《材料研究與測試方法》課程教學體系優(yōu)化及多元實踐環(huán)節(jié)的重構(gòu)與實踐

陳文怡 聶曉蕾

摘? 要：《材料研究與測試方法》課程是一門講述材料測試儀器和方法的重要課程，是從事材料專業(yè)的專業(yè)必修課。由于《材料研究與測試方法》有很高的實踐應用性，是本科生、研究生進行科學研究論文的必備技能，對該課程教學內(nèi)容和教學方法的知識體系的優(yōu)化，將提高學生的綜合素質(zhì)水平，增強學生的操作儀器和分析圖譜的能力。通過多元實踐教學過程的重構(gòu)，可提高該課程的教學質(zhì)量的同時，培養(yǎng)了學生的獨立思考問題的能力和工程實踐動手能力。

關鍵詞：《材料研究與測試方法》;教學體系優(yōu)化;重構(gòu);實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）05-0092-04

Abstract： "The Material Research and Testing Methods" is an important course about material testing instruments and methods. Due to "The Material Research and Testing Methods" has a high practical applicability， is indispensable skill for undergraduate and graduate students for scientific research papers， the teaching content and teaching method of optimization of knowledge system， will raise the level of the students' comprehensive quality， enhance the students' ability of operating instruments and analysis of the map. Through the reconstruction of the teaching process of multivariate practice， the teaching quality of this course can be improved， and students' ability of independent thinking and practical engineering can be cultivated.

Keywords： "the Material Research and Testing Methods"; optimization of teaching system; refactoring; practice

在今天科技信息高速發(fā)展的時代，新材料層出不窮，對材料性能的要求越來越高，而材料性能與其組成和微觀結(jié)構(gòu)有著致密的關系，材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)所需的測試儀器更新?lián)Q代也在加速，測試的方法以及功能越來越多樣化。材料學科的學生的畢業(yè)研究論文和工作實踐中需要很多先進的分析測試手段，如透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、X射線衍射、熱分析、紅外光譜、拉曼光譜、X射線光電子能譜等，因此通過《材料研究與測試方法》的教學，使學生了解用于結(jié)構(gòu)分析、成分分析、物性測定、形貌分析等多種現(xiàn)代測試技術方法，包括測試儀器基本原理、結(jié)構(gòu)、樣品處理、圖譜解析等。要求學生通過這門課程的學習，在今后的工作和科研中能正確選擇分析測試手段和方法來獲得所需的數(shù)據(jù)和圖譜。為學生畢業(yè)后走上工作崗位以及繼續(xù)深造奠定扎實的基礎。優(yōu)化《材料研究與測試方法》這門課程體系，讓學生多元化、多方位掌握研究材料的結(jié)構(gòu)、微觀組織、化學成分、物相，并與材料制備工藝、材料性能間的關系緊密聯(lián)系關聯(lián)。針對《材料研究與測試方法》這門專業(yè)基礎課的重要性，國內(nèi)有許多高校對《材料研究與測試方法》進行了教學改革[1-6]，遼寧工業(yè)大學于景媛等人對現(xiàn)代材料測試方法課程的教與學進行探討，洛陽理工學院李豪對《材料研究與測試方法》教學進行了改革。

一、該課程的現(xiàn)狀

《材料研究與測試方法》 是一門課程內(nèi)容涵蓋面大，實用性強，涉及知識廣的核心課程，其目標是培養(yǎng)材料專業(yè)學生掌握科學測試儀器的原理和結(jié)構(gòu)，實際使用儀器的能力，以及對測試數(shù)據(jù)和圖譜的解析能力，在培養(yǎng)創(chuàng)新型材料工程人才中有著重要的地位。但在實際的課堂教學中，學生僅能掌握一些基本的儀器原理、構(gòu)造方面的知識，而缺少足夠的實際儀器操作，實踐中不能靈活運用測試手段。針對這種狀況，如何在注重理論教學的同時，改進教學方法，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)出既具有扎實的基礎理論知識，又具有較強的實踐動手能力的高素質(zhì)人才，是目前我們這門課程實踐教育中還待解決的問題。

