關(guān)于《材料研究方法與測試技術(shù)》課程教學(xué)的探索與實踐

＊于洋 王濤 富露祥 康海瀾 李鵬 張輝

（沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 110142）

《材料研究方法與測試技術(shù)》是材料類專業(yè)的核心課程。本課程是我院在原高分子材料與工程專業(yè)的《高分子材料剖析》、材料化學(xué)專業(yè)的《材料測試與研究方法》、無機非金屬材料工程專業(yè)的《材料現(xiàn)代分析方法》三門專業(yè)課的基礎(chǔ)上進行整合優(yōu)化，重新打造的一門寬口徑的專業(yè)平臺課程，是我院重點建設(shè)的一級學(xué)科課程之一。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量[1]。針對該課程教學(xué)內(nèi)容的特點，課程組秉承“OBE”的教學(xué)理念，以學(xué)生為中心，反向設(shè)計、整合教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)理念、教學(xué)模式、課程評價方式方面進行積極的探索，取得了良好的教學(xué)效果和階段性成果。2020年，本課程獲校級教育教學(xué)培育工程（課程改革項目）立項資助，同年被評為校級一流本科課程，校級“課程思政”示范課程，遼寧省一流本科課程（線下課程）。

1.課程教學(xué)中存在的問題分析

(1)教學(xué)內(nèi)容分散，知識點關(guān)聯(lián)度低、難度大，學(xué)生參與度低

由于本課程是一門寬口徑的專業(yè)平臺課程，要適應(yīng)不同專業(yè)的畢業(yè)要求，因此在教學(xué)內(nèi)容的組織上必須根據(jù)各專業(yè)的畢業(yè)要求進行整合，滿足課程目標對畢業(yè)要求的支撐。課程涉及到常用的材料分析檢測技術(shù)，包括X射線衍射、電子衍射、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、紅外光譜、核磁共振波譜、熱分析等。知識模塊內(nèi)包含各種分析檢測技術(shù)的基本原理、儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、樣品制備方法及測試條件、測試結(jié)果分析、測試結(jié)果的影響因素等。各部分內(nèi)容分散性大，彼此之間沒有必然的邏輯聯(lián)系[2]。因此，授課教師在組織教學(xué)內(nèi)容時很不方便，學(xué)生學(xué)起來通常感覺比較枯燥，嚴重地影響了教學(xué)效果。

(2)配套實驗不足，學(xué)生實踐能力無法滿足

本課程的教學(xué)內(nèi)容決定了它是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程[3]，但是在當前的實物實驗教學(xué)中，由于涉及到的大型分析檢測儀器價格昂貴，即使部分實驗教學(xué)能夠利用學(xué)校及學(xué)院的分析檢測設(shè)備完成，但是由于受設(shè)備管理與維護的制約，實驗課主要還是以演示為主，實驗指導(dǎo)教師也無法在實驗課上看顧所有學(xué)生進行實驗，更無法做到每個學(xué)生都能親自動手操作，教學(xué)效果大打折扣。另外，由于實驗項目的設(shè)置為單一測試方法，各項目之間相互獨立，沒有必然的聯(lián)系，學(xué)生的綜合實踐能力無法獲得。

(3)課程考核方式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

課程考核是人才培養(yǎng)過程中一個極其重要的環(huán)節(jié)。它不僅是一種檢測學(xué)生課程學(xué)習(xí)成績及教學(xué)效果的方式，即通過課程考核，評估學(xué)生掌握所學(xué)課程知識與所具有的能力，評價教學(xué)質(zhì)量，而且是課程建設(shè)水平乃至學(xué)校辦學(xué)理念的體現(xiàn)[4]。課程評價是一個教學(xué)信息反饋圈的有機組成部分，貫穿教學(xué)全過程。傳統(tǒng)的課程評價方式是終結(jié)性評價，即以期末一紙試卷來評定學(xué)生對課程的掌握程度。對學(xué)生來講，通常是死記硬背，平時學(xué)習(xí)興趣不高，期末臨時抱佛腳，常常是為了考試而考試，學(xué)習(xí)積極性不高[5]。

2.課程教學(xué)改革的探索與實踐

(1)基于OBE教學(xué)理念實施課程改革

成果導(dǎo)向（Outcome-Based Education，OBE）的教育理念是由美國教育家William G.Spady率先提出的，該理念是指教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。在美國、英國、加拿大等國家，OBE已經(jīng)成為教育改革的主流理念，隨后美國工程教育認證協(xié)會（ABET）全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終[6]。2013年6月，我國被接納為“華盛頓協(xié)議”簽約成員，越來越多的高校進行基于OBE的教育理念工程教育改革。本課程是典型的多學(xué)科綜合課程，根據(jù)工程教育認證的要求，合理優(yōu)化課程內(nèi)容、確定課程目標，來支撐不同專業(yè)的畢業(yè)要求。課程組基于OBE的教學(xué)理念，在教學(xué)實踐中，根據(jù)各專業(yè)的畢業(yè)要求，確定課程目標、教學(xué)大綱、反向設(shè)計優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

