新能源科學(xué)與工程專業(yè)《材料分析方法》教學(xué)方法探究*

徐偉龍 崔愛晗 楊小雨

（常州工學(xué)院光電工程學(xué)院 江蘇常州 213032）

引言

材料分析方法作為新能源專業(yè)大三下學(xué)期的專業(yè)課，學(xué)好這門課對于他們在生產(chǎn)實踐、畢業(yè)設(shè)計、科學(xué)研究以及就業(yè)方面都有非常大的幫助。在實際教學(xué)過程中，選取了機械工業(yè)出版社周玉教授主編的《材料分析方法》教材。該書主要講述了X射線衍射分析和材料的電子顯微分析。該書簡明扼要，儀器的結(jié)構(gòu)原理詳盡，注重實例，非常適合新能源專業(yè)開展教學(xué)工作。該課程主要是通過儀器的介紹，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代分析方法解決實際問題的能力[1-3]。然而，在教學(xué)過程中，該課程涉及的技術(shù)原理多，內(nèi)容廣泛，同時有些原理抽象，公式的推導(dǎo)需要較深的數(shù)學(xué)功底。因此，只講述設(shè)備的構(gòu)造及原理，學(xué)生會出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣低，枯燥乏味的現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象，在實際教學(xué)工作中，除了采用常規(guī)的板書、課件的教學(xué)之外，還通過發(fā)揚團隊精神。針對常州工學(xué)院新能源專業(yè)辦學(xué)特色，總結(jié)了一套教學(xué)方法，其中包括線上線下結(jié)合教學(xué)、案例教學(xué)法、理論實踐結(jié)合法以及考核方式多樣化等教學(xué)方法，提升了教學(xué)效果。以下是針對這些方面所采取的具體教學(xué)改革措施[1]。

一、線上線下結(jié)合教學(xué)

如今，線上的教學(xué)資源越來越豐富，在線開放課程建設(shè)，幾乎涵蓋了高校大多數(shù)門類課程，尤其是國家精品課程，學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富，教學(xué)環(huán)節(jié)科學(xué)合理。在特殊時期，大部分在線精品課程對高校學(xué)生開放，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了便利。如今的授課方式也越來越多，如QQ群、騰訊會議、釘釘?shù)?，可以實現(xiàn)屏幕共享、實時交流、答題等。根據(jù)學(xué)校疫情防控要求，在學(xué)生開學(xué)的兩周內(nèi)，進行線上教學(xué)，這就要求線上教學(xué)將會成為常態(tài)。在線上教學(xué)環(huán)節(jié)，除了講授課程的知識點，還會通過介紹X射線是如何發(fā)現(xiàn)的，X射線在醫(yī)學(xué)和安檢方面應(yīng)用等，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。授課過程中，教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺，密切關(guān)注學(xué)生的疑問，并進行有效的溝通與點評，對于表現(xiàn)積極的同學(xué)進行適當(dāng)表揚。雖然是線上教學(xué)，也要設(shè)計教學(xué)過程，確定教學(xué)目標(biāo)，在課堂上也可以設(shè)置搶答環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。線上教學(xué)模式為線下教學(xué)確實提供了一個載體，對線下教學(xué)提供了有效的補充。但是，從目前的信息技術(shù)水平來看，線上教學(xué)更適合單純的知識學(xué)習(xí)和信息傳遞，而對于教學(xué)過程中思想碰撞、情緒互動，面對面的交流是不可替代。因此，現(xiàn)在多數(shù)課程都是采用線上線下相結(jié)合的授課方式。線下課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，就可以就重點與難點進行深入講解。比如，在X射線衍射原理中，布拉格方程是重中之重，為了了解學(xué)生掌握情況，可以讓學(xué)生到黑板上進行板書，這時候?qū)W生展現(xiàn)出的學(xué)習(xí)效果是最真實的。學(xué)生完成之后，教師會對學(xué)生結(jié)果進行點評。這樣可以實現(xiàn)師生、生生之間良好互動，活躍課堂氛圍，同時鍛煉了學(xué)生表達能力。課程結(jié)束之后，期末考試之前，可以給學(xué)生布置一個任務(wù)，讓學(xué)生去總結(jié)這門課學(xué)到了哪些知識？學(xué)了這門課意義是什么？對于老師的授課方式有什么意見？有的學(xué)生可能會不敢提意見，會有心理負擔(dān)，這時候就要跟學(xué)生講清楚總結(jié)的意義是什么。第一，是對這門課的總結(jié)，有利于對該課程形成整體的認(rèn)識，加深理解，同時思考該門課的應(yīng)用；第二，提升教學(xué)效果，因為老師自己可能很難知道自己存在的問題，站在學(xué)生的角度可能更加直觀感受到老師授課存在的不足[2]。

