《近代測試技術(shù)》在新能源材料專業(yè)中的教學(xué)改革與實(shí)踐

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(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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《近代測試技術(shù)》在新能源材料專業(yè)中的教學(xué)改革與實(shí)踐

高可政，牛慶媛

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

《近代測試技術(shù)》是新能源材料專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)必修課程。基于新能源材料的專業(yè)背景，結(jié)合筆者講授《近代測試技術(shù)》課程的教學(xué)實(shí)踐與體會(huì)，針對該課程目前所存在的教學(xué)問題，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、采用多媒體和網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)、豐富教學(xué)案例、將科研成果帶入課堂、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)等一系列措施進(jìn)行了教學(xué)改革，取得了良好的教學(xué)效果。

近代測試技術(shù) ； 新能源材料 ； 教學(xué)改革 ； 實(shí)踐教學(xué)

0 前言

能源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增長，資源短缺、能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)能源材料已經(jīng)很難滿足人類社會(huì)的發(fā)展需求[1-3]。新能源材料的開發(fā)已成為世界各國政府和研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，新的技術(shù)和成果不斷涌現(xiàn)。2016年11月29日，國務(wù)院印發(fā)了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，指出進(jìn)一步發(fā)展壯大新能源、新材料、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。因此，中國高校迫切需要培養(yǎng)新能源材料方向的人才。

新能源材料的性能與其組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，要提高新能源的性能，就必須要了解材料內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)，《近代測試技術(shù)》就是為了研究新能源材料的組成和性能而開設(shè)的一門業(yè)必修課程[4]。它具有非常強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性、應(yīng)用性和前沿性。本課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)近代測試與表征技術(shù)的基本原理及在新能源材料研究中的適用范圍，掌握常用的測試方法，學(xué)會(huì)相關(guān)的圖譜分析應(yīng)用于新能源材料的組成和性能的研究，以便使學(xué)生在以后的科研和工作中能正確選擇與使用相關(guān)的近代測試技術(shù)。為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和實(shí)踐能力，本文結(jié)合筆者講授《近代測試技術(shù)》課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，初步探討了該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)化和改革。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

1.1教材內(nèi)容缺乏更新

隨著科技水平的迅速發(fā)展，分析測試儀器發(fā)生了日新月異的變化，新儀器的自動(dòng)化水平越來越高，測試手段也越來越多樣化，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。但是當(dāng)前所使用的教材內(nèi)容更新速度很緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們在實(shí)際測試過程中的應(yīng)用。另外，傳統(tǒng)的教學(xué)沒有針對新能源材料專業(yè)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，而是偏重于測試技術(shù)的理論知識(shí)與工作原理介紹，理論性強(qiáng)，涉及的知識(shí)比較復(fù)雜，學(xué)生普遍學(xué)習(xí)吃力，興趣不高。因此，教學(xué)內(nèi)容需要根據(jù)本學(xué)科的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)適時(shí)進(jìn)行更新。

1.2課堂教學(xué)模式陳舊

該課程教學(xué)方式單一，主要是采用多媒體課件以“講授式”的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，無法將儀器的結(jié)構(gòu)、測試原理、操作過程和數(shù)據(jù)處理等直觀生動(dòng)地傳授給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣不足，學(xué)習(xí)積極性下降，很難實(shí)現(xiàn)課堂互動(dòng)性和良好的教學(xué)效果。因此，加快對現(xiàn)有教學(xué)手段的改革已刻不容緩。

1.3實(shí)踐教學(xué)難以開展

《近代測試技術(shù)》是一門操作性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。歷年來學(xué)生普遍反映該課程的教學(xué)內(nèi)容過于理論和抽象，只能從圖片中看到近代測試儀器，幾乎沒有實(shí)踐課程，缺少相應(yīng)的實(shí)用性[5]。最主要的原因就是該課程所涉及的很多分析測試需要在一些現(xiàn)代先進(jìn)的精密測試儀器上完成。而這些大型分析表征儀器價(jià)格昂貴，例如新能源材料經(jīng)常使用的X射線光電子能譜儀，其價(jià)格高達(dá)五六百萬元甚至更高，所以大部分高校在配置上都非常有限[6]。因此，受到條件的限制，學(xué)生無法真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)手實(shí)踐操作大型分析測試儀器, 大大制約了學(xué)生對儀器的感性認(rèn)識(shí)和測試技能的掌握，也在一定程度上影響了學(xué)生分析解決問題的能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1結(jié)合新能源材料專業(yè)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

