“仪器分析-单晶衍射”课程的新教学模式.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023“仪器分析-单晶衍射”课程的新教学模式罗代兵1,马代川1,朱志昂2,李新胜3(1.四川大学 分析测试中心,四川 成都 610064;2.南开大学 化学学院,天津 300071;3.四川大学 计算机学院,四川 成都 610064)摘 要:为提高学生的认知水平和实践能力,促进理论和实验教学的紧密结合,针对四川大学分析测试中心面向研究生开设的“仪器分析”课程中的晶体衍射教学部分,论述了课程创新建设的必要性。随着科技发展和科研水平的提升,原先课程的部分内容和授课方式已落后于时代,为克服当前该课程体系的不足,达到与时俱进的教学目的,提出了“教、学、做”一体化教学模式的实施方案。关键词:教学模式;单晶衍射;实验教学中图分类号:G423.07 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.018New teaching mode for single crystalline diffraction of instrumental analysis courseLUO Daibing1,MA Daichuan1,ZHU Zhiang2,LI Xinsheng3(1.Analytical&Testing Center,Sichuan University,Chengdu 610064,China;2.College of Chem-istry,Nankai University,Tianjin 300071,China;3.College of Computer Science,Sichuan Universi-ty,Chengdu 610064,China)Abstract:The necessary of the innovation for the graduate curriculum of single crystalline diffraction in instrumental analysis is stated in this manuscript.The new curriculum is carried out in order to im-prove the cognitive level and practical skills,and boost the connection between theory and experimental teaching course.Along with the technological development and research level improvement,some con-tents and teaching forms are behind the time.Hence the teaching reform is proposed to satisfy the cur-rent requirement.The scheme of“teaching,learning,and doing”to improve the teaching model and textbook is proposed to address some limitations of the previous curriculum.Key words:teaching mode;single-crystal diffraction;experimental teaching 收稿日期:2021-06-23 修改日期:2022-07-21作者简介:罗代兵,博士,副研究员,研究方向为物质结构分析。E-mail:luodb 通讯作者:李新胜,博士,副教授,研究方向为计算机图形识别。E-mail:lixinsheng 基金项目:四川大学实验技术 项目(项目编 号:SCU201204;SCU201207);四川大学 2020 年度基础培育基金(项目编号:20826041C4202)。高校的课程建设是深化教育教学改革、全面推进素质教育、培养创新人才的重要保证 1-2。四川大学分析测试中心是校内最大的仪器测试机构和人才培养基地,针对众多院系的研究生开设了一系列的理论和实验课程,旨在培养学生综合运用理论知识分析仪器测试数据的能力 3。