《材料研究與測試方法》涉及晶體學、物理、數(shù)學、量子學等學科，概念較抽象，原理和理論知識較多樣化，學生學習起來會有些無從下手的感覺。一些理論知識偏向于專業(yè)，使得學生學習后會和實際應用相脫離，需要在讀研讀博時重新回爐。當前的教材各個章節(jié)獨立為政，一個章節(jié)介紹一種方法，彼此之間缺乏系統(tǒng)性，導致給學生學習帶來障礙，沒法將教材中相關知識和實踐進行融會貫通，當遇到實際問題時，就會表現(xiàn)得無從下手。教學方式手段較單一，PPT教學和板書也難以將倒易點陣、復雜晶體衍射地講清楚。PPT授課時教師時，學生很少做筆記，很快過了就忘記了，也使得學習效果不好。

在和實驗聯(lián)系方面，因為實驗所涉及的測試設備均屬于大型設備，價值均上百萬，通常只有一兩臺，所以很難幾個學生一組來操作儀器，只有讓教師進行演示性實驗，導致老師講的多，學生動手少、學生濫竽充數(shù)的多，真正收獲知識的少，且實驗報告有抄襲現(xiàn)象，實驗報告有雷同現(xiàn)象，理論和實踐很難相結(jié)合，沒有達到提高學生實踐動手能力的效果。

二、多元化教學環(huán)節(jié)重構(gòu)

為了提高《材料研究與測試方法》課程教學的效率質(zhì)量，實現(xiàn)優(yōu)化課程體系的目標，我們對教學方法、授課內(nèi)容進行探索和優(yōu)化。多元化全方位地重構(gòu)教學方法，針對材料測試方法課程的理論知識較多較深，部分知識點偏于科學研究，且教材中知識更新不足，現(xiàn)代儀器更新?lián)Q代很快的特點，調(diào)整教材內(nèi)容適當增加最新的科學儀器的知識點，同時注意結(jié)合學生參與的大學生導師制指導的課題，將具體的科研論文中所需的相關測試儀器和研究方法融入課堂教學中，我們建立了案例法、試題庫、網(wǎng)上SPOC 共享課程法相結(jié)合的多元化的教學體系。講課做到輕重分明、詳略得當，重點突出，清理知識點的內(nèi)在多元聯(lián)系，每章后留習題等。如：

案例1：某學生的大學生創(chuàng)新項目是熱電材料方鈷礦粉體的制備，粉體制備后，如何對粉體的形貌特性進行表征呢？

通過材料測試方法的知識，我們指導學生來思考，納米顆粒首先考慮是通過透射電鏡或是掃描電鏡來對它的形貌特征進行分析觀察，確定納米顆粒的尺寸大小和形狀、分布狀況、輪廓清晰度等。由于理論課上所學的知識告訴學生們透射電鏡放大倍數(shù)更高，分辨率更好，只是透射電鏡制樣麻煩，但我們是粉末樣品，在碳加強支持膜上可采用超聲波分散，透射電鏡還可根據(jù)象的透明程度的襯度來估計粉末顆粒是實心或空心，并采用選區(qū)電子衍射對晶體材料的物相和晶體取向進行分析探討，所以即可觀察形貌又可對微觀結(jié)構(gòu)有些了解。通過這些課堂實例講授，讓學生將所學的理論知識應用到今后要應用的測試實驗中，使學生感到興趣盎然，這樣把材料學科和測試技術的發(fā)展最前沿的新信息、發(fā)展趨勢和會遇到的實際問題融于課堂教學中，大大提高了理論教學和實際應用之間的相互性，做到了學以致用。

