姚青倩，盧 媛，陳翠紅，王 平，展思輝

（南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300350）

0 引言

2017 年教育部發(fā)布了“新工科研究與實踐項目指南”等一系列政策，就新時期如何培養(yǎng)適應時代發(fā)展要求的工程技術人才提出了要求［1-2］。新工科建設是為了服務國家實施的“創(chuàng)新驅動發(fā)展”“中國制造2025”“互聯(lián)網+”“一帶一路”等重大發(fā)展戰(zhàn)略計劃［3-4］。新工科往往由多個學科交叉融合而成，目的在于培養(yǎng)具有多學科交叉知識、理論和專業(yè)基礎的復合型工程科技人才［5］。在新工科建設中實踐環(huán)節(jié)的教學正是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和工程實踐能力的主要渠道［6-7］。為適應新工科發(fā)展的要求，必須對工程類專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的改革和完善［8］。儀器分析技術的發(fā)展在一定程度上推動著科學研究的發(fā)展，儀器分析學科作為分析化學的重要分支，在生命科學、材料科學、環(huán)境監(jiān)測、信息科學等多學科領域都起著很重要的作用［9］。2021 年3 月全國兩會公布了一項“關于對重大科研儀器行業(yè)進行重點支持的提案”，建議提高對國家重大科研儀器設備研制和開發(fā)的經費投入，鼓勵科研儀器行業(yè)的積極創(chuàng)新。儀器分析實驗課程的開設可以加強學生對科研儀器的理論和實踐學習，服務國家發(fā)展戰(zhàn)略。目前全國各大院校均開設了儀器分析實驗課程，力圖實現(xiàn)完善的分析測試能力培養(yǎng)體系［10-11］。立足于新工科背景下培養(yǎng)新型工科技術人才的要求，我校環(huán)境科學工程學院大型儀器平臺對傳統(tǒng)儀器分析課程進行了教育教學改革工作，加入了涉及多學科領域的實驗方案，為新工科建設和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了新方案。

1 大型儀器實踐教學平臺的建設

1.1 平臺的建設背景

建設大型儀器實踐平臺的目的是為了服務學科建設，結合環(huán)境科學與工程學院教師的科研方向，提供給學生進行科研項目活動的實踐平臺，以科研項目帶動學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)［12］。環(huán)境學院大型儀器平臺建設始于2010 年，隨著“雙一流”學科建設的推進，也為了更好地服務于科學研究，近年來平臺購置的儀器數(shù)量和種類持續(xù)增多。平臺目前擁有高分辨質譜、共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型精密儀器10 余臺，儀器總價值超3 000 萬元，并配有國內外先進的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，為開展儀器分析前沿實驗課程提供了強有力的硬件支撐。在新工科建設的背景下，為了持續(xù)推進工程教育改革，不斷深化人才培養(yǎng)模式，自2017 年環(huán)境學院大型儀器平臺開設了儀器分析實驗課程，將科研與教學相結合，搭建了大型儀器實踐教學平臺。平臺從師資隊伍建設、運行機制以及實驗室安全管理方面入手，打造了符合自身學科發(fā)展特色的教學實踐平臺，該平臺的整體框架結構見圖1。

圖1 大型儀器實踐教學平臺結構框架

1.2 師資隊伍建設

學科建設的核心任務是該學科領域的師資隊伍建設，學科隊伍建設是開展學術研究和專業(yè)人才培養(yǎng)的前提和保障，通過對相關學科專業(yè)教師的隊伍建設和培養(yǎng)組建高水平的師資隊伍在新工科建設中尤其重要［13］。目前，大型儀器實踐教學平臺包含碩士6 人，博士3 人，其中副高級職稱3 人，所學專業(yè)涵蓋環(huán)境，材料，化學，生物等方向。儀器分析實驗課程由大型儀器管理人員擔任授課教師，此類人員對儀器原理和實驗操作都有著豐富的知識儲備和經驗。在師資培養(yǎng)方面，平臺會定期組織授課教師參與儀器和教學方面相關的培訓和講座，并對相關人員定期考核以提高教師專業(yè)水平和職業(yè)素養(yǎng)。

1.3 平臺運行機制

大型儀器實踐教學平臺設有健全的儀器管理制度，包括儀器操作守則、實驗室應急規(guī)程、人員考核制度等，保證教學實驗的安全有序開展。校內外師生可在大型儀器公共管理系統(tǒng)中查看相關儀器參數(shù)信息、運行狀態(tài)、使用情況以及上課時間等事項。除科學研究和實驗教學外，大型儀器平臺人員還分工負責實驗室安全檢查、試劑耗材使用登記、教學消耗品采購、儀器維護維修、財務報銷、新聞宣傳等事宜，保證平臺正常高效運行。在課程資源共享方面，包括實驗數(shù)據(jù)、實驗講義以及儀器操作教學視頻等課程資料均采用線上共享的方式分享在數(shù)據(jù)共享庫、微信公眾號、“雨課堂”等網絡平臺上供師生查閱學習，實現(xiàn)智能化教學管理。

