＊樊紅櫻 陳娟 周俊 王赪胤

（揚(yáng)州大學(xué) 測(cè)試中心 江蘇 225009）

引言

近年來(lái)，實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為高等教育教學(xué)中的重要組成部分，對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的提高有重要作用[1-3]。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)代分析技術(shù)也是日新月異。因科研需要，學(xué)校購(gòu)置了大量先進(jìn)的大型分析測(cè)試儀器，這些大型儀器不僅成為高校教學(xué)科研工作必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是高校核心競(jìng)爭(zhēng)力與學(xué)校綜合實(shí)力的體現(xiàn)，為高校開展科研和培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。但是，目前這些大型儀器主要服務(wù)于教師和研究生的課題項(xiàng)目研究，與本科生教學(xué)聯(lián)系不夠緊密。針對(duì)以上現(xiàn)狀，利用實(shí)驗(yàn)課教學(xué)來(lái)拓展學(xué)校大型儀器設(shè)備的受益群體，并豐富和完善大型儀器設(shè)備在本科教育教學(xué)中的應(yīng)用，提高本科學(xué)生的實(shí)踐操作能力，為培養(yǎng)實(shí)踐型人才發(fā)揮自己最大的力量。

透射電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱透射電鏡，以波長(zhǎng)極短的電子束作為光源，利用多級(jí)電磁透鏡進(jìn)行成像，是一種高放大倍數(shù)、高分辨率的電子光學(xué)儀器[4]。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到生物、農(nóng)林、醫(yī)學(xué)、納米材料、高分子材料等領(lǐng)域，已成為科研領(lǐng)域不可缺少的表征手段[5-8]。而現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)相關(guān)課程中，透射電鏡也是理論講解和實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的重要組成部分。但因其設(shè)備本身比較昂貴，學(xué)校擁有臺(tái)套數(shù)較少，且維護(hù)和維修難度大且成本高，容錯(cuò)程度低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課的效果不佳。因此，利用先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)新的本科教學(xué)方案，提高透射電鏡實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效率和教學(xué)效果，已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急必須要解決的問(wèn)題。

1.透射電鏡在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

高校教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是連接理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用的橋梁，在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和獨(dú)立思考能力方面具有其他教學(xué)課程無(wú)法替代的作用[9-11]。而大型儀器相關(guān)本科實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，可以打通教學(xué)與科研之間的壁壘，激發(fā)學(xué)生對(duì)高精尖技術(shù)的興趣，提高專業(yè)知識(shí)的掌握度及鍛煉動(dòng)手能力，同時(shí)也能有效發(fā)揮大型精密儀器在地方高校中的作用，是充分發(fā)揮教育資源效益的有效途徑。但是，由于各種因素的影響，鮮少有學(xué)校開展大型儀器相關(guān)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，導(dǎo)致現(xiàn)階段大型儀器相關(guān)課程主要針對(duì)部分研究生開展。例如，大型儀器價(jià)格昂貴，維護(hù)和維修時(shí)間長(zhǎng)費(fèi)用高，對(duì)操作規(guī)范性要求嚴(yán)格，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)操作失誤引起長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)器調(diào)試，更嚴(yán)重的是出現(xiàn)設(shè)備損傷，會(huì)造成整個(gè)課程甚至是整個(gè)測(cè)試服務(wù)工作的延誤。因此，為了避免上述問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)課程多采用老師講解及圖片展示的方式，讓學(xué)生了解操作的原理及操作全過(guò)程，并帶領(lǐng)學(xué)生去儀器操作室觀看老師的實(shí)際操作過(guò)程。這將嚴(yán)重影響學(xué)生動(dòng)手操作能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)[12]。

揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心目前已開設(shè)《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)與儀器》和《儀器分析樣品處理與實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)》兩門課程，其中透射電子顯微鏡在其中占有很大比重，選課學(xué)生較多。透射電鏡是現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)分析儀器設(shè)備中使用頻率較高的儀器，但其價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、維護(hù)及維修費(fèi)用昂貴，在實(shí)驗(yàn)課過(guò)程中多以學(xué)生觀看老師演示的方式進(jìn)行，無(wú)法讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)課的整個(gè)過(guò)程中。導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中的收獲大打折扣，無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的目的，無(wú)法為培養(yǎng)動(dòng)手能力佳的應(yīng)用人才提供強(qiáng)有力的支撐。綜上所述，大型儀器面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放是勢(shì)在必行的趨勢(shì)，因此本次探索中以本中心的共享大型儀器透射電子顯微鏡為基礎(chǔ)進(jìn)行本科實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，利用“虛實(shí)結(jié)合”“軟硬結(jié)合”和“線上線下結(jié)合”等多種方法建立教學(xué)方案，讓大型儀器的開放共享不僅可以為科研項(xiàng)目服務(wù)，還能為本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供幫助。

