本站原创摘 要 ：以扫描电子显微镜的理论教学为基础,总结不同学科的科研实例,综合运用多媒体、虚拟实验建设等手段形成可视化媒介平台,使不同用户在有限的时间内根据需要选择学习资源,不仅可以充分发挥大型精密仪器的使用功能和管理水平,而且对提高用户尤其是工科大学生的理论水平及实际操作、解析技能都将发挥积极的作用.
关 键 词 ：精密仪器；认知度；教学实践；可视化平台
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）14-0238-02
各种大型精密仪器的使用水平不仅能反映高校的科研能力,而且在不同层次学生的各种教学环节中也是重要的一环.目前,围绕大型精密仪器,针对不同学科门类,许多高校都开设了如《仪器分析》、《材料近代研究方法》、《材料测试新技术》、《现代材料测试技术》等理论课程及相应的实践教学环节[1-3].与其他专业学科的课程不同,仪器分析类课程涉及的基础知识范围广,每种分析技术和理论往往由包括机械、物理、信息、化学、自动化、材料等多学科知识综合而成[4]；涉及的教学方法多,仅仅通过基本原理的学习远远不够,在各种仪器分析课程中,一般都会分配一定的学时使学生通过实际操作进一步掌握相关原理和操作技能,以提高认知水平；涉及的技术更新快,如我们所熟知的摩尔定律所揭示的信息技术进程.伴随科学技术的飞速发展,当今各种大型精密仪器的换代速度无论是硬件还是软件比以往更快.因此,适应教育教学改革的发展,真正提高学生及其他用户对于大型精密仪器的认知度,是广大现代技术教育者及实验室技术人员必须面对的课题和任务.
如何更好地发挥大型精密仪器在实践教学领域的作用,让包括广大教师在内的不同用户尤其是学生能更深入地了解仪器的基本原理及功能作用,既透彻学会理论,又真正地运用于学习和研究实践中,这是我们在工作中一直致力解决的问题.通过对多年来从事大型精密仪器的教学、科研实际经验的总结,以理工类各学科应用较广泛的扫描电子显微镜/能谱仪为主题,我们提出并承担了利用多媒体技术优化拓展扫描电镜实践教学领域相关探索的实践教学改革项目.本研究以大型精密仪器为出发点,以拓展大型仪器的实践教学领域及真正提高大型仪器认知度为目的,力求对我校相关大型仪器类的理论和实践教学具有示范性作用,同时对完善实验室建设以及后续大型仪器的教学实践具有良好的促进作用.
一、研究背景及目的
作为较为贵重的大型分析测试仪器,扫描电镜对于我校化工、材料、生物食品、纺织、机械等各工科专业师生科研水平的提高起到了显著的促进作用,在实践教学领域,扫描电镜技术是各学院多门仪器分析测试类课程的主干内容,是本科生、研究生接触认识高精大型仪器的最主要手段之一.然而,电子显微镜是集物理学、自动化、电磁学、材料学等多学科诸多抽象概念的聚集体,研究对象多为微米及纳米级的微结构,电子光学、扫描、真空等几大系统结构复杂且看不到,样品制备方式、样品形态、形貌解析等环节也常由不同种类试样而存在差异,因此在教学及实践中增加了学生掌握知识的难度,并且由于单组上机人数较多等原因[5],很容易导致部分学生尤其是以往没有接触过扫描电镜课程的学生在认知上存在不足或错误的理解.因此,在近年来的理论及实践教学中,我们逐步将扫描电镜抽象的概念用动画、视频等多媒体手段加以演示及讲授,受到了师生的好评,实践证明,这种方法对于电镜基本知识的理论教学以及日常实验教学是有效的.然而在教学中也发现,这种方法在提高学生对扫描电镜认知的深度和广度上还远不够,例如,在表面改性研究中有关等离子体轰击试样表面形貌的认识,学生如果没有足够的知识积累,很难在一两次实验或测试中发现结构细节的变化,会直接影响实验结果的解析,诸如此类,使我们认识到作为现代技术教育者,有义务把以往测试样品的经验及数据进行科学总结,使后来者加以借鉴,真正提高测试的针对性及解析水平,一方面使学生通过学习真正认知（而不是简单认识）电子显微镜原理结构,更主要的是使他们真正学会利用电镜为科学研究服务.