課程目標1.掌握衍射分析、光譜分析、電子顯微分析、熱分析等方法的基本原理，能夠根據(jù)需要正確選擇材料分析方法、測試技術(shù)，具備專業(yè)從事材料分析測試工作的初步基礎(chǔ)。掌握專業(yè)內(nèi)容的同時融合學(xué)術(shù)志向與專業(yè)理論，積極落實立德樹人的根本要求。了解科學(xué)理論的實用價值、中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的智慧和力量，理解社會制度的歷史性變革和國家取得的歷史性成就。

課程目標2.熟悉衍射分析、光譜分析、電子顯微分析、熱分析等方法的儀器設(shè)備、制樣方法、測試結(jié)果的影響因素，看懂或分析一般的測試結(jié)果（圖譜、圖像等）。正確認識材料與社會的關(guān)系，建立正確的工程倫理觀念。具有追求真理、實事求是、勇于探索與實踐的科學(xué)精神。

課程目標3.能夠結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)知識，選用適當?shù)牟牧涎芯颗c分析方法，進行簡單的實驗技術(shù)路線設(shè)計，解決基本工程問題。能夠與分析測試人員共同商討有關(guān)材料分析研究的實驗方案和分析較復(fù)雜的測試結(jié)果，具備通過繼續(xù)學(xué)習(xí)掌握材料分析測試的新方法、新技術(shù)的能力。養(yǎng)成良好的自我學(xué)習(xí)和信息獲取能力，創(chuàng)新設(shè)計能力，良好的溝通、合作、交流能力。

新的課程目標從知識、能力、素質(zhì)以及思政目標四個方面對課程提出了教學(xué)要求?；谝陨系恼n程目標，修訂各專業(yè)的教學(xué)大綱，優(yōu)化設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，開展相應(yīng)的教學(xué)活動，幫助學(xué)生實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)和思政目標。

(2)深度融合現(xiàn)代信息技術(shù)，建設(shè)SPOC課程

2013年，加州大學(xué)伯克利分校Armando Fox教授提出SPOC的概念。SPOC（Small Private Online Course是指“小眾私密在線課程”[7]。課程組利用“超星學(xué)習(xí)通”平臺，以國家級精品資源共享課作為輔助教學(xué)資源建設(shè)個性化的SPOC課程，實現(xiàn)優(yōu)勢教學(xué)資源共享。

課程組在建設(shè)SPOC課程的過程中，積極探索、整合資料，進一步完善了課程資源，在學(xué)習(xí)通平臺上建設(shè)了學(xué)習(xí)資料庫、作業(yè)庫、試題庫。任課教師根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)要求，定時發(fā)布教學(xué)資料供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，布置相應(yīng)的作業(yè)和任務(wù)點。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)清單的引導(dǎo)，按一定的時間節(jié)點，自主選擇合適的學(xué)習(xí)時間，完成視頻觀看、課程討論、作業(yè)習(xí)題，章節(jié)測驗等內(nèi)容。SPOC課程的引入，讓學(xué)生的課程學(xué)習(xí)由斷點式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S度、立體化、連續(xù)性的學(xué)習(xí)過程，將學(xué)習(xí)時間由線段式轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€式，將課下學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)無縫鏈接，使學(xué)習(xí)過程貫穿整個課程。

另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，本課程所包括的研究方法與測試技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代，應(yīng)用范圍也在不斷的拓寬。因此，授課教師在準備授課內(nèi)容時要密切關(guān)注研究前沿，適時更新課程的時效性內(nèi)容，延伸與拓展與其他學(xué)科的交叉，并適當增加課程內(nèi)容的難度和廣度，使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)既有輕微的不適感即有一定的壓力，同時又感覺到課程學(xué)習(xí)是有趣、有用的，充分體現(xiàn)課程“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”。

(3)配套實驗教學(xué)，增加虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是指借助計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，模擬出現(xiàn)實情境，讓學(xué)生對實驗場景或操作情況有直觀的了解和認識，從而達到掌握基本原理或鍛煉實際操作能力的教學(xué)目的[8]。如前所述，本課程是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程。因此，實驗課程的開設(shè)是對理論課程的有益補充。本課程在實驗課程中設(shè)計了16學(xué)時的實驗課，包括紅外光譜、熱重、掃描隧道顯微鏡、X射線衍射四個實驗項目。為了更好的讓學(xué)生理解材料現(xiàn)代研究方法與測試技術(shù)的原理、設(shè)備構(gòu)造、制樣方法、實驗結(jié)果獲取及分析，彌補由于實驗儀器設(shè)備昂貴無法滿足實體實驗的不足，從2020年，課程組與大連理工大學(xué)合作，引入MLabs虛擬仿真教學(xué)平臺開展虛擬仿真實驗試點教學(xué)。借助該平臺，共計發(fā)布掃描電鏡、核磁共振波譜、紅外光譜、原子力顯微鏡、X射線衍射、熱重6個虛擬仿真實驗項目。學(xué)生利用MLabs手機客戶端（圖1）在高度仿真的虛擬實驗環(huán)境下進行實驗，解決了硬件條件不足、時間地點受限、大型儀器安全等問題，得到了不同于傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的收獲。

