《材料研究與測試實驗》課程的教學改革與探討*

李必慧，楊海平，倪 靜，趙雙琪

(湖北工程學院化學與材料科學學院，湖北 孝感 432000)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種新型的材料不斷涌現(xiàn)，對這些新材料的表征離不開大型精密儀器，而大型精密儀器是高校和科研院所開展科學研究和教學工作的基礎(chǔ)。因此，《材料研究與測試方法》及相關(guān)課程成為材料類專業(yè)本科生乃至研究生的必修課程之一[1]。該課程可以使學生了解和掌握材料成分分析和結(jié)構(gòu)表征的方法，為以后學生的就業(yè)和獨立開展科研工作打下堅實的基礎(chǔ)[2]?！恫牧涎芯颗c測試實驗》是《材料研究與測試方法》對應(yīng)的實踐課程，能夠鞏固和加深學生對所學知識的理解，訓練實驗操作技能，培養(yǎng)學生的實踐能力和科學研究興趣。本文作者結(jié)合近年來實驗教學經(jīng)驗，指出了《材料研究與測試實驗》課程中存在的問題，并有針對性地提出了教學改革措施。

1 教學現(xiàn)狀及分析

湖北工程學院(以下簡稱“我?！?是一所地方性本科院校，作者所在的化學與材料科學學院目前有材料化學、材料科學與工程和高分子材料與工程三個材料類工科專業(yè)。《材料研究與測試方法》及《材料研究與測試實驗》是我校材料類專業(yè)的主干課程，安排在第5學期，分別是48學時和24學時，主要介紹了X射線衍射分析、電子顯微分析、綜合熱分析及光譜分析等儀器的原理、操作及結(jié)果分析。經(jīng)過多年的發(fā)展，我校已擁有X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、熱分析儀，各類光譜分析儀和色譜分析儀等大型儀器，且每臺儀器有專人操作和維護，基本上涵蓋了《材料研究與測試方法》課程中介紹的儀器，使得實驗課能正常進行。但是在教學過程中，一直存在下面的問題：

1.1 學生課堂參與度低，學習熱情不高

《材料研究與測試實驗》課程一般從以上儀器中選出8臺，以每次課3學時來完成學習。大型儀器價格昂貴，購買和維護成本高，因此，早期實驗課以教師講授，演示為主，少量學生作為代表簡單操作儀器，課程上完后很多學生沒有印象。在實驗課上，學生不能動手操作，長此以往，學生對該課程會逐漸失去興趣。

1.2 儀器臺套數(shù)不足，生均學時少，實驗內(nèi)容少

大型儀器由于價格昂貴，很多儀器只有一臺，學生必須分組并排隊等候方能上機操作。由于學生人數(shù)眾多，等待時間可能遠大于上機時間，這樣實驗中落實到學生的生均實驗時間很低，實驗內(nèi)容偏少。學生在等待操作儀器時，會小聲說話，或者玩手機，課堂秩序較差。

1.3 教師負擔重，疲于應(yīng)付，教學效果差

大型儀器的操作比較復雜，在制樣及結(jié)果分析中還需操作者具有豐富的經(jīng)驗。《材料研究與測試實驗》課程涉及的儀器種類多，而不同的研究領(lǐng)域，常用的儀器不同，因此同一個教師不可能精通所有儀器。由一個教師單獨上該課程，教師在課前要花大量的時間熟悉儀器，在講授過程中又由于平時應(yīng)用不多而缺乏實例，不僅教師負擔重，而且教學效果也不佳。

2 課程改革與措施

作者結(jié)合多年的教學經(jīng)驗，針對本校《材料研究與測試實驗》課程的教與學，從以下三個方面提出改革：

2.1 小班化教學

小班化教學模式就是在控制班級人數(shù)的基礎(chǔ)上進行教學[3]。這種教學模式具有優(yōu)于大班教學的時空及資源條件，提高了學生學習的主觀能動性，增加了師生比例，且教師有足夠時間對學生進行個別指導[4]。

本?？紤]學生的人數(shù)和專業(yè)，將其分為8組，每組人數(shù)在15～20人之間，進行小班化教學。每次課同時開設(shè)8臺儀器的實驗，每位老師只需負責一臺儀器的教學，學生每次進不同的實驗室上課，每周依次循環(huán)來完成學習。如果遇到非通用儀器，學生循環(huán)和儀器會稍作調(diào)整。另外，針對不同的專業(yè)，每臺儀器對應(yīng)的具體實驗內(nèi)容會根據(jù)專業(yè)特點稍作調(diào)整。如對于實驗《X射線衍射定性分析》，關(guān)于儀器的原理和操作方法的講解每組都相同，但在具體測試中會考慮專業(yè)特點分別提供無機或聚合物樣品給學生測試。在結(jié)果分析部分，會依據(jù)峰形和峰位進行分析，確定樣品的物相。最后與學生一起總結(jié)無機材料或高分子材料的X射線衍射圖譜的特點。

