側(cè)重實例解析與科研思維能力培養(yǎng)的《材料分析測試技術(shù)》教學(xué)改革與實踐*

楊 康 吳 鋒

（西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

1 課程教學(xué)改革的必要性

資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)是我國為了適應(yīng)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)需求而設(shè)立的新工科專業(yè)。作為一門多學(xué)科交叉性質(zhì)的專業(yè)，其專業(yè)內(nèi)容涵蓋材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與工藝、環(huán)境科學(xué)與工程等諸多學(xué)科，目標是培養(yǎng)具備資源循環(huán)創(chuàng)新理念的復(fù)合型工程技術(shù)人才，這就要求學(xué)生具有較強的多學(xué)科交叉融合能力?！恫牧戏治鰷y試技術(shù)》是資源循環(huán)科學(xué)與工程為本科生開設(shè)的專業(yè)必修課與學(xué)位課，也是鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合能力的技術(shù)方法課，其教學(xué)內(nèi)容包括各類材料的分析測試技術(shù)，綜合了材料科學(xué)基礎(chǔ)、物理化學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等多門課程的相關(guān)內(nèi)容，范圍廣泛、內(nèi)容豐富、實用性強，在培養(yǎng)上述復(fù)合型工程技術(shù)人才過程中有著不可替代的作用。但從西安建筑科技大學(xué)及全國其他高校該門課程的教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)狀看，均存在以下幾個方面的問題：

1.1 教材和教學(xué)內(nèi)容過于偏重儀器理論

首先，教材和教學(xué)內(nèi)容過于偏重儀器構(gòu)造及其工作原理等內(nèi)容的基礎(chǔ)理論，而分析軟件的使用、測試數(shù)據(jù)的分析和實驗圖譜的解析等應(yīng)用方面的內(nèi)容過于單薄。培養(yǎng)出的學(xué)生存在著理論脫離實際的傾向，實踐動手能力較差，缺乏運用所學(xué)知識分析、解決問題的能力。整門課程學(xué)習(xí)下來，學(xué)生僅能掌握一些基本的儀器構(gòu)造及其工作原理等方面的知識，背誦一些常用的公式，而缺少足夠的實際儀器操作實訓(xùn)，也不能靈活運用測試手段分析實際中遇到的問題[1]。該門課程學(xué)習(xí)效果的好壞與學(xué)生今后的考研深造、工作學(xué)習(xí)均有較大聯(lián)系并能夠在畢業(yè)設(shè)計（論文）階段體現(xiàn)出來，具體表現(xiàn)為部分學(xué)生在拿到畢業(yè)設(shè)計（論文）題目后遲遲不能進入狀態(tài)，無從下手，不清楚怎樣的實驗測試手段能得到最好的結(jié)果，即使在老師的指導(dǎo)下完成實驗，但在結(jié)果分析與討論階段仍不清楚如何分析已經(jīng)得到的實驗數(shù)據(jù)，或僅能對獲得的結(jié)果加以簡單描述無法進行深入探討[2]。

1.2 教材內(nèi)容更新緩慢，缺乏包含專業(yè)背景的教學(xué)素材

首先，隨著科技的發(fā)展，對于材料結(jié)構(gòu)性能的測定表征要求越來越高，新興儀器不斷涌現(xiàn)，對于分析測試技術(shù)的學(xué)習(xí)要求也水漲船高，但現(xiàn)有教材內(nèi)容更新較慢，與當前分析測試技術(shù)發(fā)展的步伐不相匹配[3]。其次，掌握了材料分析測試技術(shù)的基本知識點和基本原理，并不代表能夠應(yīng)用該測試方法很好的分析和解決實際問題，測試方法的掌握，需要在大量的實際應(yīng)用和圖譜分析練習(xí)中得到提高，但目前包含資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)背景的教學(xué)案例和素材零星分散，且不成體系[4]。

1.3 課程涉及的專業(yè)面廣，知識點較分散

首先，材料分析測試技術(shù)課程的特點是涉及的專業(yè)面較廣，包含有光、電、磁學(xué)等理論性較強的多學(xué)科知識，部分原理學(xué)生理解起來較為困難，造成學(xué)習(xí)興趣下降[5]；其次，每種分析方法的儀器操作又各有特點，且需要許多前期課程的基礎(chǔ)知識和理論，如晶體學(xué)、光學(xué)、原子結(jié)構(gòu)和能級方面的基本原理，這些內(nèi)容很多是在大一、大二的課程中學(xué)習(xí)的，學(xué)生掌握的程度不同，但由于課程學(xué)時的限制，課堂上不可能將所有的前期知識做詳細的回顧，因而會影響到學(xué)生對于本課程內(nèi)容的掌握[6]。

