尚明屹，吳 堃，楊 勇，孫婧婧

(廈門理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

為適應(yīng)新時代發(fā)展的需要，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》 《高等教育專題規(guī)劃》等文件的發(fā)布，以及“雙一流”專業(yè)建設(shè)、工程教育認(rèn)證、新工科的大力推進(jìn)，對高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、動手能力、正確的人生觀和世界觀的綜合性人才已經(jīng)逐漸成為高校人才培養(yǎng)的重點。在材料、化學(xué)、化工研究領(lǐng)域，大型儀器設(shè)備是連接新材料“制備-性能-應(yīng)用”的重要橋梁，是探索材料本質(zhì)、開發(fā)新材料和解決實際生產(chǎn)問題的關(guān)鍵。因此，在高?？蒲小⒔虒W(xué)中，大型儀器設(shè)備扮演著重要的角色，不僅是科研工作的重要基礎(chǔ)保障，也是材料化工本科實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的基礎(chǔ)條件之一[1]。能否使用大型儀器是體現(xiàn)理工科本科生科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力的一個重要標(biāo)志[2]。

我校理工科專業(yè)居多，隨著近年來國家經(jīng)費(fèi)的支持，購置了包括紅外光譜儀、紫外光譜儀、光電子能譜儀、透射電鏡、掃描電鏡等多臺大型儀器設(shè)備。同時，隨著人才培養(yǎng)要求重點的轉(zhuǎn)變，經(jīng)過多輪培養(yǎng)計劃修訂，多個專業(yè)在大三學(xué)年開設(shè)了大型儀器設(shè)備相關(guān)的實驗課程。作為大三的專業(yè)核心課程，大型儀器設(shè)備相關(guān)實驗既是基礎(chǔ)化學(xué)實驗的延伸拓展，更是基礎(chǔ)實驗和學(xué)生將其應(yīng)用在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計及科研工作的關(guān)鍵樞紐。經(jīng)過近幾年追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在材料、化工專業(yè)相關(guān)行業(yè)的就業(yè)面試和考研面試中，經(jīng)常涉及到大型儀器設(shè)備相關(guān)的面試題目。在實驗中表現(xiàn)良好的學(xué)生，參加面試時也更受HR或?qū)煹那嗖A，在后續(xù)職業(yè)生涯和學(xué)習(xí)深造中也能有良好的個人發(fā)展。

然而，大型儀器設(shè)備精密、貴重，涉及到實驗原理復(fù)雜，操作軟件多為英文版本，參數(shù)設(shè)置注意事項多，制樣工藝復(fù)雜，維護(hù)成本高[3]，大部分機(jī)時應(yīng)用于科學(xué)研究。在這個背景下，大型儀器設(shè)備用于材料化工本科實驗教學(xué)還存在著諸多問題。如何利用先進(jìn)的教學(xué)手段和科學(xué)技術(shù)改善目前的現(xiàn)狀，是我們在材料化工大型儀器實驗教學(xué)中的重點和難點。

1 大型儀器設(shè)備用于材料化工本科實驗教學(xué)存在的問題

1)儀器臺套數(shù)少，部分實驗變成了演示實驗

目前大型儀器設(shè)備一般只有1臺或2臺，大部分實驗教學(xué)中均是將學(xué)生分成10～15人/組進(jìn)行循環(huán)實驗。除去教師講解儀器原理、演示操作的時間，學(xué)生自己動手操作的時間比較少，導(dǎo)致部分實驗變成了演示實驗[4]，學(xué)生很難在有限的時間內(nèi)完成對儀器的了解和認(rèn)識。

2)實驗講義形式單一，基本上以文字為主

學(xué)生預(yù)習(xí)時基本上都是機(jī)械的抄寫，對儀器并沒有直觀的認(rèn)識，實際動手操作時即使對著詳細(xì)的操作流程也有可能不知道從何開始，而且盲目的操作儀器也很有可能導(dǎo)致儀器損壞，沒有達(dá)到真正預(yù)習(xí)的效果。

3)教學(xué)過程中師生互動較少

現(xiàn)在的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生僅僅是根據(jù)已指定好的實驗樣品和步驟，逐一操作得到實驗數(shù)據(jù)，留給學(xué)生想象、思考和發(fā)揮的空間較少，師生互動性低，不利于對學(xué)生動手、動腦能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4)測試樣品單一，測試數(shù)據(jù)同一化

全班共用同一組樣品或每組用一個樣品，大型儀器的精密性決定了同樣的樣品數(shù)據(jù)差異性很小，導(dǎo)致學(xué)生在處理實驗數(shù)據(jù)時抄襲較多，實驗報告辨識度不夠，不能有效的區(qū)分學(xué)生實驗教學(xué)成果的好壞，也不利于學(xué)生真正實踐能力的培養(yǎng)。

