許桂雯 張鳳霞 武紅磊

[摘 要] 隨著創(chuàng)新型、應用型、復合型人才培養(yǎng)的需求，以及實驗類“金課”新標準的提出，高校大型儀器的開放共享與實驗教學改革越來越受到關注。依托高校大型儀器公共服務平臺資源，提出了基于真實情境與案例的探究式教學創(chuàng)新方法。該教學方法在真實案例素材庫的基礎上，創(chuàng)建了浸入式案例教學課堂+小組協(xié)作式探究性實驗教學模式。教學實踐表明，該方法能有效激發(fā)學生的學習興趣與內(nèi)驅(qū)力，煥發(fā)課堂活力，使學生的科學實驗思維及綜合應用能力都獲得有效訓練。

[關鍵詞] 大型儀器設備;實踐教學;真實案例;探究式

[基金項目] 2019年度教育部光電專業(yè)一流實驗課程體系建設（gdyljs35）;2020年度廣東省教育廳光電學科基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的工程類數(shù)學課程教學改革研究

[作者簡介] 許桂雯（1979—），女，廣東普寧人，碩士，深圳大學光電教學實驗中心實驗師，主要從事大型儀器共享平臺的教研與管理及顯微分析技術研究;張鳳霞（1963—），女，河北新河人，碩士，深圳大學物理與光電工程學院副教授，主要從事教育教學研究;武紅磊（1981—），男，河南駐馬店人，博士，深圳大學物理與光電工程學院副院長，副教授，博士生導師（通信作者），主要從事半導體光電材料與器件研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）49-0069-05 ? ?[收稿日期] 2021-04-30

隨著國家經(jīng)濟實力的增長，企業(yè)科技的快速發(fā)展，社會對人才的要求越來越高。同時，要求我們尋求新的思路，改革實驗課堂教學，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型、復合型的優(yōu)秀人才。提高大型儀器的實踐教學水平，以及有效提高學生對大型精密儀器的綜合應用能力，是廣大現(xiàn)代技術教育者及實驗室技術人員當前面對的新課題和任務。作為高校的大型儀器共享平臺，深圳大學物理與光電工程學院的大型精密儀器在科研生產(chǎn)領域發(fā)揮重要作用的同時，如何更好地發(fā)揮大型儀器在人才培養(yǎng)的功能，助力打造大學本科實驗教學中具有一定高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”[1]，是我們近幾年一直在探索的課題。

目前，大型儀器在高校實驗教學中普遍采用的教學方式仍是傳統(tǒng)演示性教學，以及按部就班的既定實驗。為改善課堂效果，部分高校提出了參與教師個人科研項目教學法、參加開放性實驗室技術培訓[2]、引入大學基礎實驗中的大型儀器教學[3]等教學方式。現(xiàn)在常見的教學方法均存在一些教學困境，如，在接受式實驗教學下，學生學習興趣調(diào)動效果不佳，理論知識不易轉(zhuǎn)化為應用技能;在實訓式教學下，學生僅獲得操作技術層次的培訓，不能顧及科學實驗綜合思維能力的訓練等。當下人才培養(yǎng)不應局限于對技術知識的灌輸，應更重視其綜合思維能力與學習能力的培養(yǎng)，這就要求我們必須尋求新的思路，改革傳統(tǒng)實驗課堂教學，點燃學生的學習熱情，使學生的知識技能與科學思維能力同時獲得有效提高。在我們多年教學觀察的基礎上，依托學院大型儀器公共服務平臺的資源，我們提出了基于情境與案例的探究式教學創(chuàng)新方法。該教學方法主要包括浸入式案例教學課堂+小組協(xié)作式探究性實驗教學模式，以及一個配套的教學案例庫。