三、優(yōu)化知識框架體系，培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力

針對學生對材料測試方法的理論和實踐應用脫節(jié)的現(xiàn)象，我們優(yōu)化了傳統(tǒng)授課方式，結(jié)合MOOC+SPOC以及實驗課，建立新的綱領性課程知識體系。通過課堂的授課，網(wǎng)絡慕課以及實驗課三位一體的教學模式，讓學生學會提出問題、再想什么辦法來解決問題、以及最后采用何種措施來處理實際應用問題的應變能力。要做到不僅知其然還要知其所以然，在授課時，教師首先介紹各章節(jié)的主要提綱，使學生明白本章節(jié)學習的學習目的和主要內(nèi)容，了解該章與前面章節(jié)有什么樣的聯(lián)系和區(qū)別。每次講課都要將本節(jié)課的關鍵知識點（或提綱）寫在黑板書，講課最后對所有知識點進行總結(jié)回顧，并闡述或以提問的方式理清儀器之間的邏輯關系，讓教學以儀器為主到以材料為主，這樣做到授課內(nèi)容和其他所學的材料知識相結(jié)合，相得益彰。每章授課后會和學生一起回顧內(nèi)容，建立知識點框架圖（ 如案例2），好讓學生明白各各種測試方法既是獨立的也是相互聯(lián)系的，它們往往會相互驗證。如學習紅外光譜時，我們講解官能團時，就可以和學生舉列在鑒別尼龍6和尼龍66時，即可用紅外儀鑒別官能團又可采用熱分析DSC鑒別熔點的不同，來更好地區(qū)分這兩種材料。因為一種檢測方法很難給出確定的結(jié)果，結(jié)合實際案例，更好地解決實際問題，提高學生解決測試實際所遇問題的能力（如案例3）。

案例2：在學習《材料研究與測試方法》X射線衍射一章的布拉格方程一節(jié)時，首先介紹布拉格父子的故事，讓學生像了解倫琴發(fā)現(xiàn)X射線一樣興趣盎然，再放一些影片視頻，結(jié)合網(wǎng)絡形象地推到布拉格出方程，再逐一講解它的三個意義，包括選擇反射、衍射極限和衍射指數(shù)，最重要的布拉格方程的應用如圖1所示進行總結(jié)歸納。

案例3：某學生協(xié)助導師研究硅酸鹽水泥，導師希望該學生能很好地了解水泥的特性。該學生根據(jù)所掌握的知識體系，綜合利用所學的電子顯微鏡和X射線衍射分析等知識來解決實際問題。通過電鏡可以觀察到硅酸二鈣、硅酸三鈣、游離氧化鈣等，它們的外形分別為不規(guī)則形、方形、圓形。將水泥熟料加水后的水泥水化物再進行熱分析和X射線衍射測試，采用所學測試知識對TG-DSC和XRD圖譜進行解析，通過TG-DSC即可的檢測Ca（OH）2可脫羥基分解成CaO的溫度，又可知道CaO含量，通過X射線衍射測試，驗證了加熱前后Ca（OH）2和CaO的物相晶體結(jié)構(gòu)，這樣多元化的使得學生即掌握了材料的特性又理解了測試技術在材料研究中的重要性。