1.4 教學(xué)手段過于單一，實踐教學(xué)功能薄弱

目前，本課程的教學(xué)手段主要以課堂講授為主，但由于課程涉及的專業(yè)面較廣、知識點分散且比較枯燥、抽象、深奧，且本課程開在大四上學(xué)期，學(xué)生由于找工作、準備考研等導(dǎo)致其投入到本課程的精力有限，若仍然按照傳統(tǒng)“填鴨式”的教學(xué)手段，必然無法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。加之，本課程的主要目的在于讓學(xué)生了解掌握材料的各種分析測試方法、測試基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、操作流程、注意事項以及結(jié)果分析。但考慮到本課程涉及的多為大型儀器，昂貴精密，大多為國外進口，損壞后不易修復(fù)，且這些儀器除了要滿足本科教學(xué)還要滿足繁重的科研需求，無論在成本上還是在時間上都遠遠不能滿足每位學(xué)生參與實際操作的需要[7]。故而，目前的實驗教學(xué)只能以演示性為主，在很大程度上只能給學(xué)生留下一個表觀印象，影響了對儀器的深入了解和掌握。

綜上所述，加快對該門課程的教育教學(xué)改革，優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、豐富現(xiàn)有教學(xué)手段、探索全新教學(xué)模式的現(xiàn)實需求愈加迫切。

2 課程教學(xué)改革的措施

2.1 編寫著重培養(yǎng)學(xué)生科研思維能力的實用性教材

針對前述本課程教材內(nèi)容過于偏重儀器理論和缺乏包含專業(yè)背景教學(xué)素材的問題，本教學(xué)改革項目組組織編寫了《材料分析測試技術(shù)與實例解析》教材。教材在內(nèi)容設(shè)置上盡可能弱化儀器構(gòu)造及其工作原理等內(nèi)容，省略大部分公式的變換與推導(dǎo)，取而代之的是大量具有本專業(yè)學(xué)科背景的最新的材料結(jié)構(gòu)分析與解析實例。另外，利用影音視頻傳輸技術(shù)，在本專業(yè)主管大型儀器的實驗教師日常操作及樣品制備過程中錄制視頻，以邊操作邊講解的方式制作視頻，作為課后學(xué)習(xí)素材上傳至本專業(yè)網(wǎng)站，并以二維碼的形式嵌入教材各章節(jié)，供學(xué)生課后觀看。著重培養(yǎng)學(xué)生的儀器操作能力、數(shù)據(jù)分析能力及圖譜解析能力，加快創(chuàng)新型人才培養(yǎng)與“一流專業(yè)”建設(shè)。

2.2 用科研實踐充實教學(xué)，增加實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)

我校設(shè)有資源循環(huán)科學(xué)與工程二級學(xué)科博士點和二級學(xué)科碩士點各1 個，擁有“生態(tài)建筑材料國家地方聯(lián)合工程研究中心”和“中國循環(huán)經(jīng)濟工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”，整體科研實力與水準相對較高，近三年（2019～2021 年）承擔國家級科研項目8項、省部級科研項目32項。資源循環(huán)科學(xué)與工程教研室擁有教師23 人，教研室的教師每年都要從事或開展大量的科研工作。因此，可結(jié)合實際情況，用科研實踐充實教學(xué)。本教研室目前采取兩種方式：其一，在教研室教師和研究生利用大型儀器設(shè)備開展科研工作或通過專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理的過程中，通過攝影和攝像的方式將非涉密的科研過程記錄下來，然后將其剪輯編纂成教學(xué)素材，將科研過程、科研思路、科研方法及學(xué)術(shù)動態(tài)及時補充至課堂教學(xué)之中[8]；其二，增加實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過設(shè)置《資源循環(huán)科學(xué)與工程創(chuàng)新實踐》課程設(shè)計，使學(xué)生參與到教研室教師承擔的科研項目中去[9]，利用課余時間和假期開展科研實訓(xùn)，如協(xié)助研究生制備各種分析測試所需的樣品、在教師的指導(dǎo)下操作大型精密儀器、對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析和圖譜解析等。一來，通過科研實訓(xùn)提高學(xué)生的專業(yè)理論水平和實驗動手能力；二來，將學(xué)生的科研實訓(xùn)與教師的科研工作有機結(jié)合，形成相互支撐、協(xié)調(diào)一致的良性態(tài)勢，可給教師的科研工作提供更多幫助，實現(xiàn)教師與學(xué)生的互利共贏。

