《材料分析與測試技術(shù)》課程立體化教學(xué)改革與實(shí)踐*

宋 飛，成娟娟，彭美勛，肖秋國，趙宏偉，劉 歡

(湖南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，化工與材料國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心，湖南 湘潭 411100)

1 課程重要性及存在的問題

1.1 課程重要性

《材料分析與測試技術(shù)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門必修專業(yè)課，通過對材料表征的闡述指明各類材料研究的手段和方法[1]。課程主要介紹材料分析和測試技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及其與應(yīng)用之間的相互關(guān)系，涵蓋了從測量元素組成的原子光譜、X射線熒光光譜，到表征物相結(jié)構(gòu)的X射線衍射儀、透射電子顯微鏡等系列儀器設(shè)備[2]。

伴隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，材料科學(xué)與工程不斷取得具有重大意義的突破性進(jìn)展，層出不窮的新型材料正翻天覆地改變著人們的生活習(xí)慣。不同的應(yīng)用場景對材料的性能提出不同的參數(shù)指標(biāo)，大力推動著材料向著高、精、尖方向發(fā)展[3]。因此，廣大科技工作者對新型材料的研發(fā)方式也發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，由過去“大海撈針”式的方法探尋最佳配方、最佳工藝參數(shù)，逐步向基于具體的技術(shù)性能指標(biāo)，從基礎(chǔ)源頭設(shè)計出滿足需求的高性能材料。值得注意的是材料的設(shè)計需要深入掌握不同材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝及性能之間的關(guān)系，而這離不開揭示該關(guān)系的利器—材料分析與測試技術(shù)。

隨著我國材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)升級以及“中國制造2025”等人才戰(zhàn)略方針的頒布，日新月異的社會對新時代下技術(shù)人才的基本素質(zhì)提出了更高要求。例如，攻克芯片“卡脖子”問題急需大量熟悉材料開發(fā)及測試表征的專業(yè)人員，協(xié)助處理完成科技攻關(guān)項目中的各類棘手問題[4]。綜上所述，《材料分析與測試技術(shù)》課程的教學(xué)改革，不僅有利于顯著提升技術(shù)人才的知識儲備水平，而且對于滿足社會日益增長的復(fù)合型人才需求具有積極意義。

1.2 課程存在的問題

《材料分析與測試技術(shù)》課程內(nèi)容涉及范圍較為廣泛，知識點(diǎn)瑣碎，內(nèi)容更新較快，并且課程講述的各類表征方法繁雜。目前該課程的教學(xué)以課堂上教師講授為主，存在課時有限導(dǎo)致相關(guān)知識的傳遞不足并且學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度較低的問題。由于不同學(xué)生的感悟、理解能力存在較大差異，故課堂講授難以兼顧各個層次同學(xué)的學(xué)習(xí)需求。存在部分同學(xué)已經(jīng)建立了完整的知識框架體系并較好地掌握了相關(guān)知識點(diǎn)，而另一部分同學(xué)尚未完全熟悉知識點(diǎn)內(nèi)容的情況。特別是同學(xué)們對課程教學(xué)中的難點(diǎn)和興趣點(diǎn)截然不同，當(dāng)需要深入了解和進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)時，卻苦于無翔實(shí)的資料，極大阻礙了大家學(xué)習(xí)的熱情和主觀能動性的發(fā)揮。

《材料分析與測試技術(shù)》作為一門理論和實(shí)踐聯(lián)系緊密的專業(yè)必修課，需要在學(xué)以致用的過程中逐步加深對核心知識點(diǎn)的掌握和理解。然而，該課程配套的實(shí)驗課通常安排在課程全部講授完成之后，存在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的情況，無法實(shí)現(xiàn)“趁熱打鐵”，進(jìn)而加深同學(xué)們對于相關(guān)知識點(diǎn)的理解和把握。此外，實(shí)驗課教學(xué)通常采用教師現(xiàn)場講解演示，而學(xué)生在旁進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)的方式，僅偶爾可進(jìn)行簡單的實(shí)踐操作，原因是大型儀器設(shè)備的價格昂貴，維護(hù)成本較高[5]。目前，大型儀器設(shè)備的數(shù)量較少，尚無法滿足大量學(xué)生同時進(jìn)行實(shí)踐操作的需求。因此，較多同學(xué)對儀器設(shè)備的操作過程、數(shù)據(jù)采集分析等相關(guān)內(nèi)容并不熟悉，對知識點(diǎn)的理解僅停留在紙面，教學(xué)效果欠佳。

