以實踐為核心的《材料研究方法》課程改革

董偉偉，馬 瑞，李海斌，馮紹杰，丁 益

(安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

《材料研究方法》是材料類本科專業(yè)主干課程，在材料類專業(yè)中占有重要地位，是材料類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門工具課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生了解分析儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)會材料微觀結(jié)構(gòu)、成分等的測試方法。通過組織結(jié)構(gòu)、 成分的觀察與分析，理解性能與微觀結(jié)構(gòu)和成分的關(guān)系，為材料性能的優(yōu)化及工程結(jié)構(gòu)件的失效分析提供基本方法和實驗依據(jù)，對完成后續(xù)畢業(yè)論文及研究生階段的科研都是非常重要的。

與別的材料專業(yè)基礎(chǔ)課相比，《材料研究方法》理論性和實用性都很強，需要學(xué)生先掌握相關(guān)測試方法的原理，再結(jié)合實踐教學(xué)，充分領(lǐng)悟各種實驗方法的功能和局限，并能在未來的CDIO和畢業(yè)論文等課程環(huán)節(jié)靈活應(yīng)用。根據(jù)筆者對學(xué)生的調(diào)研，學(xué)生普遍覺得內(nèi)容繁雜難懂，不知道學(xué)好這門課的意義和重要性，最重要的是無法將課本內(nèi)容和實際分析高效鏈接在一起，因此缺乏興趣，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。特別是在大學(xué)本科階段課時嚴(yán)重壓縮的情況下，如何讓學(xué)生短時間掌握相關(guān)材料研究方法的原理、設(shè)備、分析方法等內(nèi)容已經(jīng)成為材料專業(yè)教師不得不面對的一個普遍性難題。

國家教育部《關(guān)于加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》文件中提出要“創(chuàng)造條件使學(xué)生較早地參與科學(xué)研究和創(chuàng)新活動”[1-3]。結(jié)合安徽建筑大學(xué)無機非金屬材料專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生在大三上學(xué)期就開始CDIO項目。CDIO 是指構(gòu)思Conceive、設(shè)計Design、實現(xiàn)Implement和運作Operate，是由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家理工學(xué)院和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)聯(lián)合研究提出的一種新型工程教育模式，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式進行實踐教學(xué)，在一定程度上較好地解決教育中理論與實踐脫節(jié)的問題。通過主動的、實踐的、協(xié)作式的學(xué)習(xí)，在理論知識、專業(yè)技能、創(chuàng)新能力、溝通表達能力和競爭意識等多個方面獲得全面的訓(xùn)練和提高[4]。因此，筆者在第一堂課就反復(fù)強調(diào)本門課的重要性，讓學(xué)生知道學(xué)好這門課一定不能通過死記硬背原理的方法學(xué)習(xí)，需要掌握材料組成、微結(jié)構(gòu)等基本知識，了解材料分析方法與材料研究的關(guān)系；能夠根據(jù)調(diào)研結(jié)合文獻報道結(jié)果，提出材料制備和應(yīng)用過程中的解決方案；能夠根據(jù)需要解決的問題選擇合適的測試方法，掌握不同測試方法中樣品的制備方法以及如何獲取正確的實驗數(shù)據(jù)；掌握不同測試方法的基本原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、檢測信號的優(yōu)勢、特點和局限性；掌握相關(guān)軟件的使用方法，能夠?qū)Λ@得的數(shù)據(jù)進行擬合、計算、分析，給出解決辦法；能夠針對材料制備、設(shè)計、檢測和修復(fù)等實際復(fù)雜工程問題，綜合選擇與使用合適的測試方法對材料組成、結(jié)構(gòu)等進行分析；能夠根據(jù)不同分析方法的局限性選擇合適的分析方法或方法組合，測試和分析材料的性能和服役行為。根據(jù)上述眾多能力要求，需要一方面通過精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，另一方面在專業(yè)基礎(chǔ)實驗、CDIO和畢業(yè)論文等多個環(huán)節(jié)創(chuàng)造條件，讓學(xué)生反復(fù)使用《材料研究方法》中涉及的多種測試方法，增強他們對相關(guān)原理的理解、對數(shù)據(jù)的分析處理能力以及未來在科研和工作中的能力。在此，筆者針對教學(xué)中的具體問題所進行的相應(yīng)改革做一簡要的敘述，以期與國內(nèi)同行交流。