课程大部分由该中心的一线测试岗位教师来讲授,以课堂理论教学为主,并兼顾实验教学。如何组织、实施一个完善的课程体系,对于实现教学目标至关重要 4。在传统的仪器分析教学模式下,理论课与实验课衔接不够紧密,流于形式的内容较多,浪费了部分宝贵的课时,使学生难以准确理解教学内容,动手能力也有所欠缺。为了更好地适应教育需求的变化,并照顾到学生认知能力和科研水平的差异,高校“仪器分析”课程的理论和实验教学也在积极探索更有效的教学模式5-6。以四川大学分析测试中心开设的“仪器分析-晶体衍射结构分析”课程为例,全年共计理论课 12 学时,实验课 4 学时。通过课程学习,使学生掌握晶体结构的基本概念,了解仪器的基本性能和晶体结构解析的基本流程,掌握基础理论知识和数据图形化的表达形式。配套实验课的目的,在于帮助学生加深对理论课程的理解,对仪器分析有感性认知,培养基本的操作能力和数据分析技能。近年来,随着学科的发展和技术的进步,研究生在科研活动中接触到晶体制备、数据分析、结构作图、结构-性能分析等要求日益增长,晶体数据在科研成果中的要求越来越高,这对相关课程教学提出了更高要求。此外,作者在多年的教学活动中发现,学生在学习的过程中,对晶体样品的测试方法和结构分析仍存在较多困惑,对很多要点缺乏基础性了解,部分教学内容与技术发展脱节,严重制约了相关学科的学习和科研活动的深入开展。在以往的仪器分析教学中,分析测试中心自行编写了“仪器分析”讲义,纲举目张、简明扼要,对仪器教学有很好的指导意义,但也存在一定的局限性。该讲义对于一些新的仪器还未有介绍,对于仪器涉及的前沿研究和案例还鲜有涉及,在启发学生创意方面有所欠缺。就其中关于 X 射线晶体衍射内容来讲,理论课的学习主要以讲授为主,而实验课程由于场地所限,学生主要以观摩为主,这必然会影响学生学习兴趣和教学效果,不利于学生对晶体学和仪器操作知识的理解7。另外,随着时代的发展,大型仪器的不断更新,软件的升级,原先的一些课件和使用的教材需紧跟时代步伐,及时弥补不足。因此,从科技进步的角度来说,亦有必要对课堂教学内容和教学模式进行更新,辅以相关的教材建设,为提升课堂教学质量服务8。新的教学模式将考虑如何通过更新课程内容、授课方式和教材内容,来提升学生的认知水平,深化对课程内容的理解,强化思考和动手能力。为此,课程体系以开发“教、学、做”一体化的教学模式为目的,以科研需求为出发点,以大量的测试案例为基石,以新的仪器技术为切入点,尝试在有限的课时内打造面向实践的教学环境9-10。不同于面向创新创业为目的的工科实践教学体系改革,我们以服务学校的科研为己任,以培养学生的科研能力为主要目标,使学生能够以仪器技能为工具,提升科研水平。随着仪器技术的更新换代和移动终端的大量普及,为课程建设和教材更新提供了优质的教学平台和实施条件。作者在课堂教学和仪器分析实践活动中,通过学生的课堂反馈和海量的测试数据,有效掌握了学生存在的疑难之处和困惑点,梳理了暴露的重要问题。通过将各个新的要素以新的展现形式引入到课程体系和教材中,可有效解决学生对基础知识掌握不牢,对测试要点不得要领,面对大量测试数据无从分析的尴尬局面。新的课程以多种表现方法为基础,通过教学、互动、实验等方式,让学生掌握并选择合理的解决问题的方法,构建以学科核心素养培育为导向的实践教学体系。1 存在的主要问题1.1 概念高度抽象很多刚步入研究生学习阶段的学生对单晶衍射领域的认知相对欠缺。很多课堂内容和实验操作对学生来说既新鲜又具有挑战性。单晶结构和 X 射线衍射的一些基本概念,例如晶系、晶格参数、空间群、对称操作、无序现象、孪晶、晶面衍射等概念,高度抽象化,较难理解。过去的传统教学一般是介绍数学公式、基本原理、简单图形展示等,在有限的课时内很难输出浅显易懂的教学内容。1.2 数据自行分析和图像化输出的困扰与其他仪器给出的数据或图谱不同,单晶衍射分析给出的深层次结构和动态效果,需要学生自行进行深入分析。个别结构重点,如原子、键长、键角、二面角、扭角、孔隙等,需用特定的软件来表现。然而,每个学生的研究领域不同,对结构中所关注的要点也不同。一些关键参数,如 flack 参数、孔隙率、堆积状态、弱相互作用、拓扑结构等,在普通的数据和结构图中不会表现出来。