二、研究目标及主要内容
本研究的主要目标是在以扫描电镜实践教学的相关过程为主线的项目主框架下,利用多媒体技术结合虚拟实验建设等手段,配合多年工作实践中逐渐积累的大量真实样品测试数据,通过制作包括动画、视频、虚拟实验环境、交互式操作界面等元素,建立交互式的可视化媒介平台.[5]主要内容包括：
1.利用调研、检索等方式广泛收集资料.完善的资料是完成本项目的前提条件,它应该包括数据资料、视频教学资料、仪器结构与原理的动画资料以及不同用户的需求和要求等等.考虑到各学科样品分析的侧重点不同,有以晶态材料测试为主的（如化工的分子筛研究、材料专业的陶瓷研究等）,有以形貌分析为主的（如机械模具的微观形态、食品和生物专业的动植物形态等）,有以元素分散性分析为主的（如无机/有机复合材料的物相分散性等）,根据我校相关学院专业对扫描电镜教学与实践的不同要求,通过咨询、问卷等方式向不同用户征集其在利用扫描电镜时的兴趣点,同时对已有实验数据和图像资料进行分门别类的筛选归纳,形成实验资料库.
2.经分析总结,形成项目的主框架.主框架是完成本项目的基础,它是由项目需要完成的各个分支有机结合而形成的,它明确了项目各个阶段需要完成的各个步骤及相互之间的关系.在建立主框架时,我们充分依据学校有关理论和实践教学大纲的要求,从有利于基础用户如本科生完成相关课程的角度,设置仪器原理与结构、典型样品测试方法等功能模块；同时,兼顾科学研究与社会服务的功能,以利于高级用户如研究生与教师开展高水平的研究,将离子束改性、溶胶凝胶薄膜、复合材料界面、多孔材料、生物形态等专题研究涉及的高级应用纳入平台的建设中,使不同用户在有限的时间内根据需要选择学习资源.
3.按照主框架的设计要求,制作完成各种功能模块,综合形成交互式媒介平台.功能模块是利用多媒体技术,将扫描电镜应用中涉及的各种理论知识、结构原理、样品解析等多种功能用文字、声音、影像等多种形式形象地展示出来.多媒体技术在提高仪器分析的教学水平中发挥着重要的作用[6,7],常用工具有PowerPoint、Authorware、Flash、VB及其他编程语言等[8],其中,可视化编程工具更易于在教学实践中应用.因此,我们借鉴前期工作经验,在本项目中主要利用VB可视化编程工具,把应用上述其他多媒体手段制作的可视化媒介综合在一起,编制成具有交互作用、功能多样的可视化媒介平台.该平台具有良好的包容性和延展性,基于这个平台,可以对已有的资源进行编辑取舍,也可以在后期对功能模块进行扩展,极大地提高了资源的综合利用效率,使用户在短时间内就可以按期望完成学习和检索功能.
三、项目完成的意义
结合本校的实际情况,将扫描电子显微镜等大型精密仪器通过可视化媒介平台的形式向外展示,不仅可以弥补教学资源的不足,也可以为理论教学及科研工作提供强有力的指导,对于促进提高大型仪器的实践教学和科普教育水平,拓展高精大型分析仪器实践教学领域,提升实验室建设水平等均有良好的意义.
实践表明,通过建设和利用可视化媒介平台,不仅可以增加学生主动学习的兴趣,使学生摆脱单纯的“做实验”,提高了理论和实践教学效果,也真正增强了学生利用扫描电镜进行试样分析测试和解析的能力,在深度和广度上提高了用户尤其是工科大学生对大型精密仪器的认知度.