針對新能源材料專業(yè)的特點(diǎn)，以及考慮到學(xué)生未來科研或工作時(shí)會(huì)用到的表征分析方法，筆者從原理、制樣技術(shù)、應(yīng)用、譜圖分析和數(shù)據(jù)處理等方面詳細(xì)講解了X 射線衍射分析(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅立葉變換激光拉曼光譜(FT-Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、熱重分析(TGA)、差示掃描量熱分析(DSC)、比表面積測試分析及電化學(xué)分析方法等近代測試分析技術(shù)，授課過程中做到重點(diǎn)突出和課程銜接。同時(shí)，筆者注重學(xué)科知識(shí)的拓展和實(shí)用化，選取新能源材料最新研究中所使用的測試表征方法等相關(guān)資料作為教學(xué)內(nèi)容，保證該課程教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性、新穎性與實(shí)用性。這些教學(xué)內(nèi)容的拓寬與延伸不僅開拓了學(xué)生的視野，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研興趣，提高了教學(xué)效果。

2.2采用多媒體與網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)

近代測試技術(shù)內(nèi)容繁瑣、理論性強(qiáng)、實(shí)踐操作要求高，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)通常會(huì)遇到理論過于抽象難以理解的問題。因此，筆者在講解該課程時(shí)充分利用了多媒體技術(shù)，將測試分析技術(shù)中抽象的理論、相關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)、操作、制樣過程及圖譜解析等通過圖形、自制微視頻、動(dòng)畫等形式進(jìn)行表達(dá)，形成直觀生動(dòng)的教學(xué)場景，使學(xué)生有種身臨其境的感覺。實(shí)踐表明，多媒體的應(yīng)用不僅活躍了課堂氣氛，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，也拓展了學(xué)生獲取知識(shí)的新途徑。為了使學(xué)生有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，筆者鼓勵(lì)學(xué)生從各種儀器的官方網(wǎng)站、國內(nèi)外知名高校的網(wǎng)絡(luò)課程上檢索相關(guān)的分析測試儀器。此外，筆者與新能源材料專業(yè)其他老師搭建了網(wǎng)絡(luò)自主交流平臺(tái)，如微信群、QQ群、公共郵箱等。教師將微視頻、課程相關(guān)材料等上傳到該平臺(tái)上，學(xué)生可以隨時(shí)隨地下載資料、及時(shí)提問等。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的使用為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了有力條件，增加了師生間的互動(dòng)交流，提高了教學(xué)效果。

2.3豐富教學(xué)實(shí)例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

由于《近代測試技術(shù)》課程內(nèi)容繁瑣和相對抽象，不像其它邏輯性或故事性強(qiáng)的課程能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，而案例式教學(xué)可以使復(fù)雜、難以理解的教學(xué)內(nèi)容變得清晰簡單。因此在實(shí)際的課堂教學(xué)中，筆者結(jié)合新能源材料的特點(diǎn)，盡量選擇貼近生活的案例。例如，從目前國際最熱門的石墨烯電池和以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器等新能源材料的開發(fā)和使用出發(fā)，引入石墨烯常用的表征方法——X射線衍射分析(XRD)，接下來講解X射線衍射分析的原理、儀器構(gòu)造、制樣過程、檢測方法和測試數(shù)據(jù)的分析討論。此外，筆者采用案例與教師的科研相結(jié)合的方法，可以培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和學(xué)習(xí)興趣。筆者所在的材料與化學(xué)工程學(xué)院有著優(yōu)良的科研傳統(tǒng)，新能源材料專業(yè)課題組的教師近3年主持國家自然科學(xué)基金7項(xiàng)，長期在科研第一線，掌握著新能源材料的最新研究狀況。筆者利用本人及其課題組教師的科研成果作為案例，對其中關(guān)于測試技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行歸納整理，提煉出具有代表性的案例。如多孔納米碳材料的分析，可以用X射線衍射和X射線能譜對其晶型和化學(xué)組成進(jìn)行分析，用比表面積分析儀測試碳材料的比表面積和孔徑分布，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和透射電鏡對其形貌進(jìn)行分析，用熱重分析對熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征，用傅立葉變換激光拉曼光譜來確定其表面結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，案例式教學(xué)法的應(yīng)用，讓學(xué)生能夠更好地學(xué)以致用，充分提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力。