5)實驗時間協(xié)調(diào)困難

實驗基本上都是分組進(jìn)行大循環(huán)實驗，一門5個實驗的課程需要安排至少10次課，教師和學(xué)生的時間很難協(xié)調(diào)，實驗教學(xué)效果難以保障。

6)實驗相對獨(dú)立，沒有與其他實驗和理論課有效融合

現(xiàn)有的教學(xué)模式下，材料化工大型儀器設(shè)備實驗和專業(yè)相關(guān)的其他實驗相對獨(dú)立割裂，變成了單純的數(shù)據(jù)測量型實驗，沒有真正起到“制備-表征-應(yīng)用”的橋梁作用[5]，不利于學(xué)生探索精神和綜合思維能力的培養(yǎng)。如何將大型儀器設(shè)備實驗和專業(yè)相關(guān)的其他實驗和理論融合交叉，讓學(xué)生在實驗中學(xué)會解決實際問題的能力，成為了目前材料化工實驗教學(xué)改革的重要方向。

2 翻轉(zhuǎn)課堂在材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)中的實施過程

針對目前材料化工大型儀器設(shè)備實驗課程存在的問題，主要的解決方法要從轉(zhuǎn)換教學(xué)模式、豐富教學(xué)內(nèi)容和重新架構(gòu)實驗教學(xué)項目實施方式等方面入手。將無限的課外時間交給學(xué)生去自學(xué)思考交流，有限的課堂時間交給學(xué)生去實際操作，以期達(dá)到大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)目的，有效提高教學(xué)質(zhì)量，真正激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

翻轉(zhuǎn)課堂也稱為“顛倒課堂”，是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在課前，學(xué)生通過豐富的多媒體資源完成自主學(xué)習(xí)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在線討論，自行查閱需要的材料，設(shè)計實驗方案。在課內(nèi)，教師針對性的解決學(xué)生預(yù)習(xí)過程中的問題，學(xué)生專注于實驗項目的主動學(xué)習(xí)，對實驗課程的內(nèi)容獲得更深層次的理解。在課后，學(xué)生通過完成實驗報告，加強(qiáng)對所學(xué)知識的掌握和運(yùn)用，進(jìn)一步進(jìn)行個性化的拓展學(xué)習(xí)。在這種教學(xué)過程中，教師僅僅是學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，而學(xué)生成為主動學(xué)習(xí)者而不是信息的被動接受者。翻轉(zhuǎn)課堂在材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)中的實施過程包括以下幾個階段：

1)課前--教師教學(xué)材料準(zhǔn)備和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)階段

保障翻轉(zhuǎn)課堂順利實施的前提在于充分的教學(xué)準(zhǔn)備。因此，教師根據(jù)需要對用于教學(xué)的大型儀器設(shè)備準(zhǔn)備豐富的教學(xué)材料，建立材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)資源庫。鑒于大型儀器設(shè)備復(fù)雜精密的特殊性，每臺儀器的實驗教學(xué)資源庫以儀器的生活應(yīng)用實例作為引入點，使用動畫、圖片、3D模擬等豐富有趣的表達(dá)形式，制作儀器設(shè)備原理和應(yīng)用的多媒體課件[6]，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生由淺入深、逐層深入的進(jìn)行學(xué)習(xí)。制作規(guī)范性的實驗操作視頻和數(shù)據(jù)處理方法的視頻，學(xué)生可重復(fù)觀看，多次學(xué)習(xí)。

除了構(gòu)建實驗教學(xué)資源外，為了避免實驗項目同一化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差別不大，抄襲較多的問題，我們通過多元化實驗項目的設(shè)計來解決。針對不同專業(yè)，我們設(shè)置了解決更適合相關(guān)專業(yè)問題的實驗項目，測試不同的實驗樣品，解決不同的理論問題。對于同一專業(yè)，我們也準(zhǔn)備同類別的多種不同樣品。另外，實驗的樣品可來源于學(xué)生先前實驗合成的樣品。這樣既能有效避免實驗報告抄襲和同一化帶來的評分困難，也可以實現(xiàn)材料化工大型儀器實驗教學(xué)與其他課程之間的聯(lián)系，更關(guān)鍵的是讓學(xué)生通過預(yù)習(xí)自行設(shè)計實驗方案，采用探究式、啟發(fā)式實驗教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力。

在教師教學(xué)材料準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，學(xué)生在課前進(jìn)行充分的自主學(xué)習(xí)，自由組隊，探討實驗方案。

2)課中--學(xué)生的課堂實踐和教師的課堂指導(dǎo)

