室安全教育，向学生传递正确的实验室使用价值观。首先，引导学生通过云课堂进行大型仪器的应用领域、基础原理、实验技术等内容的学习，向学生普及大型精密仪器在各学科研究中的重要作用和地位，培养学生参与开放实验教学课程的初始兴趣和意识；其次，通过现场培训仪器硬件/应用软件环节，使学生了解该大型仪器的基本结构和功能，初步掌握设备各项功能的理论基础、基本实验操作、常规数据解析等三个方面的基础技能；再次，通过微课堂环节，学生可以针对性地复习之前的知识，了解后续实验研究项目的背景知识，引导学生查阅资料，提升文献检索能力；最后，通过实验项目研究环节，结合具体科研项目研究，制定合适的实验方案，在开放实验教学课程中培养学生的科研思维、科研创新能力等素质。

（一）云课堂的实施

云课堂是基于云计算技术的一种高效、便捷、实时互动的远程教学课堂形式[7]。北京理工大学“延河课堂”由北京理工大学网络信息技术中心搭建和维护，为师生提供在线教学服务，学生自主选择学习资源进行学习。本环节构建过程中，教师需要重新梳理仪器相关的内容，以由浅入深的方式架构视频资源库，例如，可以先从实验室安全教育、实验室预约流程进行导入，然后根据仪器特点进行应用领域、发展史、基本原理、仪器硬件、仪器软件、仪器延伸功能、数据解析等模块的深入研究，形成既相对独立又成体系的在线实验教学相关的理论课程。在本开放实验课程中，学生可通过“延河课堂”平台在进入实验室之前获得实验室安全知识、XPS发展史、XPS应用领域、XPS测试原理、XPS实验技术等理论知识。在该阶段，学生对该实验课程涉及的实验室环境、实验室仪器及仪器设计的实验技术有一个整体、清晰的认知，还可以与教师和其他学生进行超时空互动，激发了学习意愿和了解更多仪器相关信息的兴趣。

（二）仪器硬件/应用软件的现场培训的实施

大型仪器设备是人才培养和科学研究的重要支撑资源，是开展高水平实验教学和项目研究的必备条件。学生不规范的操作可能对仪器的灵敏度、精密度和稳定性等产生影响，降低其使用寿命，严重时甚至会造成仪器损坏。引入标准GB/T 28894-2012（同ISO 18117：2009）和标准GB/T 30815-2014（同ISO 18116：2005），针对XPS中样品前处理及表面化学分析样品的制备和安装方法进行标准化培训和指导，有助于培养学生良好的样品制备习惯和操作素养，提高测试结果的可靠性和准确性。开放实验课程一般有5～10名学生选课。教师按照《XPS操作指南》对进入实验室的学生进行仪器操作培训，对参与学生进行分组，这样更加有利于师生互动，提高学习效率。分层分级开展培训过程，将XPS硬件/应用软件操作分为基础操作、中级操作、高级操作，满足不同阶段的学生对开放实验的需求，帮助学生掌握与相应研究项目对应的实验技能。

（三）微课堂的实施

在开放实验教学中引入微课堂。微课堂的教学内容“短小精悍”，主题突出，具有针对性； 微课堂资源的总容量小，易于播放和下载，更适合移动学习[8]。在该环节中，教师可以将仪器测试原理、实验样品制备技术要点、关键操作技能等内容制作成微视频，方便学生反复观看以进行专项知识和技能的巩固和提高，提高学生的自我管理和约束能力。针对“X射线光电子能谱技术在先进材料表面研究中的应用”这一开放实验课程，教师将实验背景、实验目的、原理、实验技术操作等内容通过微视频在微课堂中展示，引导学生在实验项目研究这一环节开展前的任何时间、地点进行预习，指引学生主动查阅相关资料和文献，熟悉实验研究项目。

（四）实验项目的实施

本开放实验教学课程“X射线光电子能谱技术在先进材料表面研究中的应用”结合科研项目，以电子电器行业广泛应用的新型电源连接器为研究对象，利用X射线光电子能谱仪测试电源连接器电接触面表面，进行商品化电连接器的失效分析，通过全面的数据分析和解析过程，探讨电源连接器失效原因。

电源连接器是重要的基础电器元件，常常需要在严苛的环境条件下使用，因此需要对其进行阻燃处理。电源连接器中添加的红磷阻燃剂在长期使用后会导致连接器接触面老化，进而出现燃烧现象，探究燃烧发生的原因极为关键。对连接器产品进行高温湿热老化试验，研究连接器表面磷元素的含量和价态的变化有助于推测产品失效的原因。对学生进行分组，每组4人，分别使用经历了不同天数老化的实验样品。该开放实验由两个研究小组完成，需要学生在技术方法、操作技能培训合格后，按要求进行参数设置、数据处理和分析等工作，分组及测试情况见表1。利用X射线光电子能谱仪可以进行元素组成的鉴别，获取接触表面元素种类和含量的整体变化信息，据此进行电源连接器失效分析。