1 教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計

《材料研究方法》這門課分別從知識目標(biāo)、技能目標(biāo)和能力目標(biāo)三個方面設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)無機非金屬專業(yè)的特點和培養(yǎng)目標(biāo)，重點講授X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子探針(能譜儀、波譜儀)、X射線光電子能譜、熱分析、振動光譜等相關(guān)研究方法的設(shè)備、儀器構(gòu)造以及分析測試原理。

結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)的“情境教學(xué)法”，通過貼近學(xué)生實際生活的案例展示導(dǎo)入新課，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時引導(dǎo)學(xué)生對課堂內(nèi)容產(chǎn)生思考[5-7]。整個課程的教學(xué)圍繞典型的實際案例展開，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。例如，在講授X射線衍射法時，拿出事先準(zhǔn)備好的無毒白色粉末，讓學(xué)生根據(jù)已有背景知識在課堂上討論如何快速測定粉末組分/物相，再根據(jù)學(xué)生的回答情況講述X射線衍射法的相關(guān)內(nèi)容，幫助他們加深X射線衍射法原理的理解及利用X射線衍射法進行物相快速分析的優(yōu)勢；在完成透射電鏡講授時，從樣品制備到數(shù)據(jù)分析等方面將透射電鏡和X射線衍射在物相分析中的異同進行比較；在講授掃描電鏡、透射電鏡、X射線光電子能譜的時候先講電子和物質(zhì)的相互作用原理，讓學(xué)生從總體上把握上述測試方法分別利用了二次電子、背散射電子、透射電子和特征X射線與測試樣品的相互作用進行樣品形貌、晶格條紋及缺陷以及材料組分等的研究。

同時，考慮到教科書內(nèi)容因篇幅限制，不能全面介紹材料研究方法的最新應(yīng)用(如冷凍電鏡等)，為了擴大學(xué)生知識面，課程緊跟專業(yè)發(fā)展最新動態(tài)，將科研工作的新進展、新發(fā)現(xiàn)補充進教學(xué)內(nèi)容。以新鮮的課程內(nèi)容、新穎的課程編排，輔以富有新意的“專業(yè)課”授課模式，使學(xué)生了解最前沿專業(yè)知識，最大程度地激發(fā)專業(yè)興趣，如與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者的工作，歷史上影響最大的10個實驗之利用X射線衍射分析青霉素和維生素B12的結(jié)構(gòu)、2017 年諾貝爾化學(xué)獎冷凍電鏡技術(shù)等內(nèi)容。在教學(xué)案例的使用上，可選擇《Nature materials》、《Advanced Materials》等國際知名權(quán)威期刊上的文獻，選取那些具有代表性或者和不符合平時生活經(jīng)驗的案例，如在X射線衍射法的應(yīng)用中，通過分析不同含量錳離子摻雜氧化鋅的X射線衍射數(shù)據(jù)與摻雜量的關(guān)系，判斷錳離子的價態(tài)及其對ZnO結(jié)構(gòu)和磁性的影響；銀離子溶液為什么具有從紅到黑不同的表觀顏色，通過掃描電鏡分析得出它們具有不同大小和形狀；獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎的石墨烯與石墨、金剛石、C60等不同組成形式的碳材料性質(zhì)差異巨大的原因。通過這些趣味且有針對性的學(xué)習(xí)，擴大學(xué)生的知識面，吸引他們對該門課程的興趣。