2 課程立體化教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1 立體化教學(xué)方法與改革途徑

立體化教學(xué)是基于學(xué)、導(dǎo)多維立體化互動的教學(xué)模式，需保證學(xué)習(xí)資源整合多元化、課程講授傳遞多樣化、學(xué)習(xí)支持豐富化，充分讓學(xué)習(xí)者能夠發(fā)揮主觀能動性[6]。一般立體化教學(xué)模式具體表現(xiàn)為教學(xué)資源的立體化、教學(xué)形式的立體化以及教學(xué)時空的立體化，相應(yīng)的學(xué)習(xí)者即可獲得立體化的學(xué)習(xí)環(huán)境、立體化的學(xué)習(xí)方式[7]。目前，私播課以及慕課的大規(guī)模興起，極大地促進(jìn)了高校加大建設(shè)開放教學(xué)資源的力度，這為立體化教學(xué)的實(shí)施提供了有利的土壤。同時，百花齊放的教學(xué)資源也促進(jìn)了國內(nèi)高校教師充分利用立體化教學(xué)模式進(jìn)行初步的嘗試以及相應(yīng)的教學(xué)改革。筆者針對《材料分析與測試技術(shù)》的課程特點(diǎn)以及教學(xué)中的突出問題，嘗試將立體化教學(xué)模式應(yīng)用到課程教學(xué)活動中。綜合考慮課程瑣碎、駁雜的知識點(diǎn)和極強(qiáng)的實(shí)踐性特征，重點(diǎn)對教學(xué)資源立體化和教學(xué)方式立體化進(jìn)行改革與實(shí)踐。

2.2 課程教學(xué)資源立體化實(shí)踐

教學(xué)資源立體化主要表現(xiàn)為教學(xué)資源的豐富化、形象化，生動化。首先，通過現(xiàn)代多媒體技術(shù)，合理整合各類資源，構(gòu)建多姿多彩的學(xué)習(xí)中心和平臺。其次，結(jié)合課程教學(xué)具體環(huán)節(jié)，對各種教學(xué)資源進(jìn)行高效優(yōu)化，有層次地遴選合適的知識點(diǎn)。然后，基于課程教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，集中力量對核心知識點(diǎn)進(jìn)行濃縮升華，將視頻、動畫、聲音、圖片等相關(guān)資源綜合處理成易于接受的、有助于形象化理解的學(xué)習(xí)材料。整個環(huán)節(jié)著重根據(jù)不同層次的學(xué)生特性，將相應(yīng)的知識點(diǎn)進(jìn)行全面、有序、精準(zhǔn)地呈現(xiàn)，做到因材施教，有的放矢。配套的教學(xué)資源緊扣生活中的實(shí)際體驗，將抽象的理論知識變得形象化，生動化，增加同學(xué)們深入學(xué)習(xí)的興趣，提升對相關(guān)知識點(diǎn)的領(lǐng)悟。例如，基于生活中純鐵制品暴露氧氣中生銹的認(rèn)知，逐步展開能譜儀、波譜儀以及能量損失譜儀的學(xué)習(xí)，形象有序地從元素組成逐步向元素價態(tài)探索過渡。教學(xué)資源中增加了生產(chǎn)研發(fā)案例，進(jìn)一步加深同學(xué)們對知識點(diǎn)的理解。從學(xué)習(xí)反饋的效果來看，大部分同學(xué)均能夠基于自己的興趣點(diǎn)，由點(diǎn)帶面地學(xué)習(xí)并掌握了相關(guān)內(nèi)容。少部分同學(xué)甚至沿著興趣方向查閱了大量期刊文獻(xiàn)，不僅拓寬了視野，而且提升了自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 課程教學(xué)形式立體化實(shí)踐

教學(xué)形式立體化主要是將知識點(diǎn)的呈現(xiàn)方式多樣化、綜合化，使學(xué)習(xí)內(nèi)容的傳遞過程變得豐富多彩。借助多維度的知識點(diǎn)表達(dá)過程，匹配最佳的學(xué)習(xí)和理解途徑，讓重難點(diǎn)知識變得平易近人。將傳統(tǒng)教學(xué)形式和現(xiàn)代多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)形式等有機(jī)聯(lián)合并綜合使用，共同構(gòu)成教師和學(xué)生、線下和線上、現(xiàn)實(shí)和虛擬的立體化教學(xué)形式。線下根據(jù)課程性質(zhì)和內(nèi)容，科學(xué)利用現(xiàn)場授課，結(jié)合私播課、多媒體課件以及圖像、動畫等形式多維度地展示傳遞知識點(diǎn)，確保同學(xué)們將相關(guān)知識原理內(nèi)化為自身一部分。線上教學(xué)主要基于筆者團(tuán)隊配套制作的智慧樹在線精品課程—《材料分析與測試技術(shù)》，充分讓同學(xué)們進(jìn)行個性化的自主學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)過程中遇到的難題可通過在線輔導(dǎo)進(jìn)行答疑解惑。為保證線下和線上學(xué)習(xí)的交叉和互補(bǔ)，對二者的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行遴選，確保良好的教學(xué)效果。事實(shí)上，為激發(fā)該課程的趣味性和生動性，甚至對線上課程性質(zhì)和目標(biāo)的呈現(xiàn)也進(jìn)行了“立體化”處理。例如，運(yùn)用了“偵材識料”的措辭和諧音，向同學(xué)們言簡意賅、形象生動地傳達(dá)了課程宗旨，如 圖1所示[8]。在線平臺的學(xué)習(xí)測驗結(jié)果表明同學(xué)們均較好地掌握了相關(guān)內(nèi)容，收獲了良好的學(xué)習(xí)效果。

