光电子能谱实验教学改革的探索与实践*

周传强，张惠芹，赵 伟，龚翔翔

(1 扬州大学，江苏 扬州 225009；2 扬州教育学院，江苏 扬州 225009)

经过本科阶段的理论知识学习，理工科研究生即将走进实验室开展科研工作；分析测试技术实验课程是搭建在理论知识和科研实践之间的桥梁，是培养学生科研实践能力的必经之路[1]。作为一种分析测试手段，X射线光电子能谱技术(XPS)是化学、材料等相关专业研究生必须掌握的重要研究工具；该技术在薄膜器件、半导体、催化材料、光电材料等领域发挥着巨大的作用[2-3]。当前，在大多数高校，分析测试技术课程的教学仍沿用“教师讲解并演示—学生重复实验—教师评分”的传统教学模式[4]，该模式下学生的学习兴趣不高、学习体验感不强，教学效果不理想。近年来，以问题为导向的教学法被认为可一定程度上提高学生分析和解决问题的能力，但该方法难以激发学生的提问精神与创新意识[5-6]。与之不同，启发式教学法的重要特征是教师设置教学场景、提供具有内在启发性地引导，鼓励学生主动提出问题、发现问题，通过主动学习相关知识和技能分析并解决问题[7-8]；因而，该教学法可有效调动学生的学习积极性和主动性，启发学生的创新潜能，属于高层次的问题式教学方法[9-10]。针对研究生已经具备相关专业基础知识和学习能力的特点，本文拟以XPS测试技术为例，探索启发式教学法在分析测试技术实验教学中的应用实践，为其他测试技术课程教学改革提供借鉴和参考。

1 实验教学设计

1.1 实验教学目的

熟悉XPS测试技术的原理(图1A)和应用，了解XPS仪器的主要结构组成(图1B)和功能，掌握测试过程和数据分析方法。

图1 X射线激发内层电子电离(光电原理,A)， XPS仪器的主要结构示意图(B)[2]Fig.1 Ionization of inner electrons inspired by X-ray (photoelectron principle)(A); Structure diagram of X-ray photoelectron spectroscopy(B)

1.2 实验材料与仪器

(1)实验材料：聚对苯二甲酸类塑料(Polyethylene terephthalate, PET)塑料饮料瓶(图2A)；

(2)实验仪器：ESCALAB 250Xi光电子能谱仪(美国ThermoFisher公司制造，图2B)；

(3)数据采集及处理：测试和数据处理用Avantage软件(图2C)。

图2 PET塑料饮料瓶照片(A),ESCALAB 250Xi 光电子能谱仪照片(B)和用于测试与数据处理的 Advantage软件界面(C)Fig.2 Photo of PET plastic bottle(A)， photo of ESCALAB 250Xi X-ray photoelectron spectroscopy(B) and advantage software interface used for measurement and data processing (C)

2 启发式实验教学过程

以我校相关专业2020级选修《现代分析测试技术与仪器》课程的100研究生作为研究对象。在课程开始时将学生随机分为两大组，第一大组进行传统模式教学，作为对照。

第二大组开展启发式教学：分成两个批次，每批次5个小组，每小组5人(教学时分多个批次)，以小组为单位开展相关学习任务；启发式教学过程分为三个阶段(图3)：首先是教学准备阶段：教师通过创设教学情境，启发学生的学习兴趣，激发学习好奇心，引导学生发现并提出问题；其次是教学实施阶段：教师鼓励学生自主学习，为学生学习指引方向，激发探究心，指导学生分析并解决问题；最后是学习评价阶段：教师引导学习评价，给予学生积极评价与肯定，使他们增强学习自信心，体验学习愉悦感。

图3 启发式教学中不同阶段教师引导下学生的学习过程Fig.3 Students’ learning procedures at different stages guided under teacher in heuristic teaching

2.1 教学准备

2.1.1 创设教学情境

在XPS测试技术理论课程前两周，教师设计教学场景，带PET塑料瓶装饮料到放在讲台上，问大家：“你们平时喝瓶装饮料吗？你们知道这个饮料瓶是什么做的吗？”学生回答：“塑料啊！”再问：“塑料有很多种，你们知道这是哪种塑料吗？”有学生回答：“PET。” 然后，老师再问：“怎么证实它是PET呢？”在不知不觉中将学生引入“如何测试材料的组成元素与化学结构”、“XPS测试技术的应用”等教学内容上来。这种聊天的方式很容易让学生接受，并能激发起他们主动学习的兴趣。紧接着，教师可以向学生建议使用启发式教学来学习XPS测试技术这门课程，并介绍该教学模式的概念和过程，告诉他们查找文献资料和寻求帮助的途径与方法。