翻轉(zhuǎn)課堂實施的重要前提是學(xué)生在預(yù)習(xí)階段能真正通過自學(xué)掌握了儀器設(shè)備相關(guān)的知識。為了檢驗學(xué)習(xí)的效果，我們設(shè)計了課堂小測驗，凝練每臺儀器的重要原理、制樣操作、數(shù)據(jù)處理部分的內(nèi)容形成填空和選擇題供學(xué)生作答。在操作儀器之前，通過小測驗，教師可迅速了解每位學(xué)生預(yù)習(xí)情況，進(jìn)行針對性講解和強(qiáng)調(diào)。小測驗的成績也作為實驗成績的一部分，以考促學(xué)，每位學(xué)生都要完成，也避免了問問題式考查中都是一兩個學(xué)習(xí)積極的學(xué)生作答的弊端。

在教師針對性講解后，學(xué)生按照規(guī)范性的實驗操作視頻進(jìn)行實驗方案的實踐，教師在課堂上的主要角色是課堂的指導(dǎo)者。

3)課后--學(xué)生的知識內(nèi)化應(yīng)用和教師的總結(jié)反饋

在課后，學(xué)生通過課堂實踐得到實驗數(shù)據(jù)，按照實驗方案要求，完成對數(shù)據(jù)的處理和實驗報告的撰寫。教師在每年實驗課結(jié)束后，挑選優(yōu)秀的實驗報告形成優(yōu)秀實驗報告庫，供學(xué)生參考和改進(jìn)，幫助學(xué)生更好地總結(jié)實驗成果。在這個階段，我們借助微信或微信群等實時交流工具建立了一對一、相互討論的渠道，及時解決學(xué)生在全程實驗教學(xué)中遇到的問題。為了更進(jìn)一步實施教學(xué)改革，不斷改善教學(xué)內(nèi)容和方式，在學(xué)生實驗報告上設(shè)置“學(xué)習(xí)心得體會”欄以及在講義后附上意見反饋渠道，形成良好的反饋機(jī)制。根據(jù)學(xué)生的反饋意見，教師再不斷打磨和充實教學(xué)資源以及改進(jìn)教學(xué)方式方法，形成良好的正向反饋，促進(jìn)課程教學(xué)的不斷完善。

在材料和化工的大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)中，紅外光譜儀、紫外光譜儀、光電子能譜儀等應(yīng)用范圍廣，可快速定性分析樣品的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，其課程實施流程如圖1所示。其他的大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)也可以以此為基礎(chǔ)，根據(jù)儀器特性“因器制宜”優(yōu)化課程實施流程。

圖1 翻轉(zhuǎn)式材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)課程實施流程

將翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式應(yīng)用在材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)中，可將教師從重復(fù)繁瑣但并缺乏直觀和形象的口頭講解中抽離出來，將更多的精力用于教學(xué)材料的準(zhǔn)備細(xì)化、針對性解答學(xué)生預(yù)習(xí)中遇到的問題點以及儀器操作的主要關(guān)鍵點、樣品測試的方案設(shè)計討論等。在一次次的思想碰撞中，達(dá)到相互促進(jìn)不斷提高教學(xué)效果的目的，有效提高教學(xué)互動性，充分挖掘?qū)W生主動性。教師不再重復(fù)大量的講解內(nèi)容，留給學(xué)生課堂實踐的時間大大增加，實驗分組可實現(xiàn)10～15人減少到4～5人或更少，讓每個學(xué)生真正參與到儀器的實際操作中。

3 二維碼技術(shù)在翻轉(zhuǎn)課堂中的應(yīng)用

在翻轉(zhuǎn)課堂實施的過程中，我們涉及到大量的視頻、動畫、測驗、信息反饋和建立優(yōu)秀實驗報告庫等。在以前的材料化工實驗教學(xué)改革中，采用教學(xué)網(wǎng)站等形式將這些內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生。而隨著智能設(shè)備的不斷普及，對于學(xué)生而言，電腦的使用頻率下降，而用智能設(shè)備打開網(wǎng)站，網(wǎng)站的完整度無法呈現(xiàn)，同時對網(wǎng)絡(luò)的要求較高，不能做到隨時隨地的學(xué)習(xí)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，二維碼技術(shù)的不斷普及，可有效改善這一現(xiàn)狀。二維碼是萬物互聯(lián)的重要載體，它的出現(xiàn)極大方便了人們的生活。二維碼作為一種信息儲存、傳輸和識別技術(shù)，可將文字、圖片、聲音、視頻等以數(shù)字化的信息進(jìn)行編碼捆綁。隨著4G/5G無線互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)和平板等移動通訊設(shè)備廣泛普及，二維碼不再受到時空和硬件設(shè)備的限制，已廣泛滲透到日常生活的方方面面。二維碼技術(shù)成本低、轉(zhuǎn)碼耗時少、占用內(nèi)存小，在碼不改變的前提下可不斷更新內(nèi)容。作為萬物互聯(lián)的重要載體，二維碼正在成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造等領(lǐng)域不可或缺的經(jīng)濟(jì)因素[7-8]。在材料化工大型儀器翻轉(zhuǎn)教學(xué)課堂的實施過程中，二維碼被廣泛應(yīng)用在如下場景：