安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院為了增強以實踐為核心的《材料研究方法》的課程改革，每年都會由老師帶領(lǐng)本科生開展不同形式和內(nèi)容的實踐環(huán)節(jié)。如針對2019級無機非金屬材料專業(yè)的本科生，在大三開設(shè)的《材料科學(xué)與工程綜合實踐》CDIO項目中要求分組后的學(xué)生根據(jù)文獻調(diào)研選擇合適的材料、組分配比及制備工藝進行NTC熱敏電阻陶瓷的制備及性能研究，并通過測量NTC陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)阻值、材料常數(shù)和電阻溫度系數(shù)給不同小組評比打分。在這個過程中，學(xué)生首先根據(jù)已有材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)背景知識討論確定實驗方案，在利用溶膠-凝膠法或者固相反應(yīng)法獲得不同組分的NTC熱敏電阻陶瓷粉末后， 利用X射線衍射、掃描電鏡、熱重等材料研究方法開展材料物相、形貌、熱穩(wěn)定性的測試和分析。學(xué)生需要以目標(biāo)為導(dǎo)向，在完成相關(guān)測試后，分析不同摻雜量和制備工藝對X射線衍射峰位的影響，不同熱處理工藝(升溫速率、熱處理溫度及熱處理次數(shù)等)對粉末結(jié)晶度和顆粒大小的影響，并結(jié)合NTC熱敏電阻陶瓷標(biāo)準(zhǔn)阻值、材料常數(shù)和電阻溫度系數(shù)的結(jié)果綜合分析組分、形貌、工藝對材料性能的影響機理，加深對材料分析方法與材料研究間關(guān)系的理解。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，避免了平時教學(xué)過程中測試固定樣品帶來的諸多問題，如學(xué)生積極性不高，部分學(xué)生存在抄襲行為，作業(yè)完成質(zhì)量不理想等。

2 教學(xué)方法的改革

2.1 改革陳舊的內(nèi)容，提高多媒體教學(xué)效果

從綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)出發(fā)，通過實例就一種測試方法講深講透，引導(dǎo)學(xué)生如何針對具體問題設(shè)計選擇合適的研究方法，而不是面面俱到、淺嘗輒止。對X 射線衍射分析，通過分析X射線衍射圖譜的實例，將原理和實際應(yīng)用有機的結(jié)合起來；對透射電鏡，突出譜圖分析，以衍射花樣的標(biāo)定為主線，組織教學(xué)內(nèi)容。通過這些方法，使學(xué)生有針對性的重點掌握書本上的部分知識，同時做到理論聯(lián)系實際，達到學(xué)以致用的目的。

充分利用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段，解決課內(nèi)課時少與教學(xué)要求高的突出矛盾。多媒體能夠形象的展示教學(xué)內(nèi)容，對于《材料研究方法》這樣試驗性和應(yīng)用性強的課程，各種圖譜通過多媒體播放出來，可以讓學(xué)生更能深入理解所學(xué)知識。對于一些難理解的原理性內(nèi)容，也可以通過觀看視頻或動畫來增加直觀性。如根據(jù)教學(xué)大綱，在講X射線衍射前，需要講解七大晶系以及常見的晶體結(jié)構(gòu)等晶體學(xué)內(nèi)容，這部分內(nèi)容非常抽象，告知學(xué)生可以觀察家中部分食鹽顆粒是正方體的外形，原因是由于NaCl為立方結(jié)構(gòu)晶體。讓學(xué)生自己在網(wǎng)站上觀看晶體生長的小視頻并動手嘗試生長晶體，幫助他們理解晶體學(xué)知識和晶體外形之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.2 加強計算機在課程中的應(yīng)用

實驗教學(xué)是理論課的重要補充，而實驗結(jié)束后的實驗報告則是實驗教學(xué)過程的一個重要環(huán)節(jié)。以往的實驗課學(xué)生只考慮實驗操作成功與否，是否獲得理想的實驗結(jié)果，實驗報告書寫流于形式，相互抄襲現(xiàn)象普遍存在。如何提高學(xué)生對實驗課的興趣，使他們主動投入到對實驗方法、步驟和結(jié)果的設(shè)計與分析中，增強學(xué)生科研意識、培養(yǎng)科研思維，是多數(shù)教師面臨的問題。