2.1.2 分解教学任务

XPS测试技术的学习过程分为理论学习和实践两部分。理论学习任务又可以分解成五个部分：(1)仪器测试原理和技术发展历史；(2)XPS仪器的主要组成结构和功能；(3)XPS样品要求和样品制备过程；(4)XPS测试过程和测试程序；(5)XPS数据的常用处理方法和结果分析。相应地，参加启发式教学学习的五个小组分别负责讲解以上5项内容，当一个小组讲解时，其他小组成员负责对讲解内容提问或给出意见和建议，包括课件的可观赏性，内容完整性和可理解性，讲解语言的逻辑性等等。实践过程分为：样品准备、样品测试和数据处理。教师告知学生获取知识的途径：在中国知网上可以查到XPS仪器原理和技术发展历史，在学校测试中心网页上可以看到仪器功能和应用领域的介绍，等等。

2.2 教学实施

2.2.1 理论学习

第1小组选出代表讲解XPS仪器的测试原理和该测试技术的发展历史，第3小组针对讲解内容提出“什么情况下的材料可以发生光电效应？”、“光电子跑出来之后材料表面带正电荷怎么办？”等关键性问题；第1小组回答：“光子的能量稍大于材料表层原子内电子的结合能时就可以发生光电效应”和“光电子的数量相对较少”等。教师肯定了学生们的努力，但同时指出这个回答并不准确，留下的疑问可以听听下面的讲解。果然，第2小组在讲解仪器的主要组成结构和功能时，提到X射线的能量足以使元素的内层电子或价电子克服束缚能而逃逸出来，还提到仪器有一个叫“中和枪”的部件可发射低速电子到样品表面用于中和由于光电子逃逸而造成的正电荷。大家听到这里，不约而同地“喔”了一声，自然得到问题的答案。

第3小组的同学讲到样品必须是干燥、无挥发性且化学性质相对稳定的固体时，第1小组的同学提问“溶液中的样品如何测试？”、“如何判断样品有没有挥发性？”，第3小组的同学分别回答 “溶液中的样品需要干燥富集到铝箔上”和“有无挥发性可通过将样品放在真空干燥箱中一段时间看真空度是否变化来判断”。教师对讲解和提问的同学都进行了表扬，并表示大家再认真听听下一组同学的讲解就更清楚了。第4小组在讲解XPS测试过程时，特别强样品台要先放入进样室2～3 h等真空度不再变化时才送入分析室检测。第5小组介绍了处理XPS数据的常用软件Avantage，虽然他们用的并不太熟练，但基本功能都讲解了，可见他们也花费了不少时间和精力，教师肯定了他们的努力。

2.2.2 实践过程

实践内容主要包括：(1)样品制备：从塑料矿泉水瓶上剪一块1 cm×1 cm的平整小片，干燥后用双面胶贴在样品台上，然后送入仪器的进样室，抽真空达到10-7mbar后，将样品传入到分析室；(2)样品测试：包括在控制仪器的电脑上打开Avantage软件、设置程序树(设置要测元素、通过能、扫描次数等)、设定测试点、开启中和枪与X射线枪、点击测试开始；测试结束后，保存数据，上传数据；(3)数据处理：到另外一台电脑上下载数据，打开Avantage软件处理数据：首先对全谱进行元素识别，再进行荷电矫正，然后根据PET的分子结构单元对C1s与O1s谱进行分峰拟合，最后导出数据(图4)。

图4 PET聚合物的结构单元(A),PET的XPS全谱(B),PET的XPS C1s谱(C)和PET的XPS O1s谱(D)Fig.4 Structural units of PET polymer(A)， XPS survey spectrum of PET(B)， C1s spectrum of PET(C) and O1s spectrum of PET(D)

