郭守杰，吳利軍，蔡 拓，李知聲，王之俊，法文君

(1 許昌學院化工與材料學院，河南 許昌 461000；2 許昌學院實驗室與設(shè)備管理中心，河南 許昌 461000)

當今社會，高科技時代急需具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力已經(jīng)成為近年來高校發(fā)展的重要趨勢[1]，而實驗教學在培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力上有著舉足輕重的作用[2]。

實驗教學課程中，儀器分析實驗課程重要性不言而喻，儀器分析是采用一系列特殊的儀器設(shè)備，通過測量材料的某些物理或者物理化學性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學組成、元素含量及結(jié)構(gòu)信息的一種方法。隨著科技的不斷發(fā)展，形貌各異的材料被相繼開發(fā)出來，在材料開發(fā)過程中，需要通過儀器對其進行一系列的分析表征，從而判斷合成材料是否符合預(yù)期。目前許多高校均開設(shè)了儀器分析課程，該課程包括儀器分析理論課程和儀器分析實驗課程，《儀器分析》已經(jīng)被列為化學專業(yè)(本科)必修的基礎(chǔ)課程之一。隨著“儀器分析”課程的重要性日趨重要，為適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的要求，構(gòu)建適應(yīng)社會發(fā)展的“儀器分析”實驗教學體系，改革儀器分析實驗教學內(nèi)容，實現(xiàn)教學手段現(xiàn)代化勢在必行[3]。

作為儀器分析課程中的實踐環(huán)節(jié)，儀器分析實驗課程教學具有直觀性、實踐性、科學性及綜合性等特征[4]，儀器分析實驗課程是一門與儀器分析理論課程緊密配合的課程，開設(shè)在學習了理論課程以后。學生首先通過儀器分析理論課了解儀器的構(gòu)造、測試原理等內(nèi)容，然后通過儀器分析實驗課加深對有關(guān)儀器分析方法基本原理的理解，更直觀的了解儀器的基本結(jié)構(gòu)，掌握儀器的基本操作方法，學會數(shù)據(jù)的處理及分析，鍛煉學生分析問題、解決問題的綜合能力，從而為后續(xù)課程的學習及未來職業(yè)崗位的勝任奠定一定基礎(chǔ)。

儀器分析實驗課程之一的掃描電鏡實驗，在儀器分析課程中起著重要的作用。掃描電子顯微鏡是探測微觀世界的重要大型精密儀器，可用于研究樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形貌特征、成份分析等[5]。通過掃描電鏡實驗課程可以直觀的了解儀器的構(gòu)造、操作過程，熟悉一系列電鏡相關(guān)的專業(yè)知識，選取特定樣品進行拍攝，通過課中實時觀察樣品的微觀形貌，熟悉電鏡的操作要點，掌握電鏡圖片的分析方法，為后續(xù)科研過程中的電鏡測試奠定了良好的基礎(chǔ)。

作為建設(shè)高水平應(yīng)用型大學為目標的許昌學院，經(jīng)過一系列的教學改革實踐，提出了建立在OPCE(Open，Practical，and Creative Education)即“開放、實踐、創(chuàng)新”理念基礎(chǔ)上的人才培養(yǎng)模式，此項人才培養(yǎng)模式在開放、實踐和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上達到教育學生的目的，即以開放的課程模式為導向，以學生實踐為教學途徑，旨在開發(fā)學生創(chuàng)新性思維和解決實際問題的能力[6]，該項成果榮獲2020河南省教學成果特等獎。本文基于OPCE理念為指導，以掃描電鏡實驗課程為例，指出了實驗教學中存在的不足，從多方面分析，提出了一系列的建議，從課前預(yù)習、授課方式、考核方式、設(shè)備開放以及科研教學結(jié)合等方面出發(fā)，以激發(fā)學生的上課興趣，鍛煉學生的創(chuàng)新能力，促使學生主動思考，全方位提升授課效果，從而最終達到課程改革目的。

1 掃描電鏡實驗課程教學概況

1.1 掃描電鏡介紹

掃描電子顯微鏡是用于觀察樣品微觀形貌的設(shè)備，利用高能電子束掃描樣品表面，激發(fā)出一系列電信號被探測器接收，經(jīng)過一系列光電轉(zhuǎn)換，最終形成樣品的微觀形貌，屬于一種功能強大的材料測試分析設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)包括：鏡筒、樣品倉，成像及記錄系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1 掃描電鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of SEM

1.2 掃描電鏡實驗課程存在的問題

掃描電鏡實驗教學在專業(yè)課程教學活動中占有重要地位，有利于提高學生的分析問題、解決問題的能力[7]。許昌學院化工與材料學院的材料相關(guān)三個專業(yè)，均開設(shè)了掃描電鏡實驗教學課程，課程內(nèi)容包括：電鏡工作原理的學習、樣品的制備、電鏡樣品的拍攝觀察(該內(nèi)容由老師操作)、后期的實驗報告處理及課程考核等內(nèi)容。