一、大型儀器實驗教學改革理論基礎

（一）學習動機理論基礎

在課堂教學中，學生是學習的主體，教師則作為引導者，具有引領與充分激發(fā)其自主學習的作用，而提高學生學習效果的根本在于學習內(nèi)驅(qū)力的提高。研究者認為，學習動機產(chǎn)生的一個重要主導原因是真實情境[4]。從學習動機的形成理論出發(fā)，為了最大化地激發(fā)學習者自我學習意識與主動性，提高學習的有效性，我們應盡可能地還原知識應用的真實場景，使學生有機會在應用中把學與用相結(jié)合，像專家一樣進行思考和實踐。有研究表明，情景模擬教學法也能有效提高學生的自主學習能力，幫助學生樹立終身學習的觀念[5]。

我們在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，在大型儀器實驗教學中引入真實的案例模擬情景，可以使學生在角色代入的浸入情境中學習，能有效激發(fā)學生的學習動機。學生在仿真情境中，課堂更具開放性，使學生有機會獲得豐富有效的實踐訓練。實施真實情境教學的前提是構建一個真實案例平臺，給學生提供浸入式學習的教學環(huán)境，我院大型儀器共享平臺作為深圳市最早提供對外開放的高校大型儀器分析測試平臺，從2002年至今，已積累了大量分析儀器應用案例，以及面向科研單位與企業(yè)的服務案例與素材。同時，利用平臺真實案例資源臺進行真實情景教學，大大提高了課堂教學的趣味性、實踐性與互動性。由于實驗探索的內(nèi)容與實驗方案是根據(jù)學生的興趣主導設計與實施的，很容易使學生實現(xiàn)從“要我學”到“我要學”的學習動機轉(zhuǎn)換。

（二）學習方式對學習留存率的影響

諾爾斯（M. S. Knowles）的研究表明，隨著個體的不斷成熟，其學習動機越來越與“社會角色任務”的需求相關，學習目的越來越與解決問題關聯(lián)[5]。美國教育學家艾德格·戴爾（Edgar Dale）提出的“學習效率金字塔模型”[6]中也指出，以傳授/教別人、實踐、討論為主的主動學習方式，其學習內(nèi)容平均存留率會遠大于以純演示、視聽、閱讀、聽講為主的被動學習方式。因此，我們在課堂教學方式設計中，采取了浸入式案例教學課堂+小組協(xié)作式探究性實驗教學模式的設計，以雙向互動的主動學習方式為主要的課堂活動，盡可能地把課堂教學由被動學習方式轉(zhuǎn)化為主動學習行為。實驗教學過程建立在案例庫和真實場景的基礎上，在課堂中把涉及的知識點嵌入待解決的問題項目中，與學生的“模擬社會角色任務”掛鉤。學生在開放式的課堂教學過程中，需充分發(fā)揮其獨立思考能力、邏輯分析能力才能完成教師拋出的競標式挑戰(zhàn)性任務，使其創(chuàng)新思維、競爭意識與合作意識等方面能同時獲得充分的激發(fā)與訓練。

二、大型儀器實驗教學改革方案設計與實施

我們將物理與光電工程學院大型儀器作為實驗教學改革的切入點，探索并設計了基于真實案例與應用場景的探究式實驗教學方案，從案例庫建設、實驗課堂教學方案設計、考核方式三個方面，對大型儀器實驗課程教學方式進行了系統(tǒng)性改革。

（一）以大型儀器共享平臺及科研項目為依托的案例庫建設

真實場景下的案例教學法需要將真實案例作為依托。由于學生和教師在日常生活中有機會接觸到的實驗樣本有限，為使教學更加有效，教師在教學過程中必須為學生提前提供充足的典型真實案例，因此，建立一個豐富的案例庫是十分有必要的。在建設案例庫時主要考慮以下因素。

1.案例素材兼顧客觀真實性與教學目的性，滿足教學的需要?？陀^真實性是案例的重要特征，我們的樣品案例來源于十年來積累的真實大型儀器分析項目，包括豐富的企業(yè)案例、高?？蒲邪咐?、往屆學生創(chuàng)新探索研究項目案例等。案例樣品的真實性可以很好地幫助我們實現(xiàn)真實情境下的案例教學實踐。同時，所篩選的案例素材應具有代表性，盡可能覆蓋所需要掌握的儀器知識和測試技術要點。例如，把比較具有代表性的某企業(yè)委托的“LED芯片失效分析”項目及樣本等作為案例庫之一。這樣企業(yè)或科研單位遇到的問題，就成為探究實驗中學生可以利用大型儀器來分析解決的問題。利用維度豐富的真實樣本案例，可以為教與學的自由度、開放度提供足夠的支撐。

