大型仪器分析实验中虚实结合教学模式改革的探索与实践——以透射电子显微镜实验为例

作者:查重猫     发表时间:2021-06-30 06:15:41   浏览次数:19



  摘要:大型仪器分析实验具有独特的地位和属性,实验过程更接近于实际分析工作,有利于学生仪器分析综合能力的培养。然而,传统方式无法实现大型仪器分析实验教学,而虚拟仿真技术虽然解决了一些问题,却也造成学生对虚拟平台和仪器实物的认知和操作偏差。本文以透射电子显微镜实验为例,探讨了如何在实验教学中将虚拟仿真技术与仪器实物教学有效地衔接,通过虚实结合最大程度地培养学生的大型仪器分析综合能力。

  关键词:大型仪器分析;透射电子显微镜;虚拟仿真;实验教学改革

  大型仪器分析实验是一门对综合能力要求较高的应用型实验课程。该课程要求学生掌握大型分析仪器的原理、结构、操作方法及数据分析技巧[1]。由于实验过程更接近于实际分析工作,有利于学生仪器分析综合能力的培养,受到广大学生的欢迎。但是目前,大型仪器分析实验教学中存在着实验资源紧张、教学成本高、仪器内部构造不易观察、实验时间长等问题,严重影响了教学效果[2]。而虚拟仿真实验平台融合了专业知识理论体系和计算机模拟仿真实验技术,是传统实验教学的有效延伸和实践补充,已经被许多高校应用于专业的实验教学中,虽然取得了一定成果[3],但也凸显出一些弊端。因此我们迫切需要探索一种切实可行的大型仪器分析实验教学模式。

  1大型仪器分析实验教学的现状分析

  1.1传统大型仪器分析实验教学中存在的问题

  在大型仪器分析实验教学中会涉及大量价格昂贵的大型精密仪器设备,例如透射电子显微镜(TEM),这类仪器设备由于价格昂贵,学校采购数量少,且使用和维修维护成本较高。如果面对本科生开放使用,学生不规范的操作可能对仪器的灵敏度、精密度和稳定性等产生影响,降低其使用寿命,严重时会造成仪器损坏[4]。以上的诸多因素导致大多数高校无法开设大型仪器分析实验课程,即使开设了这类实验,也仅限于教师演示学生集体观摩,不利于学生的学习和综合能力的提升。

  另一方面,大型仪器设备多采用封闭式构造,且自动化程度较高,不利于学生对仪器工作原理的学习和操作技巧的掌握。一般的大型仪器分析实验教学分为原理介绍、仪器构造简介、实验准备、标准操作、数据获取与分析等环节,以透射电子显微镜为例,全过程需要3~6小时,而有些仪器甚至需要几天时间,这对于本科教学来说可操作性极低。

  因此,采用传统方式进行大型仪器分析实验教学受到诸多掣肘,无法顺利推行。

  1.2虚拟仿真技术在大型仪器分析实验教学中的应用

  虚拟仿真是一种计算机仿真技术,最初用于创建和体验虚拟世界。基于大型仪器的虚拟仿真系统一般包括计算机网络系统、虚拟仪器系统和数据分析系统,这正好能够帮助学生进行仪器原理、仪器结构、仪器操作和数据处理的系统性学习[5]。以透射电子显微镜的虚拟仿真实验为例,学生借助计算机和网络虚拟平台学习透射电镜的原理、仪器的基本构造、电镜进样及样品观察操作和TEM数据分析,整个过程不仅增加了实验成功率,同时大大缩短了实验时间,并通过与平台标准化操作和数据对比,对学生的操作进行评价和打分。因此,教育部大力支持虚拟仿真教学项目的建立,增加实验教学内容广度和深度,提升实验教学质量和水平。

  但是,透过虚拟仿真技术的光环,我们也发现了它的一些弊端。虚拟仿真平台展示的大型仪器往往与学校配套的真实设备存在构造和细节上的误差,并且一些仪器仿真平台制作上的缺陷导致操作起来十分不方便,而一些比较重要的操作由于设计起来难度太大而取消了;另一方面,由于是在仿真实验平台上操作,学生不担心大型仪器设备会出问题,所以细心度和耐心度都不够,不停点击“下一步”,一味地求快,学习效果大打折扣,这为虚拟仿真技术的应用埋下隐患[6]。

  2大型仪器分析实验中虚实结合教学模式的探索

  2.1大型仪器分析实验虚实结合教学模式的设计

  内蒙古大学化学化工学院大型仪器分析中心于2011年至今引入多台大型仪器设备,包括核磁共振波谱仪、X射线粉末衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、核磁共振光谱仪、同步热分析仪、比表面积及孔隙度分析仪、表面增强拉曼光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、气相色谱-质谱联用仪、液相色谱-质谱联用仪等,已经成为大型仪器分析实验的教学基地。并在2020年获批的教育部产学研育人项目“大型仪器原位表征系统虚拟仿真培训项目”的支持下与北京欧倍尔软件技术开发有限公司展开合作,将虚拟仿真技术引入大型分析仪器实验教学中,开展大型分析仪器虚拟仿真实验建设,以提高实验的教学质量。