但是由于掃描電鏡設(shè)備昂貴，加上課時有限，學生沒有上機操作的機會，幾個小時的學習達不到理想的學習效果，學生對電鏡工作原理、樣品拍攝技巧、電鏡圖片分析等知識的掌握程度參差不齊，注意力集中、自覺性良好的學生可以獲取一些相關(guān)知識，自覺性相對差的學生基本上屬于走馬觀花，效果不佳。另外由于考核方式單一，主要依靠實驗報告的質(zhì)量以及理論知識考核對學生學習效果進行評價，無法真正掌握學生對設(shè)備原理的理解及對操作技能的掌握。根據(jù)以上問題，基于OPCE理念為指導提出以下解決辦法，以達到改變目前實驗現(xiàn)狀，充分培養(yǎng)學生動手能力及分析、解決問題的能力，最終提高教學效果。

2 建立OPCE理念為中心的掃描電鏡課程教學改革

2.1 有效利用微課、課前充分預(yù)習

如果僅通過課本學習掃描電鏡的原理、構(gòu)造及操作的知識，比較枯燥、乏味、難以理解。所以充分利用微課手段，錄制一些平時電鏡操作期間的視頻(包括制樣、放樣、操作等過程)及電鏡內(nèi)部構(gòu)造的圖片，加上有關(guān)電鏡工作原理的視頻動畫。利用目前發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)，將課堂教學延伸到課外，課前將這些內(nèi)容發(fā)到學生群，充分以學生自主學習為中心，通過生動形象的形式提高學生的學習興趣，加深預(yù)習的效果，目前微課已經(jīng)成為高校課堂授課重要的輔助手段[8]，另外在課前預(yù)習過程中增加一項內(nèi)容，即提出幾個課程相關(guān)的問題，諸如：簡述掃描電鏡的分辨率的主要影響因素，解釋一下景深的定義，二次電子和背散射電子是如何產(chǎn)生的。讓學生在預(yù)習報告中對上述提出的問題進行詳細解答，根據(jù)學生的解答情況判斷學生的預(yù)習效果。這樣學生在上課前就已經(jīng)對本節(jié)課程有了一定程度的了解，帶著問題來進行學習，達到提升學習效果的目的。

2.2 新舊電鏡搭配、學生親自上機

目前學院一臺鎢燈絲掃描電鏡因為購買時間較長，加上分辨率比較低，缺少良好的維護，導致設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)，而新購置的場發(fā)射電鏡由于性能優(yōu)良，分辨率高，長期處于飽和狀態(tài)，沒有達到對設(shè)備的科學有效利用。為改變以上現(xiàn)狀，將利用學院舊電鏡開展電鏡授課，培訓過程中將設(shè)備的整個操作過程進行錄像，課后將錄像上傳至學生群里，方便學生在課程結(jié)束后進行復習，同時為提高授課效果，采取小組模式，每組學生不超過8名同學，在前期預(yù)習過程對電鏡原理及構(gòu)造有了詳細的了解后，課堂上主要講解設(shè)備的開關(guān)機方法，重點講述樣品拍攝技巧，包括焦距調(diào)節(jié)、相散調(diào)節(jié)，電壓、電流、工作距離等工作條件改變對樣品拍攝效果的影響等方面。課程進行中，基于OPCE理念，為每一名學生提供上機操作實踐的機會，通過理論與實踐相結(jié)合，讓學生進一步理解并掌握電鏡的操作技巧。

2.3 開放舊電鏡，定期開展電鏡培訓

除正常儀器分析課程中的電鏡課程外，將舊電鏡對學生開放，每年定期開展電鏡操作培訓，對該設(shè)備有興趣的學生均可以報名參加，在該培訓中，由于時間更加充分，可以對電鏡的工作原理、制樣技巧及操作方法等進行詳細的講述，和同學進行充分的互動，有問題的同學可以及時的進行詢問，通過系統(tǒng)性的培訓，讓學生都能夠充分的掌握上述內(nèi)容，最終培養(yǎng)出一批能夠熟練操作電鏡的學生，對他們進行上機考核，考核通過的學生即可獨立進行電鏡操作。同時在考核通過的學生拍攝樣品過程中，組織其他同學進行觀摩學習，通過老帶新模式，進一步提高電鏡學習效果，形成一種良性循環(huán)，既培養(yǎng)了學生的操作技能，也優(yōu)化了設(shè)備利用效率，另外學生科研過程中制備的樣品，可以及時的進行電鏡拍攝，最終也提升了科研效率。