实验过程中，以小组为单位学生自己动手开展样品制备、样品测试，并处理和分析实验数据；教师只需要在旁边观看，发现问题时再加以纠正和指导，或他们需要帮助时进行简单讲解。当5个小组的同学都完成测试后，大家又围在一起讨论心得和体会。第1小组的同学提出:“在测试环节，为什么要先开启中和枪而后开X射线枪？”第4小组同学回答：“那是为了防止材料表面出现正电荷。”第3小组的同学补充：“如果先开X射线枪测试就开始了，中和就来不及了。”第5小组的同学提出：“数据处理过程中，为什么要进行荷电矫正？”第2小组的同学说：“因为谱图的起点不在零点，而是在-2 eV左右的位置。”然后第5小组的那个同学追问：“谱图的起点为什么在-2 eV左右呢？”同学们面面相觑，教师看到没人能够回答，正要解答，突然听到第1小组的一名女生低声说：“可能因为中和枪先开的，中和电子比较多的原因吧！”诸如此类的讨论还有不少。最后，教师肯定了大家的讨论，并对实验中各组的表现进行点评：整体上每一小组都完成了自主实验过程，但也存在一些小的问题。第1、3小组在程序设置上存在困难，第2、5小组在数据分析软件的使用不熟练；第4小组对仪器的结构理解上还不够，等等。针对这些问题，教师进行了有针对性的指导和讲解。

2.3 学习评价

学习评价是判断学生对知识技能掌握程度的手段，是教学评价的重要组成部分，对实验教学改革方向和方法具有指导意义[11]。实验教学结束后，教师要求每位学生对学习过程进行自评、对实验结果进行分析讨论，撰写学习总结报告。传统教学中，教师主要根据学习报告的完成程度评价学生对所学知识技能的掌握情况，给出分数或等级。与传统教学模式中以结论性评价为主不同，启发式教学的学生学习评价体系采用以形成性评价为主、结论性评价为辅的评价方法[12-13]。为全面了解学生的学习效果与改善教学方法，本研究提出学习评价由学生自评、组员互评和教师总评三部分组成(图5)，且三部分的权重相同，各占1/3。这种评价方法的提出主要基于以下考量：首先，学生是学习活动的主体，对自己的学习效果和收获了解最全面；其次，小组内同学们协作开展学习活动，充分交流和讨论，对个体的学习效果相互间比较了解，评价相对客观；最后，教师通过观察学生的学习过程，并审阅学生的总结报告，作出客观、全面的学习效果评价。本研究提出的新型学习评价体系，不仅可帮助教师准确掌握学生对知识技能的认知情况，还可以让教师明白教学过程的不足之处及学生对教学活动的反馈，为进一步改善教学方法并激发学生的学习兴趣提供依据。

图5 学习评价组成图Fig.5 Study evaluation composition

3 教学效果分析

为了分析教学效果，从学生参与度、学生对理论知识和实验技能掌握程度、学生满意度四个方面对传统教学和启发式教学进行了比较，结果如表1所示：传统教学中学生的参与度只有65%，对理论知识和实验技能掌握的学生分别占比69%和60%，学生对学习过程的满意度也仅有47%；而在启发式教学中，所有学生参与了教学过程(参与度100%)，分别有91%和87%的学生掌握了理论知识和实验技能，学生满意度达到了89%。更重要的是，满意该教学效果的学生对其他科研实验技术启发式教学也充满期待。实践证明：启发式教学模式具有很好的教学效果：讲解的同学为了讲好内容积极查阅文献资料，变被动学习为主动学习；而提问的同学只有认真听讲解、积极思考，才能提出合适的问题。由于学生之间身份平等、学识水平接近，提问同学对讲解内容敢于质疑，积极思考，而讲解同学也勇于回应提出的质疑，在回应中思考并补充知识；在同学之间的讨论或辩论中获得新知识、实现新知识体系的构建，这比师生之间的讨论效果更好。教师在听过学生的讲解和提问后，更清楚学生想学什么、需要学什么、学习的难点在哪里，然后用学生易于接受的方式讲解；教师的讲解虽少但可有的放矢、起到四两拨千斤的作用[14-15]。

表1 启发式课堂教学和传统课堂教学的教学效果比较Table 1 A comparison for the teaching results by the heuristic teaching and traditional teaching (%)

4 结 语

以上教学实践表明，将启发式教学应用于研究生实验课程是可行的。在教学准备阶段，教师要巧妙设计并创设教学情境，启发学生的好奇心，使他们主动发现并提出问题；在教学实施阶段，教师将学习任务进行分解、让学生分组完成各个学习任务，鼓励学生根据已有的知识分析问题，引导他们自主地开展探究性学习以解决问题；学习评价阶段，教师鼓励学生对自己的学习过程进行评价、让组员之间互相评价，最后教师对学生的学习行为给予肯定和积极引导，以增强他们进一步学习的信心。与传统的教学模式相比，启发式教学中教师的讲解和演示内容减少了，但在关键节点上起关键引导作用，激发并调动了学生的积极主动性，学生发现问题和创新性解决问题的能力得到了锻炼。因此，有理由相信，将启发式教学法应用到更多实践教学过程中，必将明显提升其教学效果。