2.透射電鏡虛擬仿真軟件的搭建

學(xué)校為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》、教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》等文件精神，持續(xù)加強(qiáng)我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力提升，組織開展了揚(yáng)州大學(xué)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)培育項(xiàng)目。而本次教學(xué)方案的設(shè)置所依托的生物電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目得到了學(xué)校的支持。

生物電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)包括鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作模擬、練習(xí)題庫(kù)、作業(yè)和考試模塊等功能。已經(jīng)初步使用于有透射電鏡樣品測(cè)試需求的研究生的培養(yǎng)中。以此為基礎(chǔ)，探索建立電鏡虛擬仿真透射電子顯微鏡虛擬仿真項(xiàng)目在本科教學(xué)中的應(yīng)用方案。

(1)閉環(huán)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式建設(shè)

通過(guò)調(diào)研學(xué)習(xí)其他高校透射電鏡實(shí)驗(yàn)課的優(yōu)秀方案，了解其他高校大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在本科教學(xué)中應(yīng)用的先進(jìn)案例，結(jié)合國(guó)家和學(xué)校對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)際要求，建立創(chuàng)新的閉環(huán)式教學(xué)模式[13-15]。跟學(xué)生緊密溝通，做到邊試驗(yàn)邊總結(jié)邊改進(jìn)，隨時(shí)完善教學(xué)方案，打造與時(shí)俱進(jìn)的大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方案，打造可廣泛推廣應(yīng)用的透射電子顯微鏡虛擬仿真項(xiàng)目在本科教學(xué)中應(yīng)用的新教案。

(2)透射電子顯微鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)

以日立HT7800透射電鏡的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例描述該軟件建設(shè)情況。該軟件在試運(yùn)行階段，初步嘗試用于有透射電鏡測(cè)試需求的研究生，提高他們對(duì)透射電鏡的自主操作能力。全過(guò)程通過(guò)實(shí)景操作模擬，進(jìn)行沉浸式教學(xué)，讓學(xué)生完全理解并熟練掌握所有的操作環(huán)節(jié)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟描述了透射電鏡從鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解到電鏡開關(guān)機(jī)及樣品測(cè)試的全過(guò)程。

軟件主要操作步驟如下：

①登錄網(wǎng)站，進(jìn)入虛擬教學(xué)；登錄虛擬仿真平臺(tái)（輸入學(xué)生賬號(hào)，密碼）（圖1-A）。

②了解電鏡的結(jié)構(gòu)原理，了解透射電鏡的操作步驟（圖1-B）。

③打開鏡筒電源開關(guān)和電腦主機(jī)開關(guān)（圖1-C）。

④打開模擬的HT7800操作軟件并加電壓、燈絲電壓和電子束準(zhǔn)備測(cè)樣（圖1-D）。

⑤拔出樣品桿上樣品，然后完成進(jìn)樣（圖1-E，圖1-F，圖1-G）。

⑥在軟件窗口進(jìn)行樣品測(cè)試過(guò)程，其中包括：全景導(dǎo)航圖的調(diào)用、光闌調(diào)整、樣品大小縮放、亮度調(diào)整、樣品聚焦和主相機(jī)窗口拍照等全過(guò)程（圖1-H，圖1-I）。

⑦取出樣品，將空樣品桿裝入進(jìn)樣倉(cāng)，關(guān)掉高壓，關(guān)閉操作軟件，關(guān)閉電腦，完成拍攝的全過(guò)程。

3.透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)體系建立

以測(cè)試中心為依托，基于已開發(fā)的透射電鏡室及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，構(gòu)建“透射實(shí)驗(yàn)室-虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”的虛實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。將理論和實(shí)踐相結(jié)合，將線上線下虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以拓展透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)和模式、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。打破傳統(tǒng)的大型儀器實(shí)驗(yàn)課中老師操作學(xué)生觀看的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的多樣化，讓學(xué)習(xí)者通過(guò)更多的平臺(tái)和更豐富的學(xué)習(xí)方式，完成課程的學(xué)習(xí)。依據(jù)不同類型學(xué)生的需求差異進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)，提升學(xué)生的自主能動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

