苏守政，张宏森，王乐乐
摘 要：文章从应用型人才培养目标出发，以“现代分析测试技术”课程为载体，通过STEAM（集科学、技术、工程、艺术、数学多领域融合的综合教育）理念对教学内容进行改革探索；
从基础知识、专业技能、科研素养层面，通过科学性、技术性、工程性、艺术性等方面相互整合的综合性教学和考核评价方式，对学生的能力进行培养，帮助学生提升利用多种仪器协同分析测试的能力，培养其运用科学思维解决实际科研问题的科研素养，为培养“大国工匠”奠定基础。
关键词：实验教学；
教学改革；
“现代分析测试技术”课程；
STEAM理念
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2023）04-0026-03
“现代分析测试技术”是典型的应用型课程，在材料、化学、生物、制药等学科中具有重要地位，是从事材料制备、产品研发、生产工艺等相关工作应具备的知识。“现代分析测试技术”课程由理论教学和实践教学两部分组成，教学过程中理论和实践并重。理论知识需要通过实践活动才能被学生更好地消化吸收，课程开展的最终效果也是通过学生对现代分析测试技术应用的熟练度来反映。目前，“现代分析测试技术”课程中涉及的仪器分析方法已有十余种，但每种仪器的原理、结构、操作方法等完全不同，各自形成独立的知识体系，要熟练掌握每种仪器存在一定难度。此外，在教学过程中还存在诸多问题，如学生经常反映课程内容不易理解，学习兴趣不高，更达不到应用型人才培养的目的[1]。
STEAM理念教学原指一种融合了科学、技术、工程、艺术和数学的教育模式，通过跨学科、多层次应用的综合概念，将知识的获取和工具的使用，以及创新生产的过程有机地联系在一起，强调培养学生的综合素质和解决问题的能力[2]。文章借鉴STEAM理念教学的优势，提出了一种由科学性、技术性、工程性、艺术性等方面相互整合的综合性教学和考核评价方式，引入“现代分析测试技术”课程。科学性指知识体系构建的科学性；
技术性指基本技能的学习和掌握；
工程性指实际应用与分析；
艺术性指从“技术”到“艺术”的升华；
数学统计指多维考核评价体系。STEAM理念教学通过建立多层次的教学目标体系，以层层递进的方式使学生逐步理解和掌握现代分析测试技术，培养学生运用现代分析儀器解决实际科学问题的能力，为学生今后从事科学研究奠定良好的基础。
一、“现代分析测试技术”课程STEAM理念教学目标
“现代分析测试技术”是一门综合能力要求很高的应用型课程，要求学生掌握现代大型分析仪器的结构、原理、使用方法及分析技术。课程的特点是既注重理论知识，又有极强的实践性，旨在培养学生能够运用所学知识技能深度分析和解决材料分析相关问题的能力[3]。STEAM理念教学注重知识、技能的有机整合和科学素质的培养，倡导问题解决驱动的多维度整合学习，这与“现代分析测试技术”课程人才培养目标相契合。基于此，在“现代分析测试技术”课程中引入STEAM理念，从基础知识、专业技能、科研素养3个层面，层层递进，使学生不仅能够掌握仪器的基本理论知识和操作技能，还能将所学知识应用于实践活动，具有解决实际科研问题的科研素养（表1）。
二、“现代分析测试技术”课程STEAM理念教学设计
与一般理论课内容前后衔接、层层递进不同，“现代分析测试技术”课程是按照扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等仪器分章节讲解，每个章节都是独立成体系。每种仪器的理论基础不同，功能特性差异也很大，知识结构具有发散性，很难保证学生能掌握所有仪器的使用方法。此外，随着当前大型仪器逐渐取代传统玻璃仪器，现代分析测试技术在新材料研发和应用中的重要性进一步凸显。因此，如何培养学生学习和掌握常用分析测试设备，综合运用现代分析测试相关知识和分析技能解决实际科研问题，是当前“现代分析测试技术”课程教学设计的重要方向。
目前，“现代分析测试技术”课程还存在以下不足。
（1）现代分析测试仪器基本为集成化设计，工作原理、结构等方面的知识多采用示意图进行描述，学生对仪器结构的了解多停留在表面认识上；
（2）理论课和实验课课时比例不合理，学生动手时间太短，仅仅会基本的操作，无法熟练掌握；
（3）实验课内容过于单一，分析测试内容仅为几种展示型材料，与实际科研工作的需求出现断裂；
（4）大型仪器价格昂贵，套数较少，只能是多名学生共用一台，加之操作时间不足，学习效果不理想；
（5）一些仪器因为装置复杂、操作技术要求高、耗材贵等原因限制了对其的使用。