学生对这些概念涉及的问题很难自行分析,也不知道该如何用图形图像表现自己所需的关键内容。1.3 教学内容与技术发展脱节课本和课堂讲授内容相对于技术发展有一定的滞后性。很多前沿的科研成果、技术手段、新型结构相比教材讲授的内容已超前了十余年,例如探测器技术、光源技术、结构分析手段、结构构筑、晶体的应用领域等。如何选择部分重要内容更新到课堂和教材中来,是一个值得认真思考的问题。1.4 实验条件的局限性受场地、时间等因素限制,有限的实验课时内无法保证学生有效地把握课程的核心内容。学生参与度不高,在学习过程中流于形式,收获有限。如何巧妙地设计实验课的结构内容和方法,从而兼顾不同能力水平的学生,确保他们掌握基本的实验技能,并47 罗代兵,等:“仪器分析-单晶衍射”课程的新教学模式与理论课程有机结合起来,是实验课程的难点之一。2 方法与措施2.1 教学方法与教材更新结合学生的专业背景,在课堂、实验等环节引导和鼓励学生通过多种方法和渠道获取知识和技能。在教材中更新相关内容,教材以纸质为主,多媒体为辅,充分利用当前网络平台和移动终端的普及性和便利性。同时,积极引入外文版教材和文献的部分重要内容。在此基础上,对教学模式进行改进,丰富教学内容。一是多采用概念可视化表达方式,二是开放性实验设计,实现理论课程和实验课程的紧密衔接。作者结合以往课堂上学生较难理解的部分,在讲授过程和教材中设计、制作和改进部分内容和课件。例如,采用二维平面的空间群来引申三维的空间群,通过降维讲解的形式,使得学生加深对空间群这个概念的理解;对当前的研究热点,如光子晶体的合成与性能,做了扩展讲解,激发学生对晶体材料科学的兴趣;对 DNA 分子形成的奇妙晶体结构,采用多媒体的形式来展示,使得课堂生动有趣。同时,结合仪器测试中获得的海量测试数据,将接触到的各种晶体结构,选择典型代表,做具体的案例分析。在实验课上,鼓励学生结合本课题组的研究,设计简单的晶体合成与测试实验,并尝试解读测试数据。新课程体系的实施,有助于提升学生的理解能力,解决诸多抽象概念形成的困扰,并结合学科特点做相应的区分学习。根据学生反馈的难点,课程拟聚焦一些重点内容做改进讲解。2.2 教学难点梳理和分析2.2.1 对晶体结构无序现象的深入理解晶体结构中,大约 20%以上的晶体结构存在各种无序现象。无序结构的形式千差万别,由于课时限制,在课堂上只能选择少量案例来讲述,并简要地介绍其对整体构型的影响:例如分子手性的差异及变化,溶剂分子的游动和转动,药物分子或催化剂活性位点的变化。对无序现象的认识,需对晶体中原子位置形成动态认知。相对于前期采用的静态展示图,现在采用新的教案演示,可以生动展示晶体结构中原子位置的动态变化和整个分子骨架的形态变化,从而对无序现象形成感性直观的认识。2.2.2 分子间相互作用和空间结构的直观表达学生在科研活动中对晶体中分子之间相互作用关注较多。晶体结构中有许多由这些相互作用堆积而成的独特空间结构,对于很多完全没有学习过晶体结构概念的学生来讲,正确理解这些三维结构在空间中的形成,是教学中的重点和难点。构成晶体结构的分子间相互作用包括氢键,芳香环之间的-堆积作用与分子间范德华力。前两者有比较明确的方向性,而后者没有方向性。晶体结构除了海量的数据之外,还有多种形式的结构图。按照图形表达方式分类,包括线型、球棍、椭球、空间填充、多面体等图形。不同的图形表达不同的重点,例如相互作用关系、电子云密度、配位形式、空间扭曲、无序等。改进和引入新的教案,多采用基于多媒体的表现形式,可对这些图形表达做进一步的立体展示,并简要介绍各个软件的优缺点和适用范围,有助于加强学生对软件和晶体空间结构的理解。2.2.3 仪器运行原理的直观展示近年来,大量新原理和新的核心部件被用在新一代的分析仪器上,这对教学人员提出了新的要求,督促其将测试技术的前沿知识及时更新,并加入到课堂讲授中。此外,随着智能手机和平板电脑的普及,仪器工作原理可通过视频或 app 来充分地展示。据作者所知,已有一些科普短视频对原子光谱、拉曼光谱、红外光谱、质谱、核磁共振、XRD 等仪器的工作原理进行了介绍,生动有趣,值得借鉴。作者采用类似方式,利用网络与软件优势,开展新的相关教学模式研究。2.2.4 孪晶案例分析在晶体结构中,孪晶在测试样品中出现的频率比较高(15%)。孪晶一般包含两套不同的晶畴,在晶体结构中很常见,但对初学者来说是难以理解的概念,在测试活动中也有相当多的学生来咨询这个问题。