圖1 MLabs手機客戶端登錄界面

(4)引入形成性評價方式

傳統(tǒng)的以期末一紙試卷來評定學(xué)生對課程的掌握已不適應(yīng)目前的教學(xué)需要，必須在評價過程中引入形成性評價，全面把握學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握。1967年，美國課程評價專家Scriven首次提出了“形成性評價”的概念[9]。美國當代著名教育家和心理學(xué)家Bloom指出：形成性評價是為了獲得反饋信息、改進教學(xué)、促進學(xué)生掌握尚未掌握的內(nèi)容所進行的評價[10]。形成性評價不僅能及時掌握學(xué)生的知識理論學(xué)習(xí)成績，而且還能涉及到學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、情感、策略、協(xié)作能力、批判性思維和創(chuàng)造能力等非智力因素的考核[11]。

課程組在教學(xué)實踐過程中，逐步嘗試改變原來由期末考試一張試卷決定最終課程成績的評價方式，針對知識、能力、態(tài)度三個層次的教學(xué)目標，設(shè)計了一套形成性評價體系（圖2）。該體系在不同學(xué)習(xí)階段設(shè)置相應(yīng)的評分點和權(quán)重，將課程教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)和步驟都納入評價體系，使課程評價考核更透明、清晰、科學(xué)。評價體系包括線上學(xué)習(xí)評價和線下學(xué)習(xí)評價兩部分。其中線上學(xué)習(xí)評價主要包括課程視頻、隨堂測驗、作業(yè)、小組討論、問卷調(diào)查、簽到問答等。學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況，可以通過手機和電腦同步完成，平臺系統(tǒng)記錄學(xué)生在線學(xué)期情況，教師可以在教師端對學(xué)生的具體表現(xiàn)給出評價。線上學(xué)習(xí)結(jié)果由平臺系統(tǒng)自動記錄并生成成績，客觀公正。線下學(xué)習(xí)評價部分包括課程實驗、期末考試、學(xué)習(xí)筆記、學(xué)案的記錄等。線上學(xué)習(xí)評價一般占比30%-40%，線下學(xué)習(xí)評價占比70%-60%，其中，期末考試不低于總評成績的50%。

圖2 《材料研究方法與測試技術(shù)》課程形成性評價體系

評價方式的改變使評價更加靈活多樣，與課程改革的多元目標相適應(yīng)。

(5)引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，促進學(xué)習(xí)效率提高

翻轉(zhuǎn)課堂的研究來源于Bloom修訂的認知領(lǐng)域分類學(xué)理論[12]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的普及和教育教學(xué)改革發(fā)展，為適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)的需求，以及學(xué)生在線學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)的需要，課程組在教學(xué)環(huán)節(jié)中適當引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式。學(xué)生利用SPOC課程平臺，通過任務(wù)點的學(xué)習(xí)完成課前學(xué)習(xí)任務(wù)，理論課前置。課上，學(xué)生帶著自主學(xué)習(xí)中的疑問，完成課中消化知識點的任務(wù)。理論課程結(jié)束后，將學(xué)生分成小組，根據(jù)所學(xué)課程內(nèi)容，選擇某一種研究方法在材料研究中的應(yīng)用或者某種材料研究中所涉及到的研究方法，查閱相關(guān)資料并在課堂講述，教師進行總結(jié)和知識延伸的講解。翻轉(zhuǎn)課堂已經(jīng)運行兩個學(xué)年，學(xué)生反饋良好，提高了學(xué)習(xí)效果。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入，將教師的角色從單純的知識傳授，轉(zhuǎn)變成整個課程體系的組織、設(shè)計者，更多的是起到為學(xué)生答疑解惑的作用，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成和自主學(xué)習(xí)能力的提高。翻轉(zhuǎn)課堂模式的引入，也促使本課程建立了過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合的多元化考核模式。同時，由于學(xué)生課程任務(wù)是基于團隊協(xié)作模式下完成的，也有效地促進了學(xué)生之間的團結(jié)協(xié)作與溝通。

3.總結(jié)與展望

課程組在《材料研究方法與測試技術(shù)》課程教學(xué)改革中進行了積極的探索與實踐。整合優(yōu)化課程內(nèi)容，確定了支撐不同專業(yè)畢業(yè)要求的課程目標；增加實驗學(xué)時比例并引入虛擬仿真實驗，對提高學(xué)生實踐能力起到了促進作用；設(shè)計形成性評價體系，讓學(xué)生功夫用在平時，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。目前存在的問題是SPOC教學(xué)平臺的引入對教師和學(xué)生而言提出了更高的要求，信息化教學(xué)團隊的建設(shè)仍需加強，學(xué)生對學(xué)習(xí)平臺還需進一步熟悉，提高線上自主學(xué)習(xí)效率。雖然引入了虛擬仿真實驗，但是對于特別貴重的分析檢測儀器的認識和操作仍然欠缺，還停留在圖片和網(wǎng)絡(luò)資源，需要進一步的探索和實踐。