2.案例庫素材和探究問題的篩選與更新，應緊貼當下生活與科技熱點及學生的興趣。興趣是最好的老師，只有引發(fā)學生探究興趣的命題，才能更好地激發(fā)學生探究的內(nèi)驅(qū)力。案例教學庫每學期會不斷吸收新的案例素材，及時跟進科研及科技社會關注熱點，將與當下生活和科技熱點相關的問題，以及學生關注的問題導入案例庫中。例如，大學生日常喜歡購買的幾種品牌口紅是否鉛超標、不同品牌手機顯示屏像素的對比實測等，可以將這些問題吸收入現(xiàn)代分析測試技術案例庫的學生自擬探究命題中。

3.案例庫素材應具有較強的開放性與綜合性，對提出與解決問題的思路具有較好的啟發(fā)性。案例樣品庫素材來源于真實問題的解決分析需求，在課堂討論和探究實驗環(huán)節(jié)，需要學生靈活選擇實驗室中合適的儀器設備和表征技術進行表征處理，并分析結(jié)果。與傳統(tǒng)既定實驗不同的是，這是一個開放性的問題探究過程，沒有標準答案，因此，比一般的舉例教學內(nèi)涵豐富，更具備實踐意義和挑戰(zhàn)性。學生不僅需要具備基本的理論知識，還需要探索、甄別信息，提出解決方案，并通過邏輯分析推理得出自己的結(jié)論。這個思維訓練過程對于培養(yǎng)學生的獨立思考能力與科學實驗思維是有必要的。

（二）浸入式案例教學課堂+小組協(xié)作式探究性實驗教學新模式

傳統(tǒng)的實驗課流程是“理論講解—實驗演示—既定實驗操作”，在這種模式下，除了少數(shù)較有學習興趣及良好習慣的學生以外，大部分學生的課堂狀態(tài)較為被動靜默，甚至有少數(shù)學生持“抱大腿”“混課堂”心理。在這種模式下，學生的學習往往僅停留在應付考試的膚淺記憶學習，不能獲得更深層次的科學探究實驗思維訓練。為促使學生通過主動學習的方式進行學習，以內(nèi)驅(qū)力激發(fā)學生的學習興趣，提升其科學思維與實驗綜合能力，我們在案例庫和真實場景素材的基礎上進行了角色代換的浸入式教學課堂+小組協(xié)作式探究性案例實驗教學模式的設計，使主動學習方式作為課程的主要形式。課程設計流程如圖1所示。

1.角色浸入式教學課堂。角色浸入式教學課堂是實驗操作環(huán)節(jié)的導入課堂，其作用是將前期理論課堂教學及自學環(huán)節(jié)中吸收的知識轉(zhuǎn)化為自身知識的一個復習反芻消化與理解梳理環(huán)節(jié)，并為下一步的“理論—實踐”環(huán)節(jié)提供準備。

為使情景模擬教學更具現(xiàn)實意義，學生更能設身處地地思考，我們把學生將來可能會涉及的職業(yè)角色融入情景模擬中。依據(jù)大型儀器需要掌握的幾大核心知識模塊，包括儀器的基本原理、主要硬件及系統(tǒng)構成、主要技術指標與應用領域等，設計了幾大模擬場景的浸入式教學。其主要包括市場銷售與招標采購場景、DIY工程設計場景、售后技術支持場景等，其中科學研究場景放在探究式實驗課程環(huán)節(jié)開展。學生3～4人為一組，每組代表一個品牌公司團隊，需要在每個場景環(huán)節(jié)中參與業(yè)績競賽，并由團隊合作的形式參加探究式實驗。

