航空特色微課在材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

于占軍，李明玉，袁慶新，衛(wèi)萌，曾凡光，崔節(jié)虎

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 材料學(xué)院，河南鄭州 450046）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料在日常生活、國(guó)防建設(shè)及科學(xué)研究中的地位日趨重要，人們對(duì)材料組成、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系越來(lái)越關(guān)注。材料測(cè)試技術(shù)是主要介紹用于材料表征的各種儀器分析的基本原理、試驗(yàn)方法及應(yīng)用的一門(mén)課程，是材料類本科生的專業(yè)核心課程之一[1-2]。該課程具有多學(xué)科知識(shí)的交叉性和技術(shù)的實(shí)用性，能為學(xué)生將來(lái)讀研及工作奠定良好的基礎(chǔ)。材料測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)X 射線衍射分析、光譜分析（例如激光拉曼、紫外可見(jiàn)、紅外、核磁共振、熒光等光譜）和各種電子顯微鏡等的儀器原理、 測(cè)試過(guò)程及采樣數(shù)據(jù)處理方法，能夠根據(jù)材料特點(diǎn)及表征目的，選擇正確的材料分析研究方法，對(duì)材料的微觀本征信息進(jìn)行表征，為揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系提供有力證據(jù)[3]。但該課程涉及的表征儀器多，儀器原理及測(cè)試方法理論性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容難度大，導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。

微課是圍繞教材中的某個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)或疑點(diǎn)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解的教學(xué)短視頻，具有目標(biāo)明確、層次清晰、語(yǔ)言簡(jiǎn)練、內(nèi)容翔實(shí)和效果較好等特點(diǎn)[4-5]。其以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，學(xué)生可利用手機(jī)、電腦或PAD 隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，突破了時(shí)間與地點(diǎn)的限制，操作簡(jiǎn)單方便，適合網(wǎng)絡(luò)時(shí)代大學(xué)生的生活與學(xué)習(xí)[6-8]。此外，通過(guò)微課視頻，學(xué)生課前可結(jié)合教材對(duì)理論和實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)預(yù)習(xí)中的疑難點(diǎn)通過(guò)課堂聽(tīng)講或與同學(xué)、任課教師討論得以解決；課后可對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固和拓展，課前與課后反復(fù)學(xué)習(xí)的方式可使學(xué)生牢固掌握課程的核心內(nèi)容。微課不但改變了單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式，為學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)提供了條件，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果[9-12]。

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院是一所具有航空航天特色的綜合性大學(xué)，將學(xué)校的航空特色、微課和材料測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)有機(jī)融合，緊密聯(lián)系航空航天現(xiàn)代化工業(yè)及科技發(fā)展的實(shí)際需求，體現(xiàn)材料測(cè)試與航空工業(yè)技術(shù)之間的橋梁作用，是課程思政貫穿材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)過(guò)程的具體體現(xiàn)。本文初步探索在材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)過(guò)程中結(jié)合航空特色微課使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)基本理論的掌握，使專業(yè)教學(xué)和思想政治教育同向同行，實(shí)現(xiàn)育人和育才相統(tǒng)一[13-14]，并激發(fā)學(xué)生對(duì)材料測(cè)試技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣和積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。

1 材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 學(xué)情分析

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院材料成型及控制專業(yè)、材料科學(xué)與工程專業(yè)、應(yīng)用物理學(xué)及功能材料專業(yè)學(xué)生均需要學(xué)習(xí)材料測(cè)試技術(shù)課程，每屆學(xué)生約300 人。根據(jù)材料測(cè)試技術(shù)課程性質(zhì)，一般安排在其他基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)后的大三開(kāi)設(shè)，分為理論與實(shí)踐兩個(gè)部分。依據(jù)每學(xué)年的期末考試統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)每學(xué)年需補(bǔ)考或重修的學(xué)生占該課程學(xué)習(xí)總?cè)藬?shù)的9%左右。經(jīng)過(guò)與這些學(xué)生深入交流了解到，他們認(rèn)為該課程知識(shí)面廣、內(nèi)容分散、基礎(chǔ)理論和物理概念多、應(yīng)用性強(qiáng)、難懂。另外，部分學(xué)生未養(yǎng)成課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)的良好習(xí)慣，導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)效果不理想。