由于课时所限,孪晶概念在课堂讲解时不易形成清晰的印象。传统教材中对这方面的内容一带而过,使得学生对这个概念的理解出现困惑。作者利用仪器自带软件的倒易空间(Ewald 球)显示功能,对孪晶的分析过程制作全新的动态或图形教案,形象展示多套晶畴的交错特征,解答学生对孪晶概念的困惑。此外,将测试中获得的数据,选取典型案例对学生做讲解。2.2.5 提高实验的参与度对于一些演示性实验内容,往往具有成熟、规范的操作流程,可通过录制视频的方式让学生加深印象。新的实验课程将与理论课程更紧密结合,从基础的操作入手,让学生根据研究课题自行设计小实验,上机操作,分析测试数据。对理论课中提及的一些难点,在实验过程中做详细解析,并辅以经典案例57剖析,让学生掌握课程的知识要点。相比以前的实验课主要由上机测试为主,新的实验课主要由溶液中单晶培养、显微镜下观察和挑选晶体、样品上机调整、测试参数设置、数据获取等构成,紧扣理论课内容,深化对基本概念的理解。由于该课程并不要求学生掌握解析晶体结构的技能,因此重点强化学生对一些关键参数的认知。2.3 教学组织形式综上,将课堂教学相关的教材内容分为两个部分,其一为理论部分,除了保留一些传统经典内容外,新的教学大纲还囊括以下内容:(1)晶体结构无序分析(2)晶体结构做图表达(3)分之间相互作用案例分析(4)孪晶案例分析(5)仪器运行原理简析其二为实验操作部分,除了一些自行设计的小实验外,还将包括以下内容:(1)简单物质的单晶培养(2)显微镜下挑选晶体操作(3)整个测试流程的基础操作(4)晶体结构数据分析基本流程新的课程体系将课堂教学,教材建设与实验教学内容紧密结合,引入“教、学、做”一体化的教学模式。依据理论课程重构实验教学内容,培养学生动手能力和分析问题、解决问题的能力,具体实施内容基于表 1 开展。表 1 新的教学模式设计课堂讲授教学互动与教材研究实验活动从原理到应用,结构分析流程及案例演示,仪器前沿信息搜集和分析,问题征集,解决方案征集,部分教材内容更新分批次观摩测试活动,设计基础实验和制作相关视频,让学生自行动手操作2.4 保障措施通过建立信息交流群,及时解答学生的疑惑。定期推送一些关于晶体领域内的前沿研究,激发学生们的研究兴趣。构建特定的开放式文件夹,将一些疑难问题征集、整理成文,并征集解决方案,以文档形式存放进来,方便学生获取。建立实验室预约机制,对有特定实验需求的学生,经过方案探讨后,开放部分仪器机时供其使用。新的模式逐步在近两届学生教学中实施,学生对教学效果普遍反响较好,对课程核心内容的认知有了很大提升,认为对科研活动有较大帮助。3 结语新的“仪器分析-单晶衍射”课程体系依托实验室的硬件优势,构建面向实践的“教、学、做”一体化教学模式。相对原先课程学习,教学目标更加明确和完善。该教学模式依据新的应用实例和实验技术,重新编写相关课件,图文并茂地介绍与实验相关的基本原理、概念和应用范围。相比前期的课件和教材,新课堂强调概念可视化,流程图像化,更富于实用性。该教学模式的实施,对于学生基础知识的积累、分析解决问题的能力、动手能力的培养有很大的帮助。同时,可为“仪器分析”中的其他课程提供借鉴和参考,促进整个课程体系的创新建设。需要注意到的是,关于教学模式的创新建设不可能一劳永逸,还需与时俱进,持续推进。参考文献(References):1 孙益,陈露茜,王晨.高校研究生教材建设的国际经验与中国路径J.学位与研究生教育,2018(2):72-77.2 邬智,赵矩明,王德林.对当前我国世界一流大学建设的几点思考J.高教探索,2010(5):54-58.3 熊俊涛,孙宝霞.关于高校实验教学和大学生动手能力培养的思考J.科技文汇,2014(9):51-52.4 李旭凯,郭杏妹,张秋云,等.环境科学与工程实验教学示范中心建设实践J.实验技术与管理,2016,33(1):153-155.5 徐少川,刘东昆,陈雪波.基于实践基地的专业学位研究生实践教学体系的建设J.新课程,2015(24):31-32.6 厉旭云,梅汝焕,王梦令,等.对高校实验教学在人才能力素质培养中的作用的剖析J.实验技术与管理,2014,31(5):32-37.7 段辉,淡文彦,于辉,等.SCXRD 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