陳 娟 魏文嫻 肖金坤

(1.揚州大學 測試中心，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

在科技高速發(fā)展的今天，大型儀器已經(jīng)成為生物、醫(yī)藥、建筑等眾多行業(yè)中必不可少的科研工具，也是高等學校教書育人和科學研究所需的必要設(shè)備。大型儀器課程具有非常強的前沿性、理論性和實踐性，它要求學生不僅能夠掌握理論知識，還應該具備實踐操作能力，該課程的教學工作順應了新時代應用型人才的培養(yǎng)需求[1-3]。大型儀器課程為綜合性課程，包括對掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀、光電子能譜儀、拉曼、紅外、紫外光譜儀、色質(zhì)譜儀、熱重分析儀、動態(tài)機械分析儀等多臺設(shè)備的介紹。根據(jù)揚州大學的學科分類及專業(yè)設(shè)置情況，大型儀器課程面向材料、化學、獸醫(yī)、農(nóng)學等自然學科研究生開設(shè)。該課程的開設(shè)，能讓學生了解常見的大型儀器設(shè)備種類及各種測試技術(shù)的工作原理和應用范圍，掌握大型儀器的操作方法及測試結(jié)果的分析解析，為學生的科研工作奠定理論基礎(chǔ)，并提供實用的實踐經(jīng)驗。

盡管大型儀器課程的傳統(tǒng)教學方式在傳授學生基本知識和培養(yǎng)學生基本技能方面有重要作用，然而仍然存在以下局限：教學的時間和空間非常有限。大型儀器包括眾多分析技術(shù)，因此，分配到每項技術(shù)的理論和實踐教學時間都非常短，并且因?qū)嵺`場地常選用各個分析測試室，實踐場地較小，不能滿足大班授課的需求。同時，受到疫情的影響，我國的在線開放課程得到迅猛發(fā)展，學生線上學習資源得到深度挖掘，線上學習方式趨于流行[4-6]?；谏鲜鲆蛩?，開展線上和線下相結(jié)合的方式進行教學，是實行現(xiàn)代大型儀器教學改革的必由之路。據(jù)此，本文以大型儀器課程中“透射電子顯微鏡”為例，探索混合式的教學模式，使用便利的網(wǎng)絡平臺和優(yōu)質(zhì)豐富的學習資源耦合線下實踐教學，設(shè)計五個環(huán)節(jié)的教學實踐，使得教學的時間和空間不再受到限制。

一、大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學設(shè)計

傳統(tǒng)的大型儀器授課分為兩個階段：課堂理論授課階段和測試室內(nèi)實踐操作階段。如果學生不能自覺地進行課程預習，便對課程沒有大致的了解和把握；在傳統(tǒng)的授課課堂上教師往往講授大量抽象難懂的理論知識，而學生較難吸收；傳統(tǒng)的課堂上教學內(nèi)容更新相對較慢，沒有及時加入新發(fā)展的技術(shù)，跟不上現(xiàn)代科學技術(shù)研究的腳步。此外，透射電子顯微鏡為大型精密貴重儀器，對操作者的專業(yè)性和熟練性要求很高，為避免儀器因誤操作導致的損害，實踐操作時教師往往以演示為主，只有少量學生在有限的權(quán)限內(nèi)能操作儀器。為了讓學生更好地吸收理論知識，掌握透射電鏡的實踐操作技術(shù)，提升科學素養(yǎng)和動手能力，我們將在使用優(yōu)質(zhì)豐富的網(wǎng)絡資源和線上教育平臺的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的兩個階段的教學環(huán)節(jié)細化成五個階段的教學環(huán)節(jié)，它們依次為：課前預習、線上講授、虛擬仿真軟件模擬、線下實踐和教學評價。大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學模式列于表1中。利用中國大學MOOC平臺發(fā)布單元導學和優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡學習資源，使用騰訊會議進行線上授課，借助虛擬仿真軟件模擬透射電子顯微鏡的操作，為線下實踐作充分的準備。利用問題式、探索式教學，鼓勵學生獨立思考，加強學生與教師之間的互動，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，為他們今后的科研工作做好鋪墊。