  基于以上大型仪器分析条件,我们创新性地提出虚实结合的教学模式。所谓的“虚”,是指设计开发与我们的仪器匹配的大型仪器虚拟仿真培训平台,让学生通过平台学习仪器的原理、构造、基本操作、数据处理等基本知识。然后与“实”相结合,即学生分组进入大型仪器实验室,由教师对比平台的内容,将仪器的原理、结构、操作重难点等有针对性地讲解给学生,让学生将两种方式获得的知识进行叠加消化,提升学习效果。

  以透射电子显微镜实验为例,学生在虚拟仿真平台中获得的仪器原理与构造如图1a所示,平台的学习已经让学生对仪器有了初步认识,再通过实物学习(图1b),通过教师的针对性讲解,让学生对TEM的认识更加深刻。同时TEM结构中进样室是操作者密切接触的部分,但是在虚拟平台中是仪器自动进样,不需要学生参与,而真实情况下进样是TEM操作的难点,学生通过实物学习会切实体会到这一点。

  2.2大型仪器分析实验虚实结合教学模式的应用

  以透射电子显微镜实验为例,将全部实验分成线上和线下两部分。

  2.2.1线上教学——虚拟仿真实验平台

  透射电子显微镜实验的线上教学主要依赖合作开发的大型仪器虚拟仿真培训平台。学生通过学号登陆系统,选择“透射电子显微镜系统”,该系统采用交互式教学系统与方法,分为操作前、操作中和操作后三个部分,由原理模块、控件模块、透射电子显微镜基本操作模块、原位透射操作模块、数据处理分析模块、考核评价模块6大模块构成,具体的系统组成见图2中左图所示。该虚拟仿真系统是真实TEM仪器(美国FEITecnaiF20)的仿真模拟,可视化和模拟仿真程度极高,并且其操作步骤与真实实验高度相近,为学生的后续线下教学奠定良好的基础。

  相关期刊推荐:《大学化学》是由哈尔滨理工大学主管主办的。主要介绍化学科学的新发展,开展与教学有关的重大课题的研讨,交流教学改革经验。报道化学及其相关学科的新知识、新动向,介绍化学前沿领域的研究状况及今后展望,促进教师知识更新,扩大学生知识面,为提高教学水平服务。设有:今日化学、教学研究与改革、知识介绍、计算机与化学、化学实验、师生笔谈、自学之友、国外化学教育、化学史及书评等栏目。

  该线上教学部分设有考核环节,只有通过考核(>80分)才可以获得下一步的线下教学资格。为提高教学效果,原理模块、控件模块和操作模块都可以反复观看,数据处理模块如果结果评分不合格,可以申请重新学习和考核。

  2.2.2线下教学——实物仪器教学环节

  完成TEM线上教学和考核通过的同学获准参与实物教学,具体步骤如图2右图所示。在实验前,每位同学需要完成虚拟仿真平台中的TEM学习,并且考核成绩达到80分以上,方可获得线下学习资格。实验过程中,首先进行分组,平均每6个人为一小组,在指定预约时间前往大型仪器分析中心的透射电镜实验室。线下教学分成三个步骤:首先由任课教师对TEM的原理和构造进行实物讲解,加深学生的认识;然后突出讲授TEM操作环节中的重点和难点,由TEM专管教师亲自操作进样和拍照,并讲解操作标准规程和注意事项;最后由每一位同学独立完成TEM拍照实验。以上全部环节完成需要1.5~2小时。

  实验完成后,每一位同学会获得自己的样品照片,要求根据线上数据处理流程和教师的线下讲解完成TEM图片结果分析报告,并结合线上和线下全部实验过程撰写完整的实验报告。最后的TEM实验得分包括三部分:线上考核(30%)+线下操作(20%)+实验报告和数据处理(50%)。

  最后,线上和线下实验完成后,需要增加反馈环节,以进一步改进这种虚实结合的教学模式。反馈分为学生和教师两部分:(1)学生在实验操作结束后,需要在线提交对线下和线上实验的评价,包括对线上实验中软件的改进建议,以及对线下实验的反馈意见;(2)线上实验维护教师应该对实验过程中出现的问题以及学生的意见进行汇总,从而进行线上实验的改进和完善,同时线下实验教师通过学生的实验完成情况进行学生实验效果的反馈,并对线下实验的内容和过程进行调整,从而更好地配合线上实验,实现线上和线下的最好衔接。

  3结语

  内蒙古大学化学化工学院将虚拟仿真技术与大型仪器平台实现完美对接,为学生提供虚实(即线上和线下)两种实验课堂,不仅能够解决大型仪器分析实验教学中存在的实验资源紧张、教学成本高、理论与操作脱节等问题,而且可以创新教学模式、提高教学效率、提升学生兴趣、保障实验室安全,为创新型化工人才的培养提供助力。——论文作者:柴占丽*,白风华,张兵兵

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