材料組織結(jié)構(gòu)表征課程學習興趣探索

劉梅帥，何博

（1.上海工程技術(shù)大學 高溫合金精密成型研究中心，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學 材料工程學院，上海 201620）

材料科學與工程專業(yè)醞釀于20 世紀50 年代末，創(chuàng)建于60 年代初，已歷經(jīng)半個世紀。材料科學是以物理、化學為基礎(chǔ)，結(jié)合冶金、機械和陶瓷等學科，以求探討材料的內(nèi)在規(guī)律，研究材料的成分、組織、性能與合成加工關(guān)系的多學科交叉學科。在材料學科的發(fā)展過程中，為提高材料性能、改善材料質(zhì)量和擴大材料種類，必須通過現(xiàn)代科學理論和實驗手段，從宏觀現(xiàn)象到微觀結(jié)構(gòu)測試分析，以加深對材料本質(zhì)的認知，從而使得材料科學理論和實驗表征手段飛速發(fā)展。根據(jù)材料科學與工程學科的發(fā)展需求，基于新經(jīng)濟形勢下工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展對人才的培養(yǎng)需求，以及新工科教學改革的契機，本校特開設了材料組織結(jié)構(gòu)表征課程，以期為學生研究科學問題奠定理論基礎(chǔ)，同時也為高等院校的相關(guān)課程提供一定的參考。

一、教學現(xiàn)狀

材料組織結(jié)構(gòu)表征課程是上海工程技術(shù)大學材料類專業(yè)開設的一門研究生基礎(chǔ)課，主要詳細介紹了材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與顯微成分的分析表征方法。材料的顯微組織結(jié)構(gòu)主要包括顯微化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶粒尺寸、晶粒形貌、相含量與分布、界面特征、位相關(guān)系和內(nèi)應力等內(nèi)容。因此，本課程主要介紹下述表征手段以獲取多尺度全方面的組織結(jié)構(gòu)信息，其內(nèi)容主要包括金相顯微鏡（OM）、X 射線衍射儀（XRD）、熱分析儀（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）及其配備的電子背散射衍射（EBSD）裝置、電子探針（EPMA）、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等幾種材料表征方法的基本原理、儀器構(gòu)造、檢測過程、應用領(lǐng)域、待測樣品制備技術(shù)、實驗結(jié)果及其相關(guān)分析處理手段等。通過材料組織結(jié)構(gòu)表征課程的系統(tǒng)學習，學生掌握相應的基礎(chǔ)知識、基本技能及必要的理論基礎(chǔ)，明確材料組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，能夠合理選擇適宜的表征手段開展材料組織與結(jié)構(gòu)的分析測試，從而具備開展材料科學研究和解決材料科學與工程領(lǐng)域相關(guān)問題的能力。

材料組織結(jié)構(gòu)表征作為一門承上啟下的材料類基礎(chǔ)課程，學生學習理解的程度，密切關(guān)系到學生是否能夠利用所學的表征手段合理分析專業(yè)問題，解決實驗過程中的疑點和難點。該課程作為一門化學、物理、冶金、晶體、材料、生命科學、精密加工與特種加工，以及納米技術(shù)等多學科交叉的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有發(fā)展性、實踐性和綜合性強的特點。而且，材料組織結(jié)構(gòu)表征課程教學內(nèi)容多而繁雜，還涉及光學、物理學、波譜學、電磁學和晶體學等理論基礎(chǔ)知識。由于該課程具有知識繁多、內(nèi)容抽象、更新速度快、連貫性差和實踐性差等特點，使得課程內(nèi)容的教學有一定的困難，學生的學習理解也相對較難，尤其是學生對材料組織結(jié)構(gòu)表征課程的學習興趣也相對比較低。