表1 大型儀器課程的五環(huán)節(jié)混合式教學模式

二、五環(huán)節(jié)混合式教學模式的實施方案

大型儀器教學中“透射電子顯微技術(shù)”單元五環(huán)節(jié)教學模式的具體實施方案如下：

(一)引導學生課前預習

利用發(fā)布在中國大學MOOC平臺上的單元導學，引導學生在某一時間段內(nèi)根據(jù)學習目標安排學習活動：預習單元學習內(nèi)容并了解單元學習的重難點。課前預習包括資料閱讀、在線答題和提出問題。資料閱讀包括提前閱讀本單元的課本知識和相關(guān)的簡短易懂的音頻、視頻等補充材料。形式多樣的學習資源可以使得知識更加易于理解和吸收。根據(jù)本單元的重點和難點知識，設(shè)計在線答題題目。在線答題一方面促使學生預習本單元的知識，另一方面考察學生對本單元的了解程度。根據(jù)學生的學習情況，教師能靈活調(diào)整教學側(cè)重點，加強對薄弱知識的講授。學生提出預習過程中不懂的問題，教師對問題進行收集和整理，并在接下來的線上授課環(huán)節(jié)為學生進行講解。

(二)利用騰訊會議線上講授

線上講授為透射電鏡理論教學的核心環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)講授內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了預習答疑和引進的最新技術(shù)的介紹部分。線上講授在騰訊會議軟件上進行。為了達到最佳教學效果，在課前預習環(huán)節(jié)中將騰訊會議的下載和使用方法說明書發(fā)布給學生，讓學生提前熟悉授課軟件，學會使用軟件中的各種學習功能。開始上課后，首先拋出預習環(huán)節(jié)中困擾大部分學生的問題，用問題引出課程內(nèi)容，引發(fā)學生思考，調(diào)動學生的學習積極性。線上針對這些問題進行詳細解答。在騰訊會議上除了講授透射電子顯微鏡工作原理等理論知識外，借助線上教學能大量使用網(wǎng)絡資源的優(yōu)勢，給學生展示高清的透射電子顯微鏡外觀圖片、詳盡的儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖、透射電鏡成像及衍射斑點的動態(tài)形成過程等，如圖1所示，讓學生輕松掌握透射電鏡的原理、應用等理論知識。

圖1 線上展示透射電鏡成像及衍射斑點的動態(tài)形成過程

為學生介紹近期引入的新技術(shù)配件。常規(guī)的透射電鏡需要在高真空的環(huán)境下觀察樣品，因而無法觀察含水樣品。揚州大學近些年購買了如圖2所示的Gatan 626冷凍樣品傳輸臺，該傳輸臺可以將含水樣品固定，并送入常規(guī)透射電鏡進行觀察，這對生物樣品以及膠束樣品的觀察具有重要意義。向?qū)W生介紹這一技術(shù)，將為學生在后期的科研工作中使用該技術(shù)做好鋪墊。冷凍樣品傳輸臺的工作原理為利用制樣機器人將具有極薄液層的樣品快速投入液態(tài)乙烷中冷凍，由于液態(tài)乙烷具有極大的導熱速率，使得樣品溫度在極短的時間內(nèi)降低至玻璃化溫度，制備得到玻璃態(tài)樣品。將玻璃態(tài)樣品儲存在液氮中，并迅速轉(zhuǎn)移至裝有液氮的冷凍樣品桿中，將冷凍樣品桿插入透射電鏡，即可對含水樣品進行觀察[7-9]。

圖2 Gatan 626冷凍樣品傳輸臺

(三)虛擬仿真軟件模擬

相比較音頻視頻等教學資源，虛擬仿真技術(shù)是最新發(fā)展起來的高級仿真技術(shù)[10-12]，能提供逼真的觸覺、聽覺和視覺等多維感官的體驗，大大提升學生理解和記憶知識的程度。依托于透射電鏡的虛擬仿真項目是近年來揚州大學培育的仿真項目之一，該系統(tǒng)包括虛擬仿真軟件，提供立體的視覺感知的頭盔顯示器和追蹤手部操作的手部跟蹤器。進入透射電鏡的虛擬仿真網(wǎng)站后，首先閱讀軟件的使用說明及注意事項；再完成透射電鏡的操作，包括透射電鏡開機、三級真空泵抽真空(如圖3所示)、多樣品桿進樣、常規(guī)樣品觀察、拔出多樣品桿，電鏡關(guān)機等。虛擬仿真模擬能完成樣品成像中的放大縮小、平移和對焦等基本模擬操作，這是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來完成的。