二、案例教學(xué)法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常只告訴學(xué)生如何做，但是其內(nèi)容在實踐中可能不夠?qū)嵱?。教師得?fù)雜的儀器工作原理以灌輸式講解，會損害學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。案例教學(xué)法則要求學(xué)生去獨立思考，引導(dǎo)學(xué)生能力的培養(yǎng)，同時重視師生之間的雙向交流，使得枯燥無味的內(nèi)容變得生動有趣。作為常州工學(xué)院開設(shè)的新能源科學(xué)與工程專業(yè)，光伏是特色。在上課之前，教師通過精心思考和謀劃，設(shè)計一些有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題能力的案例。例如，以如何區(qū)分單晶和多晶硅？如何得知單晶硅電池腐蝕之后的微觀形貌？如何得知一個原子的大小等實際案例開展教學(xué)，讓同學(xué)去探討，發(fā)揮想象力。隨后，引出所要講授的知識點，X射線衍射儀通過判定衍射峰的位置，與PDF卡片對比，就可以得知硅的結(jié)晶特性；單晶硅太陽能電池腐蝕之后，出現(xiàn)金字塔的微觀結(jié)構(gòu)，可以通過掃描電子顯微鏡進行直接觀察；通過給大家展示單晶硅的高倍透射電子顯微鏡圖，就可以知道一個原子的尺寸是在埃（0.1納米）數(shù)量級，這些問題都可以通過現(xiàn)代分析測試方法得到，同時也向大家展示了《材料分析方法》的重點所在。教學(xué)科研團隊與光伏企業(yè)有著深入而廣泛的合作，可以將取得的一些最新的科研成果，展現(xiàn)給學(xué)生，這樣可以讓學(xué)生更加直觀地感受到測試分析方法的應(yīng)用。掃描隧道顯微鏡是一種新型表面測試分析儀器，可原位觀察表面原子組態(tài)，其工作的基本原理是量子隧道效應(yīng)，由于學(xué)生沒有學(xué)過量子力學(xué)，在講述該原理時就會出現(xiàn)一些困難。這時候，教師就可以采用類比的方法，如在騎自行車上坡過程中，如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，此時再講述恒電流恒高度工作模式，學(xué)生就比較容易所懂。在實施案例教學(xué)法過程中，大學(xué)生都能參與到討論，活躍了課堂氛圍，增強了分析以及解決問題的能力[3]。

三、理論實踐結(jié)合法

本課程是一門注重實際應(yīng)用的課程[4]，學(xué)生通過理論的學(xué)習(xí)，了解儀器的構(gòu)造、工作原理和應(yīng)用之后，加入教師的研究課題，通過實際操作，觀察測試過程，就可以對儀器設(shè)備更加了解。比如，根據(jù)自身科研方向，讓學(xué)生參與其中。在進行樣品測試之前，指導(dǎo)老師會再次介紹儀器的硬件組成、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、樣品要求、測試步驟等，對于設(shè)備容易出現(xiàn)的故障和原因也有必要和學(xué)生重點強調(diào)，介紹時候要詳略得當(dāng)，有序銜接，突出重點。比如，掃描電子顯微鏡是分析材料微觀結(jié)構(gòu)的常用測試手段，具有分辨率高、景深大、放大倍率連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點，用于觀察材料的表面和截面結(jié)構(gòu)，分辨率為納米級。利用掃描電鏡測試二氧化鈦納米陣列微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，在測試過程中，可以發(fā)現(xiàn)納米世界的紛繁與美麗，納米花、納米薄片、納米顆粒、納米陣列等。通過X射線衍射儀測試分析二氧化鈦材料，就可以知道二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)，金紅石、銳鈦礦或者板鈦礦，這樣就可以根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)特征，在不同的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用[4]。X射線衍射儀是由X射線發(fā)生器、測角儀、輻射探測器及記錄單元構(gòu)成，教材上所使用的方法X射線源固定，樣品和探測器聯(lián)動，而實驗室的設(shè)備是樣品固定，X射線發(fā)生器以及探測器轉(zhuǎn)動，但是工作原理相同，在以后的科研和工作中，經(jīng)常會出現(xiàn)儀器設(shè)備構(gòu)造不同，但只要原理掌握透徹，將理論知識運用到實踐中，就可以解決實際問題。本科學(xué)生很少有機會接觸昂貴的大型設(shè)備，通常會抱有濃厚的興趣，因此，在給學(xué)生介紹的時候，要抓住時機展現(xiàn)儀器的“魅力”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。但是，當(dāng)學(xué)生真正面對和操作儀器時，會出現(xiàn)一定的畏縮心理。這時候，要鼓勵學(xué)生，不要怕出現(xiàn)錯誤，在合理范圍內(nèi)讓學(xué)生自己操作。在國外一些高等學(xué)校，比如墨爾本大學(xué)電鏡測試中心，學(xué)員在獲得獨立操作資質(zhì)之前，需要學(xué)習(xí)一定的理論知識，然后進行理論考試，理論考試通過之后，會在網(wǎng)上進行實操模擬。該模擬是針對某個特定的儀器設(shè)備的，模擬實操合格之后，再去參加工程師面對面培訓(xùn)，工程師根據(jù)自己的經(jīng)驗對學(xué)員進行考核，通過之后，就獲得獨立操作儀器設(shè)備資質(zhì)了[5]。