眾所周知，興趣是最好的老師。學生只有在學習過程中體會到獲取知識的樂趣，才能主動去學習、理解并掌握新知識，才會產(chǎn)生強烈的求知欲。因此，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生對課程的學習和掌握能力，是材料組織結(jié)構(gòu)表征課程的教學難題之一?；诖?，本文結(jié)合教學經(jīng)驗，初步探討激發(fā)學生對材料組織結(jié)構(gòu)表征課程學習興趣的有效的教學方法和手段，以期培養(yǎng)學生的學習興趣，進而提高學生的學習熱情，同時完善學生的知識儲備。

二、改革措施

基于上海工程技術(shù)大學材料組織結(jié)構(gòu)表征課程的教學內(nèi)容、教學現(xiàn)狀、教學經(jīng)驗，以及尚存在的課程內(nèi)容枯燥且學生學習興趣較低的相關(guān)問題，本文針對性地采用了如下課程改革措施。

（一）舉例論證，引入主題

材料組織結(jié)構(gòu)表征課程本質(zhì)即介紹分析各種材料的組織結(jié)構(gòu)表征手段，如金相顯微鏡、X 射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等設備。然而材料又與人們的日常生活息息相關(guān)，研究材料的出發(fā)點也是提高材料的質(zhì)量與性能，從而進一步改善人們的生活質(zhì)量。因此，授課教師可從實際生活出發(fā)，舉例論證日常生活所見材料的廣泛應用及研究意義，進而引出學習各種表征材料設備的重要性與必要性，從而激發(fā)學生的學習興趣和求知欲。

例如，從航空航天、軍工武器出發(fā)，2021 年5 月15日中國航天科技集團有限公司研制的天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功。那么，如何獲知天問一號探測器由哪些材料、哪些成分組成呢？如何檢測該探測器對自身的材料都有什么特殊要求（強度、塑性、疲勞性能和腐蝕性能等）呢？通過何種處理方法加工制備這些材料才能達標呢？又如何表征這些材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及綜合性能是否滿足需求呢？有哪些要求達標？又有哪些要求不達標呢？基于上述一系列的問題，激發(fā)學生的求知欲、探索欲及學習興趣。

因此，通過借助當前最新的社會新聞、社會熱點或者網(wǎng)絡頭條等信息，可以很好地引起學生的關(guān)注度，激發(fā)共鳴，集中學生的注意力，把他們的思緒拉回課堂，帶入課程內(nèi)容。再通過這一系列問題的提出，組織學生自行查閱資料、小組討論等，進而引發(fā)他們的求知欲及學習熱情。最后再進一步結(jié)合材料組織結(jié)構(gòu)表征課程內(nèi)容，對上述問題進行一一闡述、解答并引深，以激發(fā)學生的學習興趣點，從而正式引入課程主題內(nèi)容。

（二）圖文并茂，輔助學習

在課程學習過程中，授課教師可穿插介紹相關(guān)科研項目、科研論文及實驗課題等，與學生共同分享學習，以提高學生對于課程內(nèi)容的學習興趣。通過介紹相關(guān)科研項目、前沿期刊及高水平學術(shù)論文，實時跟蹤掌握最先進的材料組織結(jié)構(gòu)表征手段，以激發(fā)學生對于課程內(nèi)容的求知欲和學習欲，提高學生對知識點的學習能力與掌握能力，也能更簡單清晰地理解不同表征設備之間的聯(lián)系與區(qū)別及其應用范圍。同時老師在教學過程中，還需要采用圖片、動畫和視頻等形式豐富文字理論內(nèi)容，將較抽象且難以直觀描述清楚的重點和難點，演繹得更加生動形象，從而便于學生理解。