2.3 制作高質(zhì)量素材，豐富網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，通過“翻轉(zhuǎn)課堂”延伸課外教學(xué)

首先，由于課程原有教學(xué)內(nèi)容過于偏重儀器理論與公式推導(dǎo)，易引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)過程向記憶化與形式化的方向發(fā)展。本教學(xué)改革項目組將教學(xué)中呈碎片化分布的儀器構(gòu)造及其工作原理、儀器日常操作及樣品制備等內(nèi)容進行整合，選取主題獨立、目標明確、內(nèi)容完整的知識點制作成微課，并輔以微教案，在我校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺《材料分析測試技術(shù)》課程門戶網(wǎng)站發(fā)布，微課視頻及配套輔助資源的總?cè)萘靠刂圃趲资鬃笥?，方便學(xué)生流暢地在線觀摩課例，閱讀教案、課件等輔助資源，也可方便靈活的將其下載并保存到終端設(shè)備上實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)，學(xué)生在課前利用多媒體終端自學(xué)微課并完成相應(yīng)的作業(yè)，通過系統(tǒng)反饋給教師，教師則根據(jù)反饋情況有的放矢地指導(dǎo)學(xué)生，將傳統(tǒng)教學(xué)模式中的課上講授知識、課后內(nèi)化的流程翻轉(zhuǎn)過來，形成課前講授知識、課上內(nèi)化知識的新模式，并將儀器構(gòu)造及其工作原理的授課學(xué)時控制在合理區(qū)間；其次，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺課程門戶網(wǎng)站上建立自帶評分系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)分析與圖譜解析題庫”，在每章課堂教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生課后刷題，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、圖譜解析能力；再次，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺課程門戶網(wǎng)站上創(chuàng)建討論社區(qū)，在課堂教學(xué)結(jié)束后延伸課外教學(xué)，組織學(xué)生發(fā)帖跟帖、交流互動，并對學(xué)生的討論過程進行正確的引導(dǎo)與釋疑。

2.4 打破傳統(tǒng)成績評定模式，創(chuàng)新多元化考核方式

課程原有考核方式僅限于紙質(zhì)卷面考試，學(xué)生更多的是對基本概念、基本原理及基礎(chǔ)理論的死記硬背，無法真實評估學(xué)生的儀器操作能力、數(shù)據(jù)分析能力及圖譜解析能力。故本教學(xué)改革項目組建立由考勤成績、“數(shù)據(jù)分析與圖譜解析自測”成績、“翻轉(zhuǎn)課堂”互動成績及期末考試成績共同構(gòu)成的多元化課程考核形式，將期末考試成績占總評成績的比例壓縮至40%，打破“一考定成績”的傳統(tǒng)評定模式。

3 課程教學(xué)改革的體會

《材料分析測試技術(shù)》是一門集綜合性、實踐性和實用性于一體的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本教學(xué)改革項目組通過重編實用性教材、增開《創(chuàng)新實踐》課程設(shè)計、制作高質(zhì)量素材充實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、翻轉(zhuǎn)課堂、創(chuàng)新多元化考核方式等多舉措并舉，在教學(xué)內(nèi)容上盡量弱化抽象、枯燥、深奧的儀器理論，將上述理論知識通過課程門戶網(wǎng)站的微課呈現(xiàn)；在實際教學(xué)過程中嵌入大量具有本專業(yè)學(xué)科背景的最新的材料結(jié)構(gòu)分析與解析實例，并在課程門戶網(wǎng)站建立自帶評分系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)分析與圖譜解析題庫”和課后討論社區(qū)，將課堂教學(xué)從空間和時間兩個維度延伸至課外；顛覆傳統(tǒng)課程成績評定模式，建立能夠真實評估學(xué)生科研思維能力和儀器運用能力的多元化考核方式。

以上課程教學(xué)改革在我校資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)《材料分析測試技術(shù)》課程中已完成兩個年級總計兩個輪次的應(yīng)用，學(xué)生在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計（論文）過程中的科研能力顯著提高，不僅能夠正確選擇大型精密儀器進行材料性能的表征，部分學(xué)生還能獨立對實驗數(shù)據(jù)和圖譜進行分析與解析。本教學(xué)改革項目組將不斷總結(jié)教改實踐中積累的經(jīng)驗，以培養(yǎng)具備資源循環(huán)創(chuàng)新理念的復(fù)合型工程技術(shù)人才為目標，為專業(yè)建設(shè)和學(xué)科發(fā)展貢獻力量。