1)構(gòu)建立體化的實驗講義

為了使材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)材料的生動性大幅提升，實驗教學(xué)材料的準(zhǔn)備過程中，涉及到3D動畫、演示文稿講解、視頻等，利用網(wǎng)站呈現(xiàn)這些教學(xué)材料不利于學(xué)生使用智能設(shè)備觀看。我們通過相關(guān)技術(shù)將多媒體資源生成二維碼，附在傳統(tǒng)的講義上，形成文字精簡、形式內(nèi)容豐富的立體化實驗講義。讓學(xué)生看到文字的同時能隨時隨地使用手機(jī)、平板電腦等智能終端掃描二維碼打開立體化講義，看到抽象文字相應(yīng)的講解，簡化學(xué)習(xí)資料，實現(xiàn)“碼”上學(xué)習(xí)，達(dá)到課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的同步，極大提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和主動性。

同時，科學(xué)技術(shù)發(fā)展極其迅速，大型儀器設(shè)備更新?lián)Q代很快，所以大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)材料也要與時俱進(jìn)，不斷更新，注重創(chuàng)新性與研究性內(nèi)容相結(jié)合。教師可在保持二維碼不變的情況下，后臺隨時更新二維碼內(nèi)容，以達(dá)到立體化講義的與時俱進(jìn)，還可以通過后臺掃描量等實時跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2)課堂小測驗的完成和成績跟蹤

傳統(tǒng)課堂測驗采用紙質(zhì)版發(fā)放的形式完成，不利于成績的及時反饋和教學(xué)資源的保存。我們將難度相當(dāng)?shù)牟煌膸滋最}目通過問卷星等生成二維碼，學(xué)生在課堂開始前，掃描二維碼進(jìn)入答題，提交后，教師可在后臺即時看到學(xué)生答題情況，了解學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，快速挑選出大型儀器設(shè)備原理和操作中需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)的重點和難點。

3)儀器規(guī)范操作視頻的呈現(xiàn)

二維碼技術(shù)還可推廣到大型儀器設(shè)備操作視頻的呈現(xiàn)方面，我們將規(guī)范的操作流程文檔和操作視頻用二維碼貼于儀器旁邊，只需占據(jù)儀器旁邊 2 cm×2 cm 左右大小的位置，便于學(xué)生在操作時遇到不明白的地方實時觀看。

4)優(yōu)秀實驗報告庫的建立

在優(yōu)秀實驗報告庫建設(shè)方面，我們也借助二維碼技術(shù)來實現(xiàn)，將優(yōu)秀實驗報告掃描為電子版，以學(xué)生學(xué)號+專業(yè)+實驗名稱的形式命名，將多個實驗報告集合，生成一個二維碼貼于立體化講義的最后，供學(xué)生處理實驗報告時參考。隨著每年實驗結(jié)束，可在碼保持不變的情況，及時更新優(yōu)秀實驗報告庫。

5)交流討論和意見反饋渠道的搭建

在立體化講義后可以附上教師微信和課程微信群的二維碼，供學(xué)生一對一交流和相互討論，有問題“碼”上問，及時解決學(xué)生在全程實驗教學(xué)中遇到的問題。同時，在講義后附上意見反饋二維碼，有意見“碼”上說，形成良好的反饋機(jī)制。

將二維碼應(yīng)用在材料化工大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)中，較網(wǎng)站或發(fā)送文件的傳統(tǒng)模式，可在時間成本、經(jīng)濟(jì)成本、便捷度等方面有很大的提升，具體如表1所示。

表1 傳統(tǒng)模式和二維碼技術(shù)應(yīng)用模式在材料化工大型儀器實驗教學(xué)中的應(yīng)用對比

4 結(jié)語

在材料和化工類學(xué)生的實驗教學(xué)中，大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)占據(jù)著非常重要的地位，我們通過豐富的實驗教學(xué)資源庫作為載體，實施“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，并采用二維碼技術(shù)將豐富的多媒體資源、優(yōu)秀實驗報告庫和意見反饋渠道等融入講義，化繁為簡，將更多的時間留給學(xué)生主動思考和創(chuàng)造，增加教學(xué)的互動性，充分鍛煉學(xué)生的思考和動手能力。讓學(xué)生在大型儀器設(shè)備實驗課程的課堂上，不僅僅局限于學(xué)會儀器的開、關(guān)，流于形式和完成任務(wù)，而是學(xué)會大型儀器的實際應(yīng)用和拓展，為大型儀器的學(xué)習(xí)賦予內(nèi)涵，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，對培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、動手能力、正確的人生觀和世界觀的綜合性材料化工類人才起到真正的促進(jìn)作用。