譬如，授課老師可以將自己研究的課題內(nèi)容及發(fā)表的論文在課堂上與學生分享學習。在課題的研究過程中，需要解決哪些科學問題、實際應用問題或者國家發(fā)展瓶頸的問題。以該問題為出發(fā)點，都需要通過哪些表征設備獲取哪些數(shù)據(jù)，具體獲取的數(shù)據(jù)、使用的各個設備，以及選擇每種表征設備的原因，都可以和學生一一介紹。通過展示獲取的數(shù)據(jù)圖片，分析解決問題，讓學生進一步認識到學習并理解掌握各種表征手段的重要性，以培養(yǎng)學生的學習興趣。同時，在授課過程中添加課外知識、圖片數(shù)據(jù)及期刊文獻，也可進一步豐富課堂內(nèi)容，提高學生的專注度，輔助學生對課堂知識深入的理解，也為乏味枯燥的課堂內(nèi)容學習增添一絲生機。

（三）實踐操作，加深理解

材料組織結(jié)構(gòu)表征課程作為一門典型的理論與實踐緊密相結(jié)合的研究生課程，授課教師不僅要在課堂上對各個表征設備的基礎(chǔ)信息、運行原理及應用領(lǐng)域進行詳細剖析，還需要帶領(lǐng)學生進入實驗室進行動手實踐操作，讓學生切實地去感知、去發(fā)現(xiàn)和去體驗課堂上抽象的理論知識。通過在該課程中加入實踐操作的課程內(nèi)容，將會顯著提高學生的學習興趣和學習熱情，發(fā)掘?qū)W生的學習潛能，加深學生對于抽象知識的學習理解，從而也能進一步提高該課程的教學效果。

例如，在學習光學顯微鏡（OM）的時候，可以帶領(lǐng)學生進入實驗室，教學生親自對樣品進行砂紙打磨、機械拋光、化學腐蝕及清洗干燥，而后通過實踐操作光學顯微鏡觀察自己制備的樣品的組織狀態(tài)，實際觀察晶粒的尺寸、位置、分布和形狀等組織形貌特征，以及學會區(qū)分劃痕、雜質(zhì)和水漬等污染物。通過這一系列的學習及操作，不但可以激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的動手能力，還可以幫助學生對該部分課堂內(nèi)容更好地理解與掌握。

對于其他大型設備，例如透射電子顯微鏡（TEM），由于設備稀缺、操作復雜，可以直接帶領(lǐng)學生參觀透射電子顯微鏡實驗室。以實際表征設備為基礎(chǔ)，通過讓學生近距離觀察透射電子顯微鏡，對該設備有一個宏觀的概念，同時對該設備的各個零件及其功能進行一一介紹，并對材料進行實踐檢測，讓學生親眼見到不同操作步驟不同條件下所觀察到的材料的組織結(jié)構(gòu)信息的區(qū)別。例如，通過操作透射電子顯微鏡的物鏡光闌、選區(qū)光闌、電子束斑或者傾轉(zhuǎn)樣品不同角度等步驟，讓學生親眼見到衍射斑點、明場像、暗場像、等傾條紋和菊池花樣等課堂上難以理解的抽象內(nèi)容。通過課堂的理論學習及實踐操作，幫助學生們對復雜抽象難懂內(nèi)容進一步理解。同時，實踐操作過程中還可以進一步帶領(lǐng)學生更直觀地認識材料中的納米顆粒、位錯、孿晶（圖1）和原子等極其細小微觀組織結(jié)構(gòu)，加深學生對于抽象概念的認知與理解。因此，對于材料組織結(jié)構(gòu)表征這門課程，通過理論教學與實踐操作的共同運用，可更好地調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的求知欲，加深學生對課堂內(nèi)容的理解與掌握。

圖1 透射電鏡觀察下的孿晶

（四）辯證探討，反客為主

通過改變傳統(tǒng)的“填鴨式”教學模式，合理設置不同課程主題，組織學生依據(jù)個人興趣進行分組討論，讓學生踴躍參與到教學的互動過程中來，以更生動更有趣的討論教學方式去引導學生學習，以更簡潔明快的節(jié)奏去調(diào)動學生的積極性，使學生在學習過程中逐步培養(yǎng)學習信心和學習興趣。通過“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式，提高學生的主觀能動性，在五十分鐘的課堂教學過程中，讓學生成為課堂教學內(nèi)容的主導者，同時淡化教師角色，在課堂教學過程中扮演輔助者，幫助學生解決課堂內(nèi)容中的疑難問題，把握大方向。