针对上述问题，基于“现代分析测试技术”课程STEAM理念教学基础知识、专业技能、科研素养3个层面的教学目标，从科学性、技术性、工程性、艺术性角度进行课程设计（表2），专项性对学生的能力进行培养，做到条理清晰、应用性强。首先，学生必须熟练掌握课程中仪器的基本理论知识和使用方法，这是课程学习的基础，涉及知识体系构建的科学性；
其次，教师指导学生能够利用多种仪器协同对热点材料或典型材料进行分析，深层次掌握多种仪器使用的同时使结果具有美观性，涉及技术性、工程性和艺术性；
最后，通过分析实验、科研实验、科学竞赛等方式培养学生运用科学思维解决实际科研问题的科研素养，提高学生的实践水平和综合能力，增强学生从事科研事业的信心。
以哈尔滨工程大学为例，在基础知识掌握层面，结合学校现有的仪器设备，根据材料类专业的培养目标要求，对课程内容进行整合优化，科学构建适合材料类专业本科生和硕士研究生的“现代仪器分析测试技术”课程的课程体系。教学内容按各种仪器分析方法的共性特点及材料分析领域应用情况，分为以下3个教学模块。（1）微区分析：扫描电子显微分析、透射电子显微分析、原子力显微分析；
（2）成分分析：X射线光电子能谱分析、电感耦合等离子体原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、离子色谱分析；
（3）结构分析：红外光谱分析、核磁共振波谱分析、气相色谱分析、液相色谱分析、质谱分析、X射线衍射分析。
授课方式可采用课堂教学、实验教学、线上慕课、虚拟仿真等多种方式来保证学生对各种设备的理解和掌握，并通过多方面的拓展，帮助学生构建健全完善的知识体系[4]。学生通过理论课和实验课的学习，理解扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等仪器的原理、结构并掌握基本操作方法；
利用线上慕课可以突破地域和时间的限制，更自由、更方便地开展学习，加深对所学知识的理解；
借助虚拟仿真软件模拟仪器的内部构造、实验室环境、操作步骤等，不仅能够使学生从外而内“解剖式”地了解仪器的结构，还能有效解决大型精密仪器不足、教学资源有限等问题。
专业技能提升层面，包含STEAM理念中的技术性、工程性和艺术性，即具有掌握专业技术、实际应用与分析、结果美观3个属性。课程设计选择热点材料或典型材料，如MXenes材料、MOFs类材料、石墨烯复合材料等，加强学生对扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱等仪器在实际科研领域应用的理解，培养学生能够根据不同材料、不同需求选择合适的仪器组合进行测试分析的能力。学生在面对未知材料时，能够利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其形貌和表面微结构进行分析，利用X射线衍射仪确定其物相组成，利用X射线光电子能谱等仪器表征成分的化学状态、综合分析材料的各种属性，并使结果具有美观性。
除此之外，教师还应注重在课程设计过程中增加现代仪器分析测试技术在科研中重要性的介绍，并将最新科研成果融入教学中，提升课程教学的质量。例如，2017年，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖颁发给Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson，表彰他们在“开发冷冻电子显微镜用于溶液中生物分子的高分辨率结构测定”方面的贡献[5]。冷冻电子显微镜的出现，使研究人员可以将从未见过的生物分子中间运动过程可视化，对生物化学基础研究和制药的发展至关重要。中科院上海应用物理研究所申淼和王建强研究团队在Angew. Chem. Int. Ed.上介绍了一种新型的熔融盐辅助电化学刻蚀方法，制备出官能团可调控的二维MXene材料[6]。刻蚀前后利用X射线衍射分析、高分辨率扫描透射电子显微分析、扫描电子显微分析、核磁共振波谱分析和X射线光电子能谱对物相进行表征，证明了目标物的成功合成。
科研素养培养层面，教师鼓励学生综合运用STEAM理念的科学性、技术性、工程性和艺术性解决实际科研问题，在实践中提高学生的科研素养。具体可通过设置分析实验和科研实验来增强学生运用科学思维分析测试的能力，加速知识从“学”到“用”的过程。教师还可采用竞赛制的实践能力培养模式，如定期开展“未知材料鉴定”“新材料成分分析与性能预测”“最美微观世界”等基于“现代分析测试技术”课程中设备应用的比赛，根据比赛的专业性选择有活力、有激情的年轻教师与学生共同设计参与[7]。在科研活动过程中践行STEAM理念，不仅能够锻炼学生的综合科研能力，还能培养学生尊重科学、独立思考、积极创新的科研素养。