在情景模擬中，教師作為采購甲方角色，需要根據(jù)不同場景環(huán)節(jié)有技巧、有引導性地依次拋出關鍵問題，學生輪次代入不同的乙方角色——市場銷售、研發(fā)工程師、應用工程師，進行小組內(nèi)部討論和現(xiàn)場競標、競賽、演講競答。由教師累計個人積分，并將個人積分計入小組積分。從課堂教學觀察中，我們發(fā)現(xiàn)這種“角色代入+團隊合作+適當競爭”的方式容易喚起學生的興趣，可以非常有效地調(diào)動大部分學生的積極性。較之于個人搶答，以小組團隊協(xié)助的形式參與競答積分，其集體榮譽感更能激發(fā)大多數(shù)學生的主動參與響應度，減少傳統(tǒng)課堂上學生的害羞或畏難的被動情緒。在遇到具有一定挑戰(zhàn)性的問題時，還可以通過團隊討論進行困難分解以攻克問題，同時，學生可以在小組內(nèi)討論獲得更多角度思維火花的碰撞。

在浸入式案例教學課堂中，我們尤其鼓勵學生以代入角色的思維方式對問題進行思考。例如，對于“掃描電鏡DIY設計工程師”角色，我們提出“競標成功后，作為研發(fā)設計工程師，你需要設計、采購與集成哪些硬件部件和軟件系統(tǒng)，給我們組裝成功一臺掃描電鏡？”的問題后，學生需按照工程師的思路梳理有關電鏡硬件知識，言之有理、表述得當即可獲得個人和團隊積分，打破了過去填空式答題的束縛思維模式。

2.探究性實驗環(huán)節(jié)。探究性實驗環(huán)節(jié)是一個從理論到實踐、把學與用相結(jié)合的綜合應用過程。在該過程中，小組成員需要分工合作、搜集資料、討論并探索立項目的、學習并獨立操作儀器、分析處理數(shù)據(jù)，以及撰寫實驗報告。學生可以從案例庫的樣本中選取感興趣的樣品，也可以通過自行采集樣品，小組討論實驗目的，進行實驗設計，以驗證、探索猜想。

相對于參與教師科研項目的方式，這種教學方式的優(yōu)點是開放性強。除了實現(xiàn)大型儀器大班教學以外，一方面學生可以提出自己的研究興趣點，選取與自己生活領域相關的選題，這既加強了學生的獨立思考、尋求創(chuàng)新點的思維訓練，又與學生本人興趣點相關，易于燃起學生探索求知的內(nèi)驅(qū)力，這是學生參與教師項目未必可達到的效果。另一方面，由每組學生自行提出研究內(nèi)容和實驗方案，其樣本種類和研究角度都是獨一無二、各具特色的，其豐富度比既定實驗或參與教師科研項目提高很多。此外，學生的實驗驗證猜想與小組實驗結(jié)果分析匯報過程，又是一個很好的思維拓展、互相學習的信息迭代過程，這是其他教學方式不容易實現(xiàn)的。需要注意的是，由于本科生未接受過系統(tǒng)的科研訓練，在學生提出實驗猜想時，教師可以根據(jù)案例庫素材提供適當?shù)闹笇Аl(fā)，使學生學會尋找探索點與創(chuàng)新點，從不同的觀察視角入手擬定自己的命題，學會建立科研實驗思維。其中，學生日常不易接觸到的樣品實物，均可從教學案例庫中選取使用。

（三）過程性考核評估機制的設計

傳統(tǒng)的評價機制重點關注學習結(jié)果，主要考核學習者對事實知識的回憶。其主要問題是所學無法轉(zhuǎn)化為所用，容易造成學生考完即忘、學完即丟的現(xiàn)象，也不便于評估學習者在學習過程中表現(xiàn)的實驗思維與綜合能力。為解決這些問題，我們采取了過程性考核機制，以配套本課程設計，考查學生在各個環(huán)節(jié)的學習效果。

我們設計的過程性考核方案包括預習、理論學習作業(yè)，浸入式課堂表現(xiàn)，探究式實驗操作考核，實驗研究報告，期末成績五大模塊，各部分考核點與分數(shù)占比評定分布如表1所示。