例如，分別設置掃描電子顯微鏡課題組、透射電子顯微鏡課題組和X 射線衍射儀課題組，讓學生自主選擇自己感興趣的課題組，自行組隊并查詢相關(guān)課題內(nèi)容資料。在資料的查閱過程中，既可培養(yǎng)學生的搜集信息能力，又可以加深學生對于該部分內(nèi)容的理解和掌握。而后，課上不同課題組的學生再根據(jù)自己的論點，通過幻燈片的方式，為其他同學介紹自己所選的表征設備的優(yōu)缺點及應用前景，同時回答來自其他不同課題組的學生的問題。通過這種分組展示、分組辯論及解答問題的方式，深化學生們對于課堂內(nèi)容的理解。而教師則要在學生搜集信息、展示成果及辯論過程中為他們答疑解惑，提供幫助，同時解決學生們遇到的各種疑難問題。通過這種互動交流方式，可以更好地調(diào)動學生主動學習的積極性，給學生留出獨立思考和自學的機會，進而強化學生對知識的認知。

（五）線上教學，學生主導

當今社會，隨著網(wǎng)絡媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，學生們已經(jīng)逐漸習慣性地利用網(wǎng)絡來獲取知識、學習知識并分享知識，網(wǎng)絡化教學模式已逐漸成為當今“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的主流模式，線上教學也將成為大勢所趨，這將是促進教育現(xiàn)代化發(fā)展的重要支撐，同時也是更符合新時代學生學習知識的新形勢。此外，由于線上教學的特殊性、新穎性，也可以更好地培養(yǎng)學生的學習興趣，還可引導學生進行自主學習和深入學習，同時也能拓展學生的知識面。

例如，線上教學可以把課前導讀、課上測驗、課后復習及知識點拓展等相關(guān)內(nèi)容進行綜合設計。由此，學生可根據(jù)自己的時間、學習進展和感興趣點等對課程內(nèi)容進行自主選擇，學習時間也更加靈活。同時，教師還可以根據(jù)不同學生的學習資源時長、傾向資源類型、習題正確率、作業(yè)完成度、討論發(fā)帖數(shù)和使用活躍度等情況，針對性地進行實時統(tǒng)計分析。在課堂講授過程中，授課教師可根據(jù)學生課前學習的統(tǒng)計數(shù)據(jù)更清楚地了解學生學習進展，掌握學生的學習情況。進而授課教師可以學生為主體，通過針對性講解、提問和討論等方式幫助學生查漏補缺，全面掌握授課內(nèi)容。課后，教師還可通過統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，獲取學生感興趣的內(nèi)容及展現(xiàn)方式，有針對性地在平臺布置相關(guān)類型的習題作業(yè)、討論小組等，以進一步培養(yǎng)學生的學習興趣，加深學生的學習效果，引導學生們積極主動地學習。

三、結(jié)束語

本文論述了當前材料組織結(jié)構(gòu)表征課程教學現(xiàn)狀，針對教學中存在的問題，從培養(yǎng)學生興趣為出發(fā)點，在提高學生的學習積極性方面開展了教學內(nèi)容和教學方法的改革嘗試，在激發(fā)和提高學生對該課程的學習興趣方面效果顯著。綜上所述，通過舉例論證切入主題、圖文并茂輔助教學、實踐操作深化理解、學生分組辯證討論實現(xiàn)反客為主，以及線上教學引導學生自主學習等改革措施，將進一步提高材料組織結(jié)構(gòu)表征課程的教學效果，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對課程內(nèi)容的學習理解與掌握，也為新工科教學提供新思路和新方法。