三、“现代分析测试技术”课程STEAM理念教学考核评价体系
目前，“现代分析测试技术”课程考核方式主要以期末卷面考试+实验报告为主，兼顾课堂考勤、课堂互动、课后作业等。但由于实验报告成绩占比较少且普遍差距不大，平时成绩评分又流于形式，因此，学生学习的主要目标就是备考期末考试。“现代分析测试技术”作为一门理论与实践并重的课程，以“一考定成绩”的考核评价方式是不合理的。课程的核心目标是培养学生能够利用仪器解决实际科研中的问题，卷面考试很难覆盖所有的知识点和技术问题，全面性不足，存在明显的重理论、轻实践的倾向。此外，实验报告作为反映学生实验课表现的唯一指标，也存在一定弊端[8]。这种侧重卷面成绩的考核评价方式，严重影响了学生实践学习的积极性，不利于培养学生的综合能力。
为此，根据STEAM理念，按不同层面进行教学课程设计更具有科学性和公平性，有助于提高学生实践学习参与度和学习效果考核评价体系的客观性，即基础知识、专业技能、科研素养及附加分分别占比为40%、30%、20%和10%。基础知识层面，考查学生在课堂教学、实验教学、线上慕课、虚拟仿真教学中的学习情况，不仅包括对各种仪器理论知识的掌握程度的考核，还包括考勤、课堂参与度、课下沟通等学习态度的考核；
专业技能层面，考核学生对仪器的协同应用能力、综合结果分析能力、深度思考能力等，注重实践能力的考查；
科研素养层面，考查学生在分析实验、科研实验、科学竞赛等实践活动中完成任务的能力、运用科学思维解决问题的能力、团队沟通协作能力等；
附加分可以包括创新思维能力、组织领导能力、团队责任意识、安全规范意识等[9]。“现代分析测试技术”课程STEAM理念教学设计加大了实践内容的比重，更注重应用型人才的培养。
为提高“现代分析测试技术”课程的教学效果，文章提出了基于STEAM理念，从基础知识、专业技能、科研素养3个层面层层递进，理论与实践并重的教学模式。该模式注重知识体系构建的科学性、专业技能掌握和应用的技术性和工程性、结果的艺术性，并通过多维考核评价体系呈现，不仅有助于学生把所学仪器相关理论知识运用到分析测试实践中去，提升专业技能的应用能力，还可以通过多维实践活动充分理解理论知识，增强学习的兴趣和热情，对于进一步提高材料类学科应用型人才的培养质量，满足国家、社会和用人单位的需求具有重要的意义。
参考文献：
[1] 艾云龙，郭正华，邓翠贞，等.基于工程应用与创新能力培养，构建现代分析测试技术研究生“专业实践”教学体系[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2018，32（1）：104.
[2] 張雪，苗凤华.“中体西用”在数学教育现代化背景下的现实意义：以STEAM课程为例[J].科学大众（科学教育），2018（7）：160.
[3] 苏逸航，宁卫红，李亿保.《现代分析测试技术》课程研究性教学探索[J].江西化工，2019（4）：215.
[4] 陈娟，樊红樱，魏文娴，等.分析测试技术课程线上线下混合教学模式探讨[J].武汉轻工大学学报，2021，40（6）：103.
[5] The Nobel Prize[EB/OL].（2018-12-11）[2022-05-01]. https：//www.nobelprize.org/prizes/literature/.
[6] SHEN M， JIANG W Y， LIANG K， et al. One-Pot Green Process to Synthesize MXene with Controllable Surface Terminations using Molten Salts[J]. Angewandte Chemie-International Edition，2021，60（52）：27013-27018.
[7] 陈君.师范类院校仪器分析实验教学的常见问题分析及教学改革建议[J].西南师范大学学报（自然科学版），2018，43（9）：161.
[8] 牛亏环.大学生学习过程评价初探[J].高教发展与评估，2015，31（4）：6.
[9] 赖颖.“新能源汽车技术”课程考核过程多维性评价体系构建[J].南方农机，2021，52（16）：183.
编辑∕丁俊玲
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