圖3 模擬透射電鏡三級真空泵抽真空

透射電鏡的實踐課程受到儀器精密度和場地的限制，學生往往較難親自動手操作儀器。虛擬仿真技術(shù)為學生學習大型儀器的操作提供了平臺，經(jīng)過多次反復的虛擬上機操作后，學生能熟悉儀器的使用方法和操作流程，為后期的上機實踐做好鋪墊。

(四)大型儀器線下實踐

在虛擬仿真模擬過程中，用于成像的樣品單一，線下實踐過程中可以對多種不同特性的樣品成像，不同樣品在觀察過程中選用不同的電壓、電流、束斑直徑等條件；線下實踐能清楚感受聚焦過程中圖像的變化；上機操作過程中除了進行透射成像外，還可以使用選區(qū)光闌進行衍射圖像的拍攝。圖4是學生正在實踐操作透射電鏡。因而線下實踐是對虛擬仿真模擬的必要補充和強化。此外，在虛擬仿真操作的基礎(chǔ)上，學生能很快地掌握電鏡的操作技巧，提高了線下實踐的效率。

圖4 學生實踐操作透射電鏡

(五)多方位教學評價

為了能對學生的學習情況進行綜合評價，同時又提高學生在教學環(huán)節(jié)中的積極性和能動性，我們使用了全過程多方位的評價考核體系。多方位教學評價與原有評價方式的比較如圖5所示。多方位的評價考核在課前預習、線上講授、虛擬仿真軟件模擬和線下實踐環(huán)節(jié)均設(shè)定參與度、測試題等評價點。課程的理論評價劃分為兩個部分：一部分評價學生在課前預習和在線講授中的綜合表現(xiàn)，計為平時成績，為總成績的30%。另一部分為期末成績，要求學生結(jié)合即將開展的科研工作，選擇在以后的科研工作中常用測試技術(shù)，并描述該技術(shù)如何為科研工作服務，該部分占總成績的70%。課程的實踐教學評價也分為兩部分：一部分為學生在虛擬仿真軟件教學以及線下實踐中的綜合表現(xiàn)，占總成績的50%，另一部分是學生為自己即將開展的科研課題中涉及的樣品規(guī)劃透射電鏡拍攝方案，包括制備透射樣品方案和電鏡的成像操作方案，占總成績的50%。原有的評價方式為利用結(jié)課考試測試透射電子顯微技術(shù)的理論知識掌握情況和上交透射電鏡操作步驟，這種評價方式容易導致學生僅僅死記硬背分析測試技術(shù)原理以及操作步驟，而無法靈活掌握透射電子顯微技術(shù)。本文建立的新的教學評價體系能更加客觀地反映學生對透射電鏡技術(shù)的掌握情況，有利于培養(yǎng)新型應用型人才。

圖5 多方位教學評價與原有評價方式的比較

三、結(jié)語

大型儀器教學采用線上和線下混合式五環(huán)節(jié)的教學模式進行教學，能在一定程度上克服教學的時間和空間局限性，滿足大型儀器教學與時俱進的需求。將傳統(tǒng)的線下課堂講授加少量操作實踐的模式細化并改善為線上和線下結(jié)合的五環(huán)節(jié)教學模式，有利于學生在學習時間和空間均較自由的線上學習過程中吸取更多的知識，并為線下的操作實踐做充足的準備，接著在實踐過程中充分踐行所學知識，掌握分析測試技術(shù)的研究方法和實驗操作技能，從而提高學生梳理知識、分析解決問題以及科學創(chuàng)新的綜合能力。目前大型儀器課程的線上和線下混合式五環(huán)節(jié)的教學模式仍在實踐探索階段，我們?nèi)匀恍枰M一步加強和細化課程設(shè)計，提升教學改革效果，培養(yǎng)既具有堅實的測試技術(shù)理論功底，又具有將理論應用到實踐能力的應用型人才。