2.4實(shí)踐教學(xué)

鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院具有良好的科研水平和平臺(tái)。目前擁有河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和鄭州市多尺度復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)有的大型儀器設(shè)備有X 射線衍射儀、X-射線單晶衍射儀、X射線光電子能譜儀、TG/DTA綜合熱分析儀、掃描電子顯微鏡、高解析熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀、比表面積孔隙分析儀、表面增強(qiáng)光拉曼光譜儀、顯微共焦激光拉曼光譜儀、元素分析儀、傅里葉變換紅外光譜等。這些專業(yè)科研平臺(tái)為本專業(yè)學(xué)生的測試分析實(shí)踐教學(xué)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。為了加深學(xué)生對理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生的實(shí)踐能力，采取以下措施進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

①參與教師的科研項(xiàng)目教師可以將自己的科研項(xiàng)目與學(xué)生的科技創(chuàng)新項(xiàng)目、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室從事相關(guān)測試方法的實(shí)驗(yàn)研究。在樣品的測試分析環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師提供經(jīng)費(fèi)資助，學(xué)生通過參觀或親手操作相關(guān)測試儀器，進(jìn)行從樣品制備、測試參數(shù)設(shè)計(jì)、測試操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等方面的全方位訓(xùn)練。②重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定期組織專業(yè)的工程師或?qū)嶒?yàn)教師開展儀器使用和操作的培訓(xùn)，教師及時(shí)分享消息，鼓勵(lì)有興趣或有所需要的學(xué)生參加培訓(xùn)。在培訓(xùn)中做到讓每個(gè)參加培訓(xùn)的學(xué)生都能動(dòng)手切實(shí)操作，有些操作看似很簡單，但卻是最容易出問題的地方，比如X射線衍射儀在開門的過程中，很多同學(xué)因?yàn)橛昧^大導(dǎo)致儀器掉高壓，因此教師需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)開門要小心。

2.5考核方式探索

《近代測試技術(shù)》作為一門專業(yè)必修課程，具有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，傳統(tǒng)的考核方式很難培養(yǎng)學(xué)生的分析解決問題的能力以及學(xué)習(xí)的積極性，很難實(shí)現(xiàn)該課程的教學(xué)目的。改革后該門課程采用“平時(shí)成績(20%)+小論文(30%)+期末考試(50%)”。具體實(shí)施中，平時(shí)成績包括上課的出勤率、課堂表現(xiàn)、課外參與分析測試的實(shí)際表現(xiàn)等。小論文則是要求學(xué)生參與教師的項(xiàng)目后，對自己所接觸的某一測試儀器，從樣品制備、測試參數(shù)設(shè)計(jì)、測試操作到數(shù)據(jù)處理對所表征樣品進(jìn)行結(jié)果分析，在此基礎(chǔ)上，完成小論文(字?jǐn)?shù)不限，重在看學(xué)生的領(lǐng)悟程度)。對于期末考試的試題，盡量不要出現(xiàn)選擇題題型，避免考試結(jié)果出現(xiàn)偶然性。實(shí)踐表明，改革后的考核方式，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和獲取知識(shí)的能力，激發(fā)了學(xué)生對科研的興趣，督促了學(xué)生學(xué)習(xí)，取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)束語

總之，在《近代測試技術(shù)》課程教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和分析解決問題的能力，教學(xué)改革勢在必行。在科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，教師緊跟新材料研究與測試方法的最新發(fā)展形勢，深入探索教學(xué)實(shí)施過程，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化新能源材料專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)出具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才的目標(biāo)。

[1] 黃訓(xùn)誠,和 萍,崔光照,等.中國智能電網(wǎng)發(fā)展述評、展望與建議[J].輕工學(xué)報(bào),2016(2): 54-65.

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[3] 林本才,張 帥,劉 振.新能源材料概論課程教學(xué)改革與實(shí)踐初探[J]. 教育教學(xué)論壇,2016(9):26-27.

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[5] 于景媛,李 強(qiáng),馬勝男,等.《材料測試方法》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2016(5):124-126.

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2017-04-02

高可政(1981-)，男，講師，博士，從事新能源材料的教學(xué)與科研工作，E-mail:gaokezheng@126.com。

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