在《材料研究方法》很多實驗需要利用計算機軟件作圖分析，如分析X射線衍射數(shù)據(jù)需要使用Jade，X射線光電子能譜需要使用XPSPEAK等。選擇的教材上一般沒有相關(guān)軟件的使用方法和數(shù)據(jù)處理步驟，讓學(xué)生在完成實驗報告的過程中自己摸索軟件的使用，會給學(xué)生增加太多負擔(dān)，影響實驗報告的完成質(zhì)量，導(dǎo)致部分同學(xué)抄襲別人的結(jié)果。因此在上課過程中除了講述相關(guān)研究方法的原理、儀器組成等內(nèi)容以后，對軟件的使用方法也進行大致的講解，或者在實驗過程中加入軟件安裝、使用、數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容，幫助學(xué)生順利掌握數(shù)據(jù)分析處理的方法和技巧。

2.3加強教師自身素質(zhì)，將國際國內(nèi)研究熱點帶入課堂

為提高教師科研和工程實踐能力，安徽建筑大學(xué)鼓勵和支持青年教師出國(境)研修，參加國際/國內(nèi)高水平學(xué)生會議，承擔(dān)國家基金、省部級項目等各類縱向、橫向科研項目。通過上述舉措，可有效增強教師自身素質(zhì)，更好地將教師自身的科研結(jié)果及國際國內(nèi)的研究熱點帶入課堂，讓學(xué)生切實了解學(xué)好《材料研究方法》的意義，并且可以讓學(xué)生在第七或第八學(xué)期加入感興趣老師的研究團隊。

3 課程改革達到的教學(xué)效果

以實踐為核心的課程改革從來就不是一蹴而就的，而應(yīng)該是一個根據(jù)變化的學(xué)情分析不斷改進和完善的過程。通過結(jié)合國際國內(nèi)的研究熱點和國家發(fā)展戰(zhàn)略需求改革陳舊的教學(xué)內(nèi)容，如在上課環(huán)節(jié)和CDIO及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)增加新能源材料、環(huán)保節(jié)能材料、電子信息材料等的相關(guān)內(nèi)容，幫助部分學(xué)生真正理解了《材料研究方法》這門課在整個培養(yǎng)計劃中的地位和作用，用討論代替講述，用互動改變被動，增強了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)行為。

在日趨嚴(yán)重的考研壓力下，目前大部分學(xué)生普遍具有較強的主動學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)能力，因此筆者和相關(guān)課程老師通過近幾年來不斷的實踐探索，使部分學(xué)生在完成本課程的學(xué)習(xí)后真正提高分析解決工程實踐問題的綜合能力及從事材料科學(xué)研究的綜合素質(zhì)，甚至部分本科生已初步具有獨立從事科學(xué)研究的能力，為未來繼續(xù)深造奠定基礎(chǔ)。但是目前課程改革還存在一些問題，如無法照顧到全部學(xué)生特別是后20%學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，部分學(xué)生仍存在死記硬背不同材料研究方法的特點和相互區(qū)別等問題，這也是我們未來課程實踐改革的重點。

4 結(jié) 語

教師的職責(zé)不僅僅在于完成自己的教學(xué)任務(wù)，更在于怎樣促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)。教學(xué)改革是一項長期的需要不斷探索、完善的工程，要培養(yǎng)和保持學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)手段就必須不斷更新，采用靈活多樣的教學(xué)方法，通過多種手段激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生變興趣為參與實踐的動力，使學(xué)生成為教學(xué)過程的主角。通過將CDIO教育理念和《材料研究方法》的有機結(jié)合，提出在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上的一些個人思考和做法，以期獲得良好的教學(xué)效果。