《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》課程教學改革探索

杜廣芬，李文娟，蔡志華，馬曉偉

(石河子大學 化學化工學院，新疆 石河子 832000)

材料科學主要研究材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關(guān)系，是一門集物理、化學、冶金學等于一體的交叉科學，主要包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料等領域。在當今社會，材料科學已發(fā)展成為最為活躍學科之一，各種重要的材料，如石墨烯材料、3D打印材料、超高高溫材料、人造皮膚材料、隱身材料、航空航天材料等重要功能材料被開發(fā)并迅速獲得應用。目前，材料科學已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

石河子大學化學化工學院適應本地材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和本校學科建設需求，2012年在應用化學系材料專業(yè)的基礎上，新分離組建了材料科學與工程系，并于當年招收本科生。材料科學與工程是涉及材料學、工程學和化學等方面的寬口徑專業(yè)。該專業(yè)以材料學、化學、物理學為基礎，主要研究的是材料組成、結(jié)構(gòu)、加工工藝與其性能和應用。在該專業(yè)所開設的眾多課程當中，《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》是一門極其重要的專業(yè)基礎課[1-4]，該課程主要介紹了材料現(xiàn)代分析測試方法的基本原理、試驗方法、儀器設備及其應用。課程的主要內(nèi)容包括：X射線衍射分析、透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析與電子探針、光電子能譜與俄歇電子能譜、熱分析技術(shù)、原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜、拉曼光譜分析、紅外光譜分析、熒光光譜和磷光光譜分析等。該課程的主要特點是知識點多，應用性較強。每一種儀器都有其特有的工作原理、譜圖解析方法、適用范圍等，還涉及到大量重要的公式計算，知識點較為分散。另一方面，石河子大學材料科學與工程系所招收的本科生數(shù)理基礎較為薄弱，且從未接觸過各種材料表征儀器，采用傳統(tǒng)的灌輸式、傳授式授課方式較為抽象，效果不佳。為了提高教學效果，讓學生由被動接受式學習轉(zhuǎn)為主動探究學習，我們進行了多方面的改革探索，學習效率明顯提高。

多種教學手段相結(jié)合，變抽象為直觀。除了用傳統(tǒng)的板書講授相關(guān)原理和公式計算外，我們結(jié)合多媒體、flash動畫、視頻等手段，將抽象的結(jié)構(gòu)直觀化，學生可以直觀的觀察到材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，也可以了解各種儀器的具體組成部分。另外，我們在大學一年級第二學期開始，引導本科生分批進入科研實驗室接受科研啟蒙培訓，作為科研助手跟研究生學習各種材料制備和表征，逐漸接觸各種材料結(jié)構(gòu)表征儀器和譜圖解析方法。通過這種基礎鋪墊和實驗室學習，學生接觸到了多種材料結(jié)構(gòu)表征儀器，并且學習了讀譜解譜，對相關(guān)儀器不再陌生，這為后期的《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》學習打下了基礎。

部分內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂教學[5-6]，變被動學習為主動學習。傳統(tǒng)的教學方式是教師主導課堂教學，采用灌輸式，學生只是被動接受知識，學習積極性不高，學習效果價差。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom或Inverted Classroom)重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，學生是課堂的主導，教師起引導和輔助作用，這樣可以充分調(diào)動學生學習的積極主動性，提高學習興趣和學習效率。我們將《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》中的X-射線衍射分析、紅外光譜分析、原子光譜分析、拉曼光譜分析等抽出一部分，有學生分成小組收集材料，做成幻燈片，在課上進行講解，這極大提高了學生的學習參與度，也提高了其他學生的聽課效率。

儀器工程師授課，激發(fā)學生學習興趣。各大儀器公司都有自己專業(yè)的工程師負責不同片區(qū)相應的儀器安裝培訓和后續(xù)的技術(shù)問題，這些工程師的優(yōu)勢在于實踐經(jīng)驗豐富，對自己所負責儀器的構(gòu)造和工作原理非常熟悉，對樣品的測試流程和相應的譜圖解析非常專業(yè)。石河子大學化學化工學院入選國家“雙一流”學科后，大量的建設經(jīng)費用于購買各種大型分析測試儀器，其中就包括了多種材料結(jié)構(gòu)表征方面的先進儀器設備。為增強企業(yè)競爭力，這些大型儀器供應商都會免費委派工程師為高?？蛻籼峁┫鄳募夹g(shù)支持?；诖?，我們每年都邀請這些公司的專業(yè)工程師來石河子大學為廣大師生做免費培訓。我們在此基礎上，結(jié)合《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》的授課進度，一方面安排專業(yè)工程師進入本科生課堂，對不同的儀器設備的構(gòu)造、原理等進行專業(yè)解析授課，另一方面安排工程師進入儀器測試實驗室，當場講解儀器的使用操作流程、樣品制備方法、譜圖解析方法，讓本科生在學習理論知識的基礎上，更加直觀的了解相應的材料表征儀器。儀器工程師來自企業(yè)，帶來了清新的企業(yè)文化，他們具有豐富的儀器方面的經(jīng)驗和較強的

工程背景，工程師的授課方式以及與學生互動交流方式與大學教師差異較大，由于其豐富的實踐經(jīng)驗，案例更多，授課更加生動，更易于吸引學生的學習興趣，從而大幅提高學生學習效率[7-8]。我們每學年邀請的工程師進課堂授課約12學時，實驗室現(xiàn)場教學超過16課時。工程師涉及了X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、熱重分析、拉曼光譜分析、紅外光譜分析等不同大型分析測試儀器，這種邀請工程師進課堂的方式受到廣大學生好評。

學生自己出題組成試卷，提高學習效率。通過自由組合，將學生分成若干學習小組。在任課教師指導下，這些學習小組負責不同章節(jié)的知識點整理并列出3～5道候選測試題目，教師選擇并抽取這些題目組成考試卷，進行最后測試。通過這種方式，出題的學生會積極主動去理解相關(guān)知識，并通過小組討論加深對知識的理解，而且不同小組之間可以通過交流討論，學習不同的章節(jié)知識點。結(jié)果表明，十多個小組所出的30～50道題目，基本覆蓋了全書的主要知識點。而全班同學通過交換學習，討論學習等主動學習方式，基本上牢固掌握了這些重要知識點。

作為材料科學與工程專業(yè)的核心基礎課，《材料現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》這門課程所涉及的不同儀器都是材料學研究所必需的，學好這門課對材料專業(yè)學生今后的發(fā)展影響深遠。我們經(jīng)過多年的實踐，對多種教學手段相結(jié)合、翻轉(zhuǎn)課堂、工程師進課堂、學生自主出試卷等進行了嘗試，明顯提高了學生的學習積極性，這些改革措施可以作為其他同類課程改革的參考。