“材料分析與測(cè)試”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐探索

邴乃慈,于 偉,吳益華,汪玲玲,朱路平,解麗麗

(上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

材料作為21世紀(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一,是高新技術(shù)發(fā)展的基石與先導(dǎo)。材料發(fā)展很大程度上依賴材料成分與結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù),隨著新材料的迅猛發(fā)展,材料分析測(cè)試技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

“材料分析與測(cè)試”是材料類相關(guān)專業(yè)的一門必修專業(yè)課,通過分析材料形貌、微觀組織結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)微區(qū)成分的原理、過程、設(shè)備及應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生分析測(cè)試及研究材料的能力[2],國內(nèi)外材料相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生培養(yǎng)均開設(shè)了此課程。

“材料分析與測(cè)試”課程是上海第二工業(yè)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院根據(jù)本科人才培養(yǎng)方案,面向材料化學(xué)、材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)必修課。從2009年開設(shè)至今已近10年,該門課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生通過學(xué)習(xí),掌握光譜分析、衍射分析、電子顯微分析與電子能譜分析4大類現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的原理、實(shí)驗(yàn)方法及這些測(cè)試方法在材料研究中的應(yīng)用,并具有對(duì)給定材料進(jìn)行成分及結(jié)構(gòu)等測(cè)試與分析的能力。

我?！安牧戏治雠c測(cè)試”課程具有以下特點(diǎn):①各種分析方法是基于電磁輻射及運(yùn)動(dòng)粒子束與物質(zhì)相互作用的各種性質(zhì)建立起來的,涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)過多過深,學(xué)習(xí)難度大;② 與X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型儀器密切相關(guān),隨著材料科學(xué)的進(jìn)展與測(cè)試儀器的不斷更新,課程內(nèi)容具有前沿性;③ 教學(xué)內(nèi)容中涉及具體材料的測(cè)試與分析的教學(xué)內(nèi)容偏少,理論與實(shí)際結(jié)合不夠;④ 該課程為理論課,48學(xué)時(shí),學(xué)時(shí)較少,學(xué)生較難全面深入學(xué)習(xí)。

“材料分析與測(cè)試”課程的教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合教學(xué)實(shí)際與深入思考,在學(xué)校和學(xué)院的支持下積極開展教學(xué)改革,對(duì)教學(xué)模式與方法進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

1 課程教學(xué)改革的思路

圍繞我?！奥殬I(yè)導(dǎo)向的高等教育”的辦學(xué)定位,按照多科性應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的辦學(xué)要求,以應(yīng)用型高技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)為宗旨,以提高材料相關(guān)專業(yè)“材料分析與測(cè)試”課程的教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo),注重學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng),以小班化教學(xué)為基礎(chǔ),以專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為依托、教師的科研工作為平臺(tái),通過案例教學(xué)、科研支撐教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、引入在線課程等教學(xué)模式改革,從課堂、課下、實(shí)踐多層次協(xié)同提升“材料分析與測(cè)試”課程教學(xué)質(zhì)量,在強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,注重課程的實(shí)用性,提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)。

2 課程教學(xué)模式改革的措施

2.1 采用案例教學(xué)

為了使學(xué)生對(duì)材料分析測(cè)試方法有直觀感受,促進(jìn)學(xué)生有效地掌握相應(yīng)的原理和分析方法,采用了多媒體教學(xué)手段,通過動(dòng)畫等演示大型儀器結(jié)構(gòu)、分析測(cè)試過程和原理;通過放映譜圖和圖像進(jìn)行結(jié)果分析。然而面臨復(fù)雜的材料測(cè)試儀器和多樣化的材料,如何利用有限的學(xué)時(shí)使不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生熟練掌握知識(shí)點(diǎn),同時(shí)開闊視野,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力？

