宋洪海

北京航空航天大學(xué) 北京 100191

材料科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)在材料學(xué)專業(yè)中起著重要的作用。通過實驗教學(xué)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)的理論知識，與科研實踐聯(lián)系起來，加深學(xué)生對理論知識的理解[1,2]。各大高校材料專業(yè)均開設(shè)了大量的實驗教學(xué)課程，尤其是一些基礎(chǔ)性實驗，各大高校的實驗課程已經(jīng)發(fā)展比較成熟、完善[3]。

1　大型精密儀器設(shè)備在實驗教學(xué)中的現(xiàn)狀

然而，大型精密儀器設(shè)備在實驗教學(xué)中的開展并不是非常理想，各大高校依托大型精密儀器開設(shè)的實驗課程多數(shù)是以演示實驗為主，學(xué)生很少能夠自己動手進(jìn)行操作，對學(xué)生的創(chuàng)新性及動手能力的培養(yǎng)較少。一方面，大型精密儀器設(shè)備價格昂貴，設(shè)備操作復(fù)雜，維修維護(hù)比較困難[4,5]，且大型精密儀器設(shè)備主要服務(wù)于科學(xué)研究，使得大型精密儀器設(shè)備無法保障大量的固定機時用于教學(xué)；另一方面，學(xué)生需要大量的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)，才能達(dá)到熟練操作大型精密儀器的水平，開設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生動手能力的實驗課程需要占用大型精密儀器大量的機時且學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過重。本文將以掃描電子顯微鏡為例，探討如何推廣大型精密儀器設(shè)備在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。2009年以前，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院僅有2臺掃描電子顯微鏡。近年來，隨著我國加大對教育、科研的投入，學(xué)院擁有的掃描電子顯微鏡增加至6臺，為掃描電子顯微鏡開展實驗教學(xué)提供了硬件條件。

2　實驗教學(xué)改革

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)生對自身能力培養(yǎng)的需求不同，開設(shè)了3種不同層次的實驗課程，分別為：(1)基礎(chǔ)型實驗教學(xué)—綜合性實驗課；(2)創(chuàng)新型實驗教學(xué)—特色實驗課、大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃(SRTP)、馮如杯；(3)實踐型實驗教學(xué)—材料電鏡分析實驗。全方位、多層次的實驗教學(xué)，最大化地發(fā)揮出大型精密儀器在實驗教學(xué)中的作用，充分提高學(xué)生的科學(xué)研究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及動手能力。

2.1　基礎(chǔ)型實驗教學(xué)

基礎(chǔ)型實驗教學(xué)的目的是使學(xué)生了解掃描電子顯微鏡的基本原理以及應(yīng)用。開設(shè)的實驗課程為綜合性實驗課，屬于必修課，實驗性質(zhì)為演示實驗，共2學(xué)時。實驗內(nèi)容主要是向?qū)W生介紹掃描電子顯微鏡的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用。實驗課中雖然是介紹工作原理，卻與課堂上的介紹的理論知識的學(xué)習(xí)有所區(qū)別。例如，介紹掃描電子顯微鏡分辨率的影響因素，課堂上的理論知識主要介紹了加速電壓對掃描電子顯微鏡的分辨率的影響，加速電壓越高，圖像分辨率越高。在實驗教學(xué)中，結(jié)合儀器設(shè)備的實際使用情況，除了介紹加速電壓對圖像分辨率的影響，還向?qū)W生介紹了工作距離、電子束斑對圖像分辨率的影響。通過實驗演示，讓學(xué)生充分了解這些儀器參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，避免今后在科研的過程中，因為參數(shù)的選擇不正確而造成不理想甚至錯誤的實驗結(jié)果。實驗課中不僅介紹掃描電子顯微鏡的基本功能(材料表面形貌觀察以及微區(qū)成分分析)，還結(jié)合儀器設(shè)備的功能特點，通過圖像演示向?qū)W生介紹了掃描電子顯微鏡的原位拉伸實驗以及電子背散射衍射實驗。將掃描電子顯微鏡的拓展功能介紹給學(xué)生，使得學(xué)生能夠全面的了解掃面電子顯微鏡的功能，以及在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用。經(jīng)過基礎(chǔ)型實驗教學(xué)后，學(xué)生今后參與材料領(lǐng)域的科研實踐時，能夠正確地選擇所需的儀器設(shè)備進(jìn)行實驗。

2.2　創(chuàng)新型實驗教學(xué)

對于求知欲強的學(xué)生而言，基礎(chǔ)型實驗教學(xué)的內(nèi)容并不能滿足學(xué)生對科學(xué)探索的渴望。針對這部分優(yōu)秀的學(xué)生，開設(shè)了特色實驗課以及大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃(SRTP)、馮如杯等實驗教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。學(xué)生以某一科研項目為主線進(jìn)行實驗。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自主進(jìn)行課題研究和探索，了解和掌握基本的科學(xué)研究方法和手段，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和綜合實踐能力。整個實驗過程擺脫了教學(xué)大綱的條條框框，實驗內(nèi)容完全由學(xué)生根據(jù)科研項目決定，學(xué)生自己設(shè)計實驗，選擇相應(yīng)的實驗儀器設(shè)備。實驗內(nèi)容、實驗結(jié)果都是不唯一的，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性、調(diào)動學(xué)生參與科研的熱情，系統(tǒng)性地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的能力。