采用小班化教學后，每位教師只用教授一臺儀器對應(yīng)的實驗內(nèi)容，可以全身心地投入，利用豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗教學；而對學生來說，在同樣的時長內(nèi)，每人上機時間延長了，通過對儀器及測試條件的摸索能留下更深的印象。小班化教學已在本門課程教學中實施，教學中既減輕了教師的負擔，又改善了學生的學習效果。

2.2 混合式學習

混合式教學是一種將面對面的傳統(tǒng)教學和新興的網(wǎng)絡(luò)化教學優(yōu)勢結(jié)合的一種教學模式，可以更好地發(fā)揮教師在教學中的引導、啟發(fā)等主導作用，更好地發(fā)揮學生在學習過程中的主動性和積極性[5]。預(yù)習是實驗課前的必要環(huán)節(jié)，由于實驗和儀器場地的限制，學生沒有接觸儀器而使預(yù)習效果不佳。在實驗的預(yù)習環(huán)節(jié)，《材料研究與測試實驗》可以依托學習通與虛擬仿真實驗開展線上教學，這可以作為實體實驗教學的重要補充。線上以知識學習為主，儀器操作訓練為輔。新課之前，教師提前在學習通中發(fā)放實驗內(nèi)容，包括儀器的原理和基本結(jié)構(gòu)，操作方法視頻等內(nèi)容。學生在上機操作前必須完成上述內(nèi)容的學習，這就讓學生在上機等待過程中有事可做。

價格昂貴的大型儀器一般只有一臺，且儀器的維修經(jīng)費少、周期長。很多儀器的實驗參數(shù)不能讓學生改變以避免儀器的人為損壞，這就影響學生的學習效果。虛擬仿真實驗可以通過計算機模擬真實的實驗場景，完成一些在線下實驗室不便于完成的內(nèi)容。我校的“材料化學虛擬仿真實驗教學中心”為省級實驗教學示范中心，配備了較先進的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲器。目前我校已與公司合作開發(fā)了“高效過濾材料設(shè)計和應(yīng)用虛擬仿真實驗軟件”，后期經(jīng)過進一步合作，可開發(fā)本課程實驗所需的虛擬仿真軟件。虛擬仿真實驗不僅能讓學生學習到儀器的原理，儀器結(jié)構(gòu)等基本內(nèi)容，同時設(shè)置了一些不便于調(diào)節(jié)的參數(shù)，豐富和優(yōu)化實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容互動性較強，可選擇性強，也可實時反饋輸出信息，方便學生自主探索調(diào)節(jié)技術(shù)及相關(guān)的實驗問題，具有一定的可延展性和可探究性。將虛擬仿真實驗作為線下實驗課的補充，可以豐富實驗內(nèi)容。

通過混合式學習的方式，合理利用學生等待上機時間，解決了大型儀器臺套數(shù)不夠，生均實驗時間不足的問題。學生在學習通上對提前發(fā)布的內(nèi)容進行預(yù)習，再利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)熟悉儀器的基本操作和實驗參數(shù)的調(diào)節(jié)，能提高后續(xù)上機實物操作的學習效率。這種混合式學習既補充和深化了實驗教學內(nèi)容，又發(fā)揮了以學生為本的教育理念。

2.3 分組化數(shù)據(jù)處理與分析

學生在完成了線上學習和上機操作后，還需要對數(shù)據(jù)進行處理與分析。目前，不管是畢業(yè)論文中，還是公開發(fā)表文章，都需要將各種數(shù)據(jù)通過軟件繪圖，因此學生必須掌握常用軟件如Jade、Origin的使用，為將來的論文及就業(yè)做好準備。為了激發(fā)學生的興趣，采用小組比賽的形式，4～5人一組，記錄小組繪圖時間，評價圖片效果。最后對圖片進行分析和討論，并將結(jié)果計入學生平時成績中。學生分組后，在最短的時間內(nèi)通過組內(nèi)合作進行繪圖和分析，組外同學通過互評和討論發(fā)現(xiàn)問題，提高了學生的參與度，有利于提升學生的分析和解決問題的能力。

3 結(jié) 語

通過分析湖北工程學院材料類專業(yè)《材料研究與測試實驗》課程的教學現(xiàn)狀及存在的問題，提出了小班化教學，混合式學習，分組化數(shù)據(jù)處理和分析等基本措施，解決了學生上課積極性差，儀器臺套數(shù)不足，生均上機時間短，實驗內(nèi)容不夠飽滿等問題。該課程的教學改革是一項長期的工程，我們需要結(jié)合不同時代學生具有的特點，不斷開創(chuàng)適應(yīng)性較強的教育教學新思維和新方法，逐步提高教學質(zhì)量。