案例教學(xué)可以使復(fù)雜、枯燥、難懂的教學(xué)內(nèi)容變得簡(jiǎn)單、生動(dòng)、明晰,因此在教學(xué)實(shí)施過程中非常重要。國內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于不同測(cè)試技術(shù)在各種材料中的應(yīng)用非常多,課程團(tuán)隊(duì)的教師在其從事的科研實(shí)踐中也一直接觸相關(guān)的前沿技術(shù),授課教師在備課中將文獻(xiàn)所涉及的不同測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)提煉,通過實(shí)例講解不同測(cè)試方法的目的、制樣技術(shù)、測(cè)試參數(shù)的設(shè)計(jì)、結(jié)果的分析討論等。例如,對(duì)于電子顯微分析、XRD的數(shù)據(jù)處理與解析、電子衍射花樣標(biāo)定方法等內(nèi)容,通過教師對(duì)石墨烯、鈣鈦礦等相關(guān)科研實(shí)例并結(jié)合文獻(xiàn)來講解,使教學(xué)內(nèi)容更加具體,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例分析教學(xué)使學(xué)生掌握材料分析與測(cè)試相關(guān)的概念與基礎(chǔ)理論,同時(shí)滲透科研領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,幫助學(xué)生提高具體材料的識(shí)譜和識(shí)圖的能力,使其在實(shí)際應(yīng)用中學(xué)會(huì)選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)與準(zhǔn)確分析。

2.2 采用科研支撐教學(xué)

采用科研支撐教學(xué)的模式主要是解決“材料分析與測(cè)試”課程無實(shí)踐學(xué)時(shí)、理論內(nèi)容過深過多的問題,以提高課程的實(shí)際應(yīng)用性。采用該教學(xué)模式需要3個(gè)前提條件:① 從事科研的教師人員充足;②有分析測(cè)試儀器資源;③ 學(xué)生有一定的科研興趣。

在上海市重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科的支持下,我校環(huán)境與材料工程學(xué)院的分析測(cè)試中心已購置了S-4800型掃描電子顯微鏡(日本HATACHI公司)、SPM-9600掃描探針顯微鏡(日本島津)等多臺(tái)先進(jìn)的分析檢測(cè)設(shè)備,同時(shí)學(xué)院引進(jìn)了高水平的領(lǐng)軍人才,材料專業(yè)建立了一支年輕的博士創(chuàng)新群體,為學(xué)生參與科技創(chuàng)新活動(dòng)提供智力保障。學(xué)院每年啟動(dòng)“大學(xué)生參與教師科研項(xiàng)目”活動(dòng)。教師根據(jù)承擔(dān)科研項(xiàng)目的情況,提出課題,與學(xué)生自主雙向選擇,把本科生納入教師的科研團(tuán)隊(duì),參與教師科研項(xiàng)目。材料專業(yè)每個(gè)學(xué)生從大二開始參與到教師科研項(xiàng)目中,為“材料分析與測(cè)試”課程教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,在教師或研究生的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐研究,從材料合成、制樣、選擇測(cè)試參數(shù)、操作儀器、處理數(shù)據(jù)、結(jié)果分析等方面進(jìn)行訓(xùn)練,并形成相關(guān)報(bào)告或研究論文。在從事科學(xué)研究的過程中加深對(duì)材料分析與測(cè)試相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解,充分提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

2.3 采用翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂是指教師有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),課堂外,學(xué)生查閱文獻(xiàn)、利用慕課等資源輔助學(xué)習(xí);課堂上教師講授重點(diǎn)難點(diǎn),對(duì)學(xué)生的疑問進(jìn)行解答,以協(xié)作探究和互動(dòng)交流的方式完成課堂教學(xué)[3-4]。學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)閷W(xué)習(xí)主體,翻轉(zhuǎn)課堂可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性及解決問題的能力[5-7]。