2.3　實踐型實驗教學(xué)

在創(chuàng)新型實驗教學(xué)中，學(xué)生參與了實驗的整個過程。然而，由于大型精密儀器設(shè)備的操作較為復(fù)雜，學(xué)生很難快速地掌握設(shè)備的操作技巧，整個實驗過程中的操作均是由師兄師姐完成，學(xué)生并沒有獲得親自操作大型精密儀器設(shè)備的機會。隨著社會的不斷進(jìn)步，學(xué)生越來越重視對自身素質(zhì)的培養(yǎng)。部分學(xué)生不滿足僅僅是了解大型精密儀器設(shè)備的功能，更渴望掌握大型精密儀器的操作技能。為了提高學(xué)生的實驗技能以及動手能力，開設(shè)了材料電鏡分析實驗課程，該實驗課的目的就是讓學(xué)生掌握掃描電子顯微鏡的操作技能，課程為選修課，共計16學(xué)時。其中4個學(xué)時向?qū)W生講解掃描電子顯微鏡的操作流程，以及操作過程中的注意事項；12個學(xué)時為學(xué)生進(jìn)行操作練習(xí)的時間，學(xué)生在實驗過程中遇到的問題，指導(dǎo)教師隨時對問題進(jìn)行講解。經(jīng)過長達(dá)16學(xué)時的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握掃描電子顯微鏡的操作，能夠獨立操作，并能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行基本的分析。該課程開設(shè)以來，受到學(xué)生的廣泛歡迎，每年選修的人數(shù)都達(dá)到課程要求的上限。經(jīng)過實踐型實驗教學(xué)后，學(xué)生熟練掌握掃描電鏡的操作技能，提高了動手能力并且調(diào)動了學(xué)生參與科學(xué)研究的熱情，為今后參與科學(xué)研究或工作邁出堅實的一步。

3　實驗教學(xué)改革成果

自2009年起，經(jīng)過數(shù)年的實驗教學(xué)改革，實驗教學(xué)課程逐步完善，教學(xué)內(nèi)容和目的更具有針對性，基本滿足對學(xué)生培養(yǎng)的要求。通過一系列實驗教學(xué)課程的培養(yǎng)，學(xué)生對大型精密儀器了解更加深入，越來越多的學(xué)生掌握大型精密儀器的操作技能。在參與科研的過程中，學(xué)生使用大型精密儀器更便捷，更高效，學(xué)生獲得的科研成果也顯著增加。

3.1　大型精密儀器的使用率提高

由于學(xué)生通過實驗教學(xué)課程掌握了大型精密儀器的操作，學(xué)生可以獨立地進(jìn)行實驗。因此，學(xué)生使用大型精密儀器進(jìn)行實驗更便捷，只要儀器處于空閑狀態(tài)，學(xué)生就可以進(jìn)行實驗。學(xué)生通過大量的實驗，獲取了海量的實驗數(shù)據(jù)，同時也極大地提高了大型精密儀器設(shè)備的使用效率。圖1中列出2013～2016年3臺主要的掃描電子顯微鏡的科研機時。通過圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，近幾年掃描電子顯微鏡的科研機時在逐步增加。大型精密儀器開展的實驗教學(xué)，學(xué)生掌握了實驗技能和實驗方法，學(xué)生能夠更有效地發(fā)揮出大型精密儀器的作用，取得雙贏的效果。

圖1　2013～2016年掃描電子顯微鏡科研機時

3.2　科研成果顯著

通過實驗教學(xué)課，學(xué)生不僅掌握了大型精密儀器的操作，獲取大量的實驗數(shù)據(jù)；同時也加深對大型精密儀器的理解，針對科研項目設(shè)計實驗更完善，實驗結(jié)果分析也更加準(zhǔn)確。這都有利于學(xué)生獲取更多、更好的科研成果。圖2為2013～2016年本學(xué)院研究生發(fā)表SCI論文數(shù)，由圖2中數(shù)據(jù)可以看出，近年來的研究生發(fā)表SCI論文數(shù)穩(wěn)步增長。

圖2　2013～2016年研究生發(fā)表SCI論文數(shù)

4　結(jié)語

隨著大型精密儀器設(shè)備的增加，為大型精密儀器設(shè)備開展實驗教學(xué)提供了硬件條件。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)生對自身能力培養(yǎng)的需求不同，開設(shè)3種不同層次的實驗教學(xué)課程：基礎(chǔ)型實驗教學(xué)、創(chuàng)新型實驗教學(xué)、實踐型實驗教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生對大型精密儀器設(shè)備的基礎(chǔ)認(rèn)知、創(chuàng)新精神以及動手能力，充分發(fā)揮出大型精密儀器設(shè)備在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，提高了學(xué)生對科學(xué)研究的參與熱情，提高大型精密儀器的使用率，學(xué)生也取得豐碩的科研成果。

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