2.4 增加上機考試，考察動手能力

經(jīng)過對歷屆學生的觀察，可以發(fā)現(xiàn)學生普遍存在重理論知識而輕實驗操作的現(xiàn)象，對于課堂上面講授的理論知識，都會花費大量的時間去學習掌握，而對于實驗，卻認為是對理論的驗證，都是老師的事情，無需太重視[9]，針對以上現(xiàn)象，基于OPCE理念，對考試方式進行優(yōu)化，在課程考試中，除了理論考試外，增設(shè)上機考試，對學生進行上機測試，重點考察學生對操作要點掌握的程度，每名同學能夠清晰講解設(shè)備開關(guān)機操作步驟，同時能夠獨立拍攝出形貌清晰、輪廓分明、無明顯相散的樣品照片就可以通過上機考試，考試通過以后結(jié)合實驗報告及理論考試成績就是該名學生的最終成績，通過考試形式優(yōu)化，更能提高學生對實踐操作的重視程度，達到理論與實踐的結(jié)合，最大限度的提高學生的學習效果。

2.5 增設(shè)掃描電鏡選修課程、融入思政元素

申請在學校增設(shè)《掃描電鏡》選修課程，可以讓一些學有余力、同時對這門課程有興趣的學生都能報名進行深入學習，在增加學分的同時，還可以對掃描電鏡的原理、拍攝技巧、電鏡相關(guān)科學研究等方面都能夠有較深入的了解。高校是培養(yǎng)人才的搖籃，是立德樹人的重要陣地，全國高校思想政治工作會議上再次強調(diào)高校思想政治工作的重要性。要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把課程思政貫穿教育教學的全過程，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[10]，所以在課堂上面講述一些電鏡的發(fā)展歷史以及我國目前的研發(fā)水平和發(fā)達國家的差距，鼓勵大家以后要好好學習，大膽創(chuàng)新，努力奮斗，為國家的科研發(fā)展貢獻自己的一份力量，同時課堂上面準備一些精美的電鏡照片，通過觀察這些精美圖片，讓他們了解微觀世界的奇妙，激發(fā)學生對電鏡的興趣，通過現(xiàn)場講解電鏡原理，使他們更加直觀的理解電鏡，形象的了解電鏡的圖像是如何產(chǎn)生的，通過控制學生人數(shù)，使每一名學生都有上機操作的機會，上機操作過程中為他們詳細講解電鏡操作的技巧，如何能夠結(jié)合調(diào)節(jié)焦距和相散，拍攝出最清晰的照片，通過現(xiàn)場教學和實踐教學相結(jié)合的方式，最終使學生可以獨立操作電鏡，同時對電鏡有了更深層次的理解。

2.6 教學服務(wù)科研，科研促進教學

目前本院學生進入大二以后，就需要進入課題組開展科研工作，該項工作就是基于OPCE理念基礎(chǔ)上的開放平臺實踐課。課前指導教師為學生布置科研題目，學生通過查閱文獻、瀏覽書籍確定實驗方案，然后進行一系列實驗，在這期間均需要通過掃描電鏡對制備的材料進行形貌觀察，然后通過其他分析儀器測試，最終制備出預(yù)期的樣品。掃描電鏡在科研過程中發(fā)揮的作用是舉足輕重的，在電鏡培訓及授課過程中，激發(fā)學生學習興趣，使學生養(yǎng)成主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、最終能夠通過實踐獨立解決問題的能力，是掃描電鏡實驗教學改革的焦點問題。鑒于此，在電鏡課堂上準備一些學生科研過程中制備的樣品照片，拍攝過程中讓學生觀察不同條件下合成出來的樣品形貌變化(如圖2所示)，讓同學知道反應(yīng)條件的不同就會對樣品的形貌產(chǎn)生很大的影響，提醒學生在科研過程中一定要養(yǎng)成認真嚴謹、一絲不茍，大膽創(chuàng)新的科學精神。

圖2 DMF、PVP混合不同比例的聚苯胺后的靜電紡絲樣品Fig.2 Electrospinning samples of DMF，PVP with different proportions of polyaniline

通過理論教學與科研中的實踐教學相結(jié)合，加深學生對電鏡的認識，激發(fā)學生科研興趣，鼓勵學生在實踐中創(chuàng)新，使學生更深層次的理解電鏡、掌握電鏡，從而達到電鏡教學服務(wù)科研，同時科研過程又可以促進電鏡教學的目的，最終契合了我們學院科研與教學并舉、實踐與創(chuàng)新相長的理念。

3 結(jié) 語

基于OPCE理念，以學生實踐為中心，以創(chuàng)新為驅(qū)動，通過一系列的教學改革手段，提高學生對電鏡學習的興趣，優(yōu)化設(shè)備利用率，促進人才的有效培養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，最終達到電鏡教學改革的效果，同時該項改革的實施還可以為其他儀器分析實驗改革提供借鑒。