四、采用MOOC+SPOC靈活多變的教學模式

MOOC作為一種開放共享手段，其開放、共享特性，有利于實現(xiàn)學生自主學習，按需學習;SPOC是一種有效管理學生的手段，其小范圍、限制性、面對面師生互動等特點，易于激發(fā)學生學習熱情?！恫牧涎芯颗c測試方法》課程是大學生接觸的基礎核心課程。結(jié)合MOOC+SPOC優(yōu)勢，將其引入《材料研究與測試方法》課程教學中，構(gòu)建了以資源為中心的混合教學設計以及混合教學實施過程并進行應用實踐。近幾年實踐結(jié)果表明了課內(nèi)課外相結(jié)合、線上線下互補的混合教學模式的有效性。MOOC+SPOC混合教學模式不僅有利于提高大學生的課程參與度和學習主動性，還有助于培養(yǎng)計算思維。對以前教學模式的照本宣科，導致老師講的很費勁學生沒有反應甚至不聽的現(xiàn)象，我們采用網(wǎng)上共享MOOC教程（圖2）、科學家研究測試儀器視頻、網(wǎng)上做作業(yè)互評、課堂學習相結(jié)合的方式，提高學生的學習熱情和課堂的授課質(zhì)量。結(jié)合傳統(tǒng)的板書式教學模式，既讓學生對抽象問題有形象認識，又可保證教師對重點難點問題能進行詳細講解。采用網(wǎng)上慕課、案例式以及實驗教學三位一體的教學模式。以學生為主，通過視頻、習題、測試等手段，引導學生對知識框架和應用的理解，通過提出什么性能需要何種測試手段的方法，引發(fā)學生對學習興趣，由學習的質(zhì)變到得到知識的量變。

案例4：在講解熱分析這一章的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的測定時，先讓學生了解用差示掃描量熱（DSC）的原理、儀器結(jié)構(gòu)，再重點講解圖譜的解析，了解玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）對材料性能的重要性，Tg測試方法除了DSC外，還有動態(tài)熱機械（DMA），熱機械分析儀（TMA），熱膨脹儀（DIL）等，它們幾種方法的不同標定法。

五、混合教學和翻轉(zhuǎn)課堂實踐，增強學生的動手能力和獨立分析能力

由于測試儀器的貴重和數(shù)量少，導致實驗課堂上大部分時間都是老師在講，學生聽得多動手機會少、有些學生濫竽充數(shù)學不到東西，我們讓理論和實驗混合，教師和學生翻轉(zhuǎn)，實驗授課前，學生動手在計算機上做模擬實驗，再讓學生預習講解理論課的知識，實驗教師利用提問題的方式進行教學，重點放在儀器的原理和結(jié)構(gòu)介紹、樣品的制備以及圖譜數(shù)據(jù)的分析處理上。這樣混合理論和實驗課教學，學生和老師翻轉(zhuǎn)角色，增強了學生的動手能力和獨立分析能力。讓學生自己設計綜合性實驗，參與到測試樣品及方法的選擇，試樣的制備、測試條件優(yōu)化等實踐性強的教學中。調(diào)動學生學習的主動和興趣。這種模式既增加了學生對實驗學習內(nèi)容的興趣，又學到了很多課堂上學不到的知識和測試技巧，提高了實驗教學的質(zhì)量和效率，并為學生未來的學習和工作奠定扎實的基礎。

案例5：在進行電子探針和拉曼分析實驗時，不再采用教師獨立操作的演示實驗，而是要求每組學生（2-3人）預先尋找一個樣品，如學生手上脖子上帶的飾品（金屬材料、陶瓷材料、寶石等不限制），要求學生獨立自主制備樣品，并學習獨立進行樣品的測試操作，并運用儀器軟件對測試結(jié)果進行分析。通過這種訓練，學生印象更深刻，興趣更濃厚，同時結(jié)合所查閱的文獻資料，選擇合適的測試條件，可以獨立運用軟件對材料的分子結(jié)構(gòu)進行分析。

六、結(jié)束語

通過對課程體系全方位的改進，我們發(fā)現(xiàn)大大激發(fā)了學生的學習熱情，學生的獨立思考、分析和解決問題的能力以及實際動手的能力都有了較大的提升。使學生從在課堂被動接受知識轉(zhuǎn)化為理論和實踐相結(jié)合地主動地學習知識。結(jié)合現(xiàn)代MOOC教學方式，教學體系的改革提高了課堂的教學質(zhì)量并使得材料類專業(yè)畢業(yè)生對測試技術有了較深的認知，對學生的就業(yè)競爭力和創(chuàng)新能力有很大的提升。

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