1.4 實驗室智能安全管理

除了傳統(tǒng)的安全管理制度和相關人員定期的安全培訓外，大型儀器實踐教學平臺也引入了智能安全管理系統(tǒng)。儀器實驗室統(tǒng)一配備了數(shù)字化監(jiān)控和門禁一體化系統(tǒng)。在實驗過程中授課教師可以通過遠程監(jiān)控實時觀察實驗室內狀態(tài)。在實驗結束后若發(fā)現(xiàn)相關問題也可以通過調取監(jiān)控，追究相關責任人。門禁系統(tǒng)可以嚴格管控實驗室進出人員，出入實驗室均需要經過授權。除此之外，涉及氣體使用的實驗室安裝有氣體泄漏監(jiān)測器；危險化學品試劑的采購記錄會實時同步傳輸?shù)綄W校設備處的電子檔案中，實現(xiàn)雙重監(jiān)管；實驗前學生需要通過線上安全考試才能批準上機測試。在大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網的發(fā)展趨勢下，利用多媒體化圖像處理技術和流媒體網絡傳輸對實驗室的安全提供了有力的保障［14］。

2 儀器分析實驗課程實踐

2.1 課程體系設置

學術研究是學科建設的基礎，學科理論、方法以及學科專業(yè)課程體系的構建是未來產業(yè)改造升級和新產業(yè)生成的基礎［15］。為培養(yǎng)學生的學術研究水平，服務本學科建設，加強學生實踐操作能力，我院利用大型儀器實踐教學平臺自主開設了儀器分析實驗課程。如表1 所示，課程包含14 個分析實驗，選用的儀器涉及光譜、色譜、質譜以及顯微鏡等多種分析手段，實驗內容涵蓋有機化學、無機化學、物理、生物、環(huán)境、材料等多學科交叉領域，采用多學科交叉融合式教學方法。本課程由儀器管理人員就現(xiàn)有儀器設計實驗內容，使學生對未來科研中的分析測試工作有基礎認知。從儀器的基本理論知識到分析測試方法的實踐操作，提供了完整的專業(yè)課程體系。將學生的分析測試結果用于教育教學中，促進和推動學科研究水平，服務于新工科背景下國家對復合型人才的培養(yǎng)要求。

表1 多學科交叉式儀器分析實驗內容設計

2.2 課程教學方式

本課程在傳統(tǒng)實驗教學方法上進行了優(yōu)化，采用了多種授課方式，保證了課堂的實用性和先進性。

（1）小組教學。每組學生人數(shù)不超過5 人，學生可以根據(jù)興趣或研究課題自主選擇實驗。實驗課程一分為二，前一部分由儀器管理人員進行儀器構造和原理的講解，后一部分進行樣品前處理并上機操作，真正做到了理論學習與實踐相結合。

（2）滲透式教學。從學生的課堂表現(xiàn)、課堂感受以及課程任務完成情況等開展實驗教學，通過互動式教學模式不斷改善授課方式。例如在原子吸收光譜學習過程中，加入了與電感耦合等離子體光譜儀的比較；將液相質譜和氣相質譜相結合作為同類儀器系統(tǒng)學習；將電子顯微鏡和X射線粉末衍射的實驗結果相結合，由形貌和元素分析過渡到對晶體結構的分析，由淺入深。

（3）混合式教學。在“雨課堂”等網絡平臺的幫助下，學生通過線上學習完成課前預習，任課教師可以實時跟蹤查看學生預習情況以及對課堂問題的反饋。課堂過程中，教師可以利用在線軟件對學生隨時提問，自動統(tǒng)計答題情況并分享題目解析。課后還可以通過該軟件自動批改作業(yè)、答疑以及獲得學生對課堂效果的反饋。

2.3 課程考核方式

實驗課的評分方式一般以實驗報告為主，側重檢查實驗報告的完成情況以及數(shù)據(jù)處理情況。這種做法往往只重視實驗結果而忽略學生的實際學習情況，容易導致課前不預習，上課不認真，實驗報告抄襲，實驗數(shù)據(jù)拼湊等問題。全方位評分標準的采用可以對整個實驗過程進行評判，本課程將學生的課堂問答情況、學習態(tài)度、儀器操作水平、小組成員配合情況等都歸入評分細則，重點考核學生的動手能力和創(chuàng)新能力。其中課堂表現(xiàn)占30%，自主講解、課上問答和組內配合情況各占10%，綜合評估了學生的自主學習效果和動手實踐能力；實驗報告成績占70%，其中理論知識總結占20%，課后習題占20%，數(shù)據(jù)處理水平占30%，是對學生思考能力和知識掌握程度的評估。評分細則如圖2 所示，綜合實驗成績反應了學生在整個實驗過程的綜合表現(xiàn)，體現(xiàn)了學生的整體科研素養(yǎng)。

圖2 儀器分析課程評分標準

3 結語

我校環(huán)境學院大型儀器教學實踐平臺自建設以來，已面向全院200 多名學生開展儀器分析實驗課程，教學效果改善明顯。通過調查，80%以上的學生認為改革后的教學課程帶來的教學質量有所提升。通過構建多元化交叉的知識體系，提供更多的自主學習環(huán)境，學生的獨立思考和動手實踐能力都有了大幅提高。在新工科建設的背景下，該實踐教學模式集理論學習、實驗操作、數(shù)據(jù)分析為一體，提升了學生的科研素養(yǎng)，為后續(xù)的科研、就業(yè)打下堅實的基礎。