三、开放实验教学特色与评价

北京理工大学分析测试中心利用学校实验室公共平台的优势，不断发挥大型精密仪器在各类相关学科发展中的催化剂效应，提升了紧缺型人才和创新型人才的培养质量。

（一）构建了“互联网+教育”条件下的人才培养新模式，将培养人才方式创新和实践课程模式、内容创新进行高度融合

该开放实验形成了“云课堂—仪器硬件/应用软件现场培训—微课堂—实验项目研究”的开放实验混合式课程模式，构建了现代化的技术支撑、保障平台，利用网络直播、微视频、远程网络控制电脑端等信息化教学手段，全面推进信息化实践教学，实现线上线下多维度、多层次的交互融合教学和学习模式，不仅丰富了实验教学内容、形式和手段，而且实现超时空的知识传送。较其他大型精密仪器设备，X射线光电子能谱仪虽然组成相对复杂，但仪器硬体部分组件相对独立，自动化程度高，实际动手操作部分有限，便于附件分割化、功能模块化教学；软体部分分为user模式和service模式，user模式可以让软件操作者在软件保护环境中进行学习和训练，service模式协助管理者处理一些仪器故障、仪器复杂和高级参数的设置和更改的软件操作。

（二）将科研项目融入开放实验课程中，持续进行学生创新动力、创新意识、创新思维的培养，构筑学生创新学习的周期，为培养创新型人才提供保障

建设一流大学、培养一流人才，高水平的教学科研辅助实验平台是重要基础。北京理工大学分析测试中心不断实践先进的管理经验，为学生提供一个高效率、高智慧的创新实验室环境。该开放实践项目以学科前沿应用为切入点，开拓了学生科研的新视野，培养了学生广泛的科研兴趣和热忱，引导学生深入探讨科学问题；该开放实践项目以大型精密仪器为导向，使用扫描聚焦X射线光电子能谱仪。该仪器集依托X射线光电子能谱仪配置了紫外光电子能谱、俄歇电子能谱、反光电子能谱、双阳极、转移管、加热/冷却等研究型功能选配，每一学年开设四次该课程，每个学期一个仪器功能主题匹配一个研究项目，设置学生创新学习的周期，不仅引导学生渐进式了解科研仪器，而且为其后续进行更高层的学习和研究奠定了基础。

（三）引入国家标准和ISO国际标准，不仅给学生提供了标准和规范操作的参考标准，而且能够规范学生专业的制样方法和操作方式

样品的正确处理和制备对于分析是极为重要的，尤其是表面分析，仪器探测深度只有纳米级，正确的处理会保护测试面的状态进而得到准确可靠的数据结果。国家标准和国际标准化组织标准的引入、解读和实施，不仅给学生提供了标准和规范操作的参考标准，而且规范了学生前处理样品和制备样品的流程，提升了学生的综合素养，有利于推动检验检测技术的进步和标准化，有利于推动国家战略需求中的高校“双一流”建设的进程和水平。

（四）作为稀缺资源，将大型精密仪器与本科生人才培养相结合，提升了大型精密仪器的使用效率和使用效益，增进了现阶段高校高精尖仪器的开放广度和深度

北京理工大学分析测试中心在积极服务科研项目和科研成果的同时，积极开展大型精密仪器高效服务本科实验和开放实验教学的工作；开发出一系列适用于本科生人才培养的开放实践的课程，例如“核磁共振波谱仪在有机化合物结构鉴定中的应用”“透射电镜中特殊材料的参数设置及方法”“热分析仪器培训和应用”等，以期满足学生了解、认识、探究大型精密仪器的诉求，全面激发本科生的创新需求和意愿。

四、结语

在“双一流”高校建设的新时期，将X射线光电子能谱技术应用于开放实验教学中具有深远的意义。该仪器集依托X射线光电子能谱仪配置了诸多适合新材料研究和探索的功能选配，服务于学校各个创新科研团队和实践课程，对一些亟须解决的重大科学问题提供专业的帮助，同时助力科研团队对于基础学科和关键科学技术的探索和创新，持续助力于创新型人才培养的开放实践和实验课程，培养科学研究和原始创新型人才，更好地服务学校科研事业。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 王珊珊，彭绍春，高培峰. 柴油机颗粒氧化动力学分析的开放教学实践[J].实验技术与管理，2020，37（12）：184-188.

[2] 王晓岗，郝志显，樊雅娟.大型仪器教学功能的研究与探索[J].实验室科学，2012，15（5）：188-190.

[3] 王超，杨超，吕艳辉，等.开放大型精密仪器设备培养本科学生创新能力[J].中国现代教育装备，2021（1）：13-16.

[4] 唐萍，牛慧，张春庆.高分子“专业互联网+实验教学”模式的探索与实践[J].高分子通报，2021（3）：55-57.

[5] 陈小莉，阮志军，莫小曼.地方高校本科化学实验教学内容与教师科研课题相结合的探索[J].黄冈师范学院学报，2018，38（6）：67-69.

[6] 余锦涛，郭占成，冯婷，等.X射线光电子能谱在材料表面研究中心的应用[J].表面技术，2014，43（1）：119-124.

[7] 吴文辉，郭玮衍，李煌明，等.“云课堂”的构建与应用[J].电脑知识与技术，2017，13（24）：33-35.

[8] 郑颖平，李敏，孙贻白.微课在大学化学开放实验教学中的应用探索[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2020，22（S2）：144-146.

［责任编辑：雷 艳］