過程性考核方案的優(yōu)點是，除了考核學生對知識要點的掌握程度以外，教師還能更系統(tǒng)地對學生的學習積極性、理解水平、思維品質(zhì)、綜合動手能力、科研思維能力、團隊協(xié)作能力等各維度進行全面學習效果的評估。

三、教學改革效果探討與展望

從2018年開始，該教學方法在“現(xiàn)代分析測試技術”“微觀察與攝影課”課程上進行嘗試，并根據(jù)教學效果和反饋不斷改進優(yōu)化。從實驗教學改革效果來看，與改革前的演示性及驗證性實驗教學方法相比，浸入式案例情境教學課堂氣氛活躍，學生課堂專注度及參與度極高。2020年秋季的“現(xiàn)代分析測試技術”教學數(shù)據(jù)顯示，從學生主動舉手回答問題的人數(shù)占比來看，由普通課堂的10%提高到94.1%，其中個人搶答次數(shù)5次以上的約為總?cè)藬?shù)的35.3%。從學生作業(yè)來看，全班51名學生分為16個團隊，共提交了20份自擬題科學探究實驗項目報告，如《OLED與LCD屏幕工作原理與各類型優(yōu)劣》《探究醫(yī)用與海綿口罩的孔徑大小與防護用途差異》《探究乒乓球膠皮表面及海綿使用前后變化》等。與過去的傳統(tǒng)實驗報告相比，學生的作業(yè)質(zhì)量更是明顯提高。各小組學生不僅僅達到了實驗記錄與分析的最基本實驗素養(yǎng)要求，最后還完成了各具特色和創(chuàng)意，且具有一定深度和科普傳播意義的科學探究報告。

實驗課堂教學受到全體學生的一致歡迎，學生在教學測評中評價：“分組合作挺nice！”“授課方式是所選修的課程中唯一采取充分互動的方式，尤其因為有搶答環(huán)節(jié)，這是我這學期唯一一門上課時掌握了超多知識的課?！薄罢娴陌褜嶒炚n上得很生動、有趣呢！”尤其重要的是，通過這種方式，可以使學生所學的抽象理論知識和技術有了實際應用的場所，實現(xiàn)學到用的轉(zhuǎn)化，大大提高了學生的學習內(nèi)驅(qū)力與有效性。在團隊協(xié)作的探究性實驗過程及競標式的角色浸入課堂中，學生的科學實驗思維、工程師思維獲得充分調(diào)動，競爭意識和團隊協(xié)作意識獲得充分激發(fā)，語言表達能力、文字表達能力也有機會得到充分訓練。這些是我們本次實驗教改希望達到的教學效果，同時也符合當下“金課”建設的方向與標準。

在2018年全國高等學校本科教育工作會議中，教育部高等教育司司長吳巖指出了建設中國“金課”的“兩性一度”標準：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。而社會的發(fā)展更是對培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才提出了更高的要求，希望學生在學習中能鏈接前沿知識與當下熱點，并能學以致用。作為窗口城市的高校實驗教學團隊，我們應當在實驗教學改革中積極探索、打磨課程，打造更符合時代要求的創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式。

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Innovation of Large-scale Instrument Experimentation Teaching in Colleges and Universities Based on Situation and Case

XU Gui-wen， ZHANG Feng-xia， WU Hong-lei

（Photoelectric Teaching Experiment Center， College of Physics and Optoelectronic Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060， China）

Abstract： With the demand for cultivating innovative， applied and compound talents increasing and the setting of the new standard of “Golden Course” in experimentation teaching， the opening and sharing of large-scale instruments and equipment and experimental teaching reform in colleges and universities have attracted more and more attention. Relying on the resources from the public service platforms of large-scale instruments and equipment in colleges and universities， this paper puts forward an innovative method of inquiry teaching based on real situations and cases. On the basis of the real case materials library， this teaching method has been used to create a teaching mode combining immersion case teaching class with group collaborative exploratory experiment. Teaching practice shows that the method can effectively stimulate students’ interest in learning and internal driving force and develop classroom vitality， so that students’ scientific experimental thinking and comprehensive ability are effectively trained.

Key words： large-scale instruments and equipment; practice teaching; real cases; inquiry

3573501908213