在“材料分析與測(cè)試”課堂上,教師根據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的編排與設(shè)計(jì),教學(xué)過程中采用啟發(fā)式、討論式教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生積極思考。為了有效實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂,從2016—2017春季學(xué)期,材料專業(yè)開始實(shí)施“材料分析與測(cè)試”小班化教學(xué),學(xué)校為小班化教學(xué)提供了良好的支撐平臺(tái)。目前每個(gè)班級(jí)學(xué)生數(shù)為15人左右,可以充分實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂,教師與學(xué)生之間有充分的課堂交流與互動(dòng)時(shí)間,還要求學(xué)生把參與教師科研實(shí)踐活動(dòng)中的成果或者針對(duì)某一分析方法查閱一定數(shù)量的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,并在課堂中作5～7 min的報(bào)告,教師與同學(xué)們對(duì)其報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與討論。翻轉(zhuǎn)課堂使學(xué)生參與到教學(xué)過程中,不僅有利于學(xué)生掌握課程所涉及的相關(guān)知識(shí),同時(shí)還培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、歸納總結(jié)、獨(dú)立思考、知識(shí)研討等能力。利用小班化教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢(shì),學(xué)生的參與度大大提高,師生互動(dòng)交流頻繁,小組合作學(xué)習(xí)更加有效。

2.4 引入在線教學(xué)資源

將在線教學(xué)資源合理引入“材料分析與測(cè)試”教學(xué)中,可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的課外時(shí)間,彌補(bǔ)課內(nèi)學(xué)時(shí)不足,同時(shí)節(jié)約課內(nèi)學(xué)時(shí),有效實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂。引入在線資源學(xué)習(xí)需要教師提煉重點(diǎn)、難點(diǎn),將難度較低和應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容安排學(xué)生利用課外時(shí)間自學(xué);同時(shí)設(shè)計(jì)多層次的問題,以起到提綱挈領(lǐng)的作用,幫助學(xué)生掌握核心知識(shí)點(diǎn),學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí),可以促進(jìn)學(xué)生思考,幫助學(xué)生更深入地理解相關(guān)的內(nèi)容。針對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)、熱點(diǎn)問題,要求學(xué)生通過資料查閱和總結(jié)等模式有效實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂。合理引入在線教學(xué)資源進(jìn)一步提高了“材料分析與測(cè)試”課程的教學(xué)質(zhì)量,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的主動(dòng)性和積極性,提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造精神,有助于學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.5 注重全過程評(píng)價(jià)

翻轉(zhuǎn)課堂、科研支撐教學(xué)等教學(xué)模式的實(shí)施,對(duì)學(xué)生課堂外自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、分析問題等能力的要求較高。按照傳統(tǒng)的考核標(biāo)準(zhǔn),學(xué)生一般將精力放在期末考試,缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)和全過程參與學(xué)習(xí)的積極性,達(dá)不到預(yù)期學(xué)習(xí)效果,因此“材料分析與測(cè)試”課程在考核方法上,推行“綜合評(píng)定全程考核”,考核中強(qiáng)化了平時(shí)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),提高學(xué)生平時(shí)參與實(shí)踐及課堂討論的成績(jī)比例,激勵(lì)學(xué)生重視參與科研和創(chuàng)新實(shí)踐過程中積累的知識(shí),并將其與理論相結(jié)合,期末考試時(shí)在考核知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重能力考核,注重調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)生綜合能力的提高。

3 結(jié)語

材料和分析測(cè)試儀器的發(fā)展日新月異,對(duì)“材料分析與測(cè)試”課程教學(xué)也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)新形勢(shì)下社會(huì)對(duì)材料相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生的高技能、高素質(zhì)的新型復(fù)合人才要求,課程團(tuán)隊(duì)根據(jù)材料專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行“材料分析與測(cè)試”課程教學(xué)模式改革。教學(xué)改革正處于起步和探索中,除了考慮課程本身的特點(diǎn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)外,今后課程改革重點(diǎn)考慮的內(nèi)容還包括:不斷探索在研究型教學(xué)模式中進(jìn)行分類施教;案例教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課堂等在實(shí)踐過程中不斷檢驗(yàn)及優(yōu)化;不斷完善在線教學(xué)資源和多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)及課程網(wǎng)站;探索培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的教育理論的實(shí)踐應(yīng)用。