四、考核方式多樣化

傳統(tǒng)的考核方式，一般由平時成績和考試成績兩部分構(gòu)成，期末考試一般會占主導(dǎo)地位，而平時成績構(gòu)成也相對簡單，如出勤、平時作業(yè)等。因此，學(xué)生對于課堂教學(xué)沒有足夠的重視，通常會以速記等方式來應(yīng)付期末考試，爭取得到高分?？荚嚱Y(jié)束之后，學(xué)生學(xué)生會忘記所學(xué)知識，學(xué)習(xí)的主動性、積極性和持續(xù)性沒有得到很好發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，因此，過程性考核就顯得格外重要?，F(xiàn)代教育也要求，教學(xué)從傳統(tǒng)的應(yīng)試教育不斷向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，過程考核能夠體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力，通過積極引導(dǎo)學(xué)生，重視學(xué)習(xí)過程中知識的積累、問題的思考和能力的創(chuàng)新，弱化期末考試突擊的學(xué)習(xí)態(tài)度和方式。在開始上課之前，制定了“N+1”過程性考核方案，形成了成績評定標(biāo)準(zhǔn)，其中1表示課程結(jié)束之后進行的期末考試。在期末考試的題型設(shè)計上，教學(xué)團隊進行了專門的研討，得出一致結(jié)論，就是盡量多出主觀題，以此體現(xiàn)學(xué)生對于知識的綜合運用能力，而少出選擇、填空和判斷題等客觀題，把期末考試占總評比例定為50%。N代表著在對于過程考核的N種方式，N通常與課程的學(xué)分有關(guān)，學(xué)分越高，考核方式盡量越多。選取習(xí)題作業(yè)、專業(yè)實驗、調(diào)研報告作為過程性考核材料，所有的過程性考核材料在課程結(jié)束前完成。習(xí)題作業(yè)是檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果的有效方式，通過習(xí)題作業(yè)的練習(xí)，可以對知識點起到鞏固和思考的作用，將習(xí)題作業(yè)貫穿整個教學(xué)過程，針對學(xué)生普遍出現(xiàn)的問題，在課堂上進行認(rèn)真的點評和講解，使學(xué)生能夠更好地理解知識要點，作業(yè)成績占總評分?jǐn)?shù)的15%。專業(yè)實驗通常安排在理論課之后，由于理論知識相對抽象，會對部分學(xué)生學(xué)習(xí)帶來困難，而通過儀器設(shè)備的直接觀察和操作就可以更好理解，同樣，在充分地了解理論之后，就可以更好地操作設(shè)備，專業(yè)實驗成績占總評分?jǐn)?shù)的15%。完成一份調(diào)研報告簡單，但是高質(zhì)量地完成一份調(diào)研報告就需要下很大功夫，需要查閱很多的文獻資料，進行信息的提取和匯總，最后得出核心思想并整理成文，還要對文本排版，是一個系統(tǒng)工程。在這個過程中，學(xué)生的綜合能力會得到體現(xiàn)。疫情期間，學(xué)生擁有更多的線上時間，可以查閱到豐富的資料。該部分的考核非常適合于線上線下結(jié)合的教學(xué)模式，調(diào)研報告占總評比例為20%。通過過程性考核方案實施，學(xué)生更加重視課堂學(xué)習(xí)，而不是簡單的期末考試，學(xué)生的綜合能力也得到培養(yǎng)，分析問題和解決問題能力得到明顯提升[6]。

結(jié)語

針對新能源科學(xué)與工程專業(yè)特色和測試分析方法課程特征，采取了線上線下結(jié)合授課方式，線上教學(xué)可以實現(xiàn)單純的知識學(xué)習(xí)和信息傳遞，線下教學(xué)可以實現(xiàn)思想碰撞，情緒互動。案例教學(xué)法可以通過講述問題的分析和解決過程，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力；理論實踐結(jié)合法，學(xué)生通過參加教師科研課題，將理論知識用于解決實際問題，而通過實踐，學(xué)生又可以更好地理解理論知識，實現(xiàn)良性循環(huán)；考核方式多樣化，重視過程性考核，避免了學(xué)生考前突擊的局面，使得學(xué)生綜合能力得以提升?？偠灾?，教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容的改革，其根本的目的在于轉(zhuǎn)變學(xué)生被動接受知識的行為，形成主動學(xué)習(xí)，熱愛學(xué)習(xí)的習(xí)慣，重點培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力。