圖1 線上課程學(xué)習(xí)平臺

利用現(xiàn)場教學(xué)優(yōu)勢，匹配相應(yīng)的線上教學(xué)形式，同時結(jié)合虛擬仿真平臺，三管齊下則可彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)的脫節(jié)。課程緊扣理論教學(xué)、虛擬仿真平臺以及實(shí)踐教學(xué)之間的互動關(guān)系，積極組建教與學(xué)，課上和課下，現(xiàn)實(shí)和虛擬的立體化教學(xué)形式。建設(shè)的材料類專業(yè)大型儀器虛擬仿真平臺涵蓋了透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等相關(guān)設(shè)備，如圖2所示。在理論教學(xué)完成后，同步指導(dǎo)同學(xué)們利用該平臺熟悉相關(guān)儀器設(shè)備的工作原理、組成構(gòu)造、操作步驟以及數(shù)據(jù)的采集處理。虛擬仿真平臺的監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示同學(xué)們操作熱情高漲，針對自己薄弱環(huán)節(jié)甚至反復(fù)練習(xí)多達(dá)數(shù)十次。通過持續(xù)不斷的演練不僅有助于深入理解儀器特性，實(shí)現(xiàn)對知識點(diǎn)的全方位吸收，而且為后續(xù)的實(shí)驗課環(huán)節(jié)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，有利于實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的高度融合。課程結(jié)束后上交的實(shí)驗報告顯示同學(xué)們不僅較好地掌握了儀器設(shè)備的使用方法，還擁有了一定的數(shù)據(jù)處理與解析能力。將環(huán)環(huán)相扣的立體化教學(xué)模式應(yīng)用于《材料分析與測試技術(shù)》課程，使平面化的課程變得立體和形象，保質(zhì)保量地達(dá)成了課程目標(biāo)。

圖2 虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺

2.4 立體化教學(xué)設(shè)計案例

掃描電子顯微鏡(SEM)采集的數(shù)據(jù)主要包括二次電子的形貌像和背散射電子的成分像，但二次電子和背散射電子的成像機(jī)制較為抽象，同時SEM儀器內(nèi)部的精密構(gòu)造和工作過程無法直接觀察。基于此進(jìn)行了詳細(xì)的立體化教學(xué)設(shè)計，具體涵蓋以下方面：(1)整理收集SEM廠商的發(fā)展故事，通過在線資源展現(xiàn)SEM行業(yè)背景及未來發(fā)展趨勢，使學(xué)習(xí)對象和探索內(nèi)容變得立體有趣；(2)課堂講授充分結(jié)合生活實(shí)際，巧妙借助“崇山峻嶺”(形貌)和“金山銀山”(成分)直觀、形象地呈現(xiàn)二次電子和背散射電子的成像差異及特點(diǎn)，讓SEM接“地氣”；(3)制作精美的動畫復(fù)現(xiàn)SEM的主要工作過程，不僅讓成像原理變得生動和易于理解，而且有利于感受SEM的設(shè)計思路；(4)利用SEM儀器的虛擬仿真平臺熟悉SEM的組成部件，并在實(shí)踐操作中大范圍調(diào)整參數(shù)獲得不同數(shù)據(jù)，印證理論知識，逐步加深對SEM的理解；(5)在線課程另選新角度重新對SEM成像襯度和構(gòu)造進(jìn)行詮釋，激發(fā)思考并推動知識的再吸收；(6)線上線下安排我問你答、你問我答等學(xué)習(xí)研討，鞏固升華對知識點(diǎn)細(xì)節(jié)的掌握。采用不同形式的立體化教學(xué)手段，從多個維度學(xué)習(xí)SEM工作原理，熟悉SEM構(gòu)造，掌握SEM操作，通過將理論和實(shí)踐進(jìn)行實(shí)時、緊密、多維度融合，最終實(shí)現(xiàn)高水平的學(xué)以致用，致知于行。

3 結(jié) 語

將立體化教學(xué)模式引入《材料分析與測試技術(shù)》課程的教學(xué)，重點(diǎn)針對教學(xué)資源和教學(xué)形式的立體化進(jìn)行改革和實(shí)踐。結(jié)果表明豐富的教學(xué)資源、有趣的在線課程學(xué)習(xí)平臺以及生動的虛擬仿真平臺均極大地增加了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興致，有利于發(fā)揮主觀能動性，并顯著提升相關(guān)知識的應(yīng)用水平，為立體化教學(xué)模式在專業(yè)必修課中的開展提供了參考和指導(dǎo)。