本教學(xué)體系建立主要通過(guò)線上線下和軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行。秉承“虛實(shí)互補(bǔ)、能實(shí)不虛、以虛促實(shí)”的教學(xué)原則，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，提升大型儀器在本科教學(xué)中的效果，提高應(yīng)用型人才的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。教學(xué)體系建立主要內(nèi)容如下：

充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)完成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)深度結(jié)合。學(xué)生課前可以登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可線上與老師及同學(xué)交流，即“先自學(xué)課程，后反饋交流”充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生從“要我學(xué)什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔蚁雽W(xué)什么”，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，加強(qiáng)其對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。虛實(shí)結(jié)合，讓更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)更早的接觸到大型儀器的操作，為以后的科研開展和工作實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)軟硬件結(jié)合的模式，搭建虛擬仿真室和透射電鏡室相結(jié)合，讓學(xué)生在課時(shí)內(nèi)依靠任課老師的講解通過(guò)虛擬仿真的方式熟悉操作過(guò)程和注意事項(xiàng)，并通過(guò)相關(guān)考核后，方可進(jìn)行實(shí)際的上機(jī)操作。首先，保證有操作需求并具備一定動(dòng)手操作能力的學(xué)生可以在透射電鏡室進(jìn)行上機(jī)操作，既能保障學(xué)生使用電鏡的自身安全性，也能大大降低電鏡操作過(guò)程中因操作不當(dāng)帶來(lái)的重大損傷的概率。其次，可以將本系統(tǒng)搭載在測(cè)試中心官網(wǎng)上，讓學(xué)生在課前對(duì)所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前熟悉本次實(shí)驗(yàn)課程的操作內(nèi)容，減少上課過(guò)程中的軟件練習(xí)時(shí)間，增加有限課時(shí)內(nèi)的上機(jī)操作時(shí)間。保證每個(gè)學(xué)生有足夠的時(shí)間完成上機(jī)操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，完成從原來(lái)的老師演示、學(xué)生觀看到現(xiàn)在的學(xué)生自主操作的轉(zhuǎn)變。

軟件中設(shè)計(jì)理論學(xué)習(xí)、樣品準(zhǔn)備、操作練習(xí)模式、理論和操作考核模式、操作考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多種模塊，讓學(xué)生了解電子顯微鏡的基本構(gòu)造和原理、樣品前處理過(guò)程，初步了解電子顯微鏡的基本操作過(guò)程。學(xué)生可以提前完成理論學(xué)習(xí)，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)課上課過(guò)程中更好的理解課程的內(nèi)容，以及加深對(duì)操作過(guò)程的理解程度。樣品制備過(guò)程是透射電子顯微鏡拍攝的重要環(huán)節(jié)，好的樣品制備是好的拍攝結(jié)果的必要條件，引導(dǎo)學(xué)生了解樣品前處理的過(guò)程是透射電鏡實(shí)驗(yàn)課程的重要環(huán)節(jié)，但是往往由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，在實(shí)驗(yàn)課程的過(guò)程中無(wú)法保證學(xué)生可以自主完成樣品處理的過(guò)程。讓學(xué)生在軟件中不限時(shí)不限次的進(jìn)行操作練習(xí)，在完成理論和操作考核任務(wù)后，方可進(jìn)行電鏡的上機(jī)操作。記錄學(xué)生的操作全過(guò)程，在課程結(jié)束后，老師可以根據(jù)上課過(guò)程中師生互動(dòng)情況、線上線下的交流情況、試題和操作的考核成績(jī)，以及實(shí)體操作的情況綜合進(jìn)行評(píng)估，從而為每個(gè)學(xué)生提供全面的操作技能評(píng)價(jià)。

4.結(jié)論

利用已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件資源建立全方位管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，提高本科教學(xué)的效果。有利于通過(guò)在線記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以全面分析客觀解析教學(xué)效果，從而充分掌握學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中的參與情況及其對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的感受，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)估和教學(xué)改革提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，為學(xué)校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供依據(jù)，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供更好的培養(yǎng)方案。