1.2 教學(xué)存在的問(wèn)題

（1）教學(xué)內(nèi)容瑣碎，理論知識(shí)深?yuàn)W。材料測(cè)試技術(shù)理論課是以材料、物理、化學(xué)、電子、光學(xué)等為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，課程內(nèi)容包括諸多儀器分析方法，且每章內(nèi)容又可細(xì)分為較多的材料研究方法，每種儀器的概念和測(cè)試原理方法多，重要知識(shí)點(diǎn)既抽象深?yuàn)W又零碎易混淆。多數(shù)學(xué)生難以完全理解課程的重要知識(shí)點(diǎn)。部分學(xué)生由于對(duì)材料測(cè)試技術(shù)原理的本質(zhì)不理解，導(dǎo)致難以選擇合適的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行材料的研究。（2）教學(xué)內(nèi)容陳舊，未與時(shí)俱進(jìn)。隨著科技的快速發(fā)展，新型材料的出現(xiàn)，對(duì)新的材料表征手段的需求增加，新測(cè)試儀器或舊儀器升級(jí)改造后的新測(cè)試原理和方法不斷出現(xiàn)，各種儀器更新?lián)Q代較快，而目前大部分教材仍保持幾年才更新一次，甚至內(nèi)容只有小改動(dòng)，難以體現(xiàn)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的最新研究成果。例如，大部分教材在敘述不同儀器的測(cè)試原理及測(cè)試過(guò)程時(shí)舉的例子仍然是傳統(tǒng)材料的組成結(jié)構(gòu)形貌圖，且課后練習(xí)題多數(shù)是關(guān)于原理的，缺乏與現(xiàn)代材料工程結(jié)合的實(shí)際案例，很難激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。（3）教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)少，育人效果不佳。隨著國(guó)家對(duì)學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)要求的不斷提高，學(xué)生學(xué)習(xí)的課程數(shù)目增多，該課程卻由原來(lái)的48 學(xué)時(shí)縮至32 學(xué)時(shí)，理論課只有28 學(xué)時(shí)。教師需在較短時(shí)間內(nèi)完成較多理論教學(xué)任務(wù)，多以知識(shí)講授為主，較少與學(xué)生互動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)深層次的原理難以理解。同時(shí)，教師講課期間很難有時(shí)間融入課程思政。（4）教學(xué)內(nèi)容理論與實(shí)踐分離，教學(xué)效果不佳。 學(xué)校一般先進(jìn)行測(cè)試技術(shù)理論課的講授，后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課。學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)較多理論知識(shí)，難以理解儀器的工作原理且印象不深刻。理論課結(jié)束進(jìn)行實(shí)踐課時(shí)，部分學(xué)生已忘記相關(guān)理論知識(shí)，只能按照儀器說(shuō)明書(shū)操作。實(shí)踐課只有4 學(xué)時(shí)，學(xué)生對(duì)大部分儀器只是參觀，沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)際動(dòng)手操作。

2 航空特色微課在材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用探索

2.1 航空特色材料測(cè)試技術(shù)微課設(shè)計(jì)

在微課內(nèi)容與課件設(shè)計(jì)方面，教師要從材料測(cè)試技術(shù)課程的航空航天特色內(nèi)容和特征出發(fā)，將抽象性和理論性較強(qiáng)的內(nèi)容形象化和生動(dòng)化，并將課程的內(nèi)容進(jìn)一步精煉、細(xì)化和分解。在內(nèi)容細(xì)分過(guò)程中，教師要基于學(xué)生已掌握的知識(shí)，注意內(nèi)容結(jié)構(gòu)的完整和清晰，確定每一小部分的教學(xué)目標(biāo)、重點(diǎn)和難點(diǎn)。一般情況下，高校材料測(cè)試技術(shù)的授課任務(wù)通常由一個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)擔(dān)任，各授課教師擅長(zhǎng)不同材料、不同學(xué)科的研究工作，有各自的科研領(lǐng)域，因而，各模塊知識(shí)點(diǎn)的航空特色微課可以由不同教師分別講授，取各家之長(zhǎng)。

例如，緒論部分可從材料測(cè)試技術(shù)組織形貌分析、物相分析、成分價(jià)鍵分析、分子結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行分類設(shè)計(jì)和制作微課。在選擇微課素材時(shí)，教師可以從航空材料所需的微觀組織、結(jié)構(gòu)、形貌表征出發(fā)，引入當(dāng)前的發(fā)展特點(diǎn)及現(xiàn)狀，讓學(xué)生了解我國(guó)航空航天在現(xiàn)代化建設(shè)中的重要作用。教師可介紹長(zhǎng)征運(yùn)載火箭、天宮空間站、神州載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船、天問(wèn)探測(cè)器、嫦娥探月工程等航空航天工程的成功實(shí)施，展現(xiàn)我國(guó)航空航天科技及綜合國(guó)力的增強(qiáng)，這些都離不開(kāi)航空航天工作者的不懈努力和辛勤工作。教師還可以向?qū)W生介紹我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料在世界上的地位，以及與發(fā)達(dá)國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)的差距。通過(guò)緒論的講解，使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)的同時(shí)增強(qiáng)文化自信和民族自豪感，厚植愛(ài)國(guó)情懷，激發(fā)為航空航天事業(yè)科技創(chuàng)新的動(dòng)力及航空?qǐng)?bào)國(guó)熱情，樹(shù)立遠(yuǎn)大的理想，使課程思政達(dá)到價(jià)值引領(lǐng)的效果。

2.2 航空特色微課在材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

2.2.1 利用航空航天實(shí)例，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力

教師可采用航空航天材料中的一些典型案例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力以及對(duì)材料測(cè)試技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣。無(wú)論是航空航天器上的螺絲釘材料，還是機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等大部件材料，在研發(fā)航空部件時(shí)，均需要材料測(cè)試儀器作為輔助，讓學(xué)生意識(shí)到材料測(cè)試技術(shù)在航空領(lǐng)域及國(guó)家重大科技領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中的重要作用。例如，在學(xué)生預(yù)習(xí)掃描電鏡章節(jié)時(shí)，教師可提前通過(guò)微課向?qū)W生展示生活中及航天航空領(lǐng)域的各種輕合金及超高強(qiáng)度鋼的有趣案例，以此導(dǎo)入航天航空中用的鋁合金、鎂合金、鈦合金及超高強(qiáng)度鋼；采用視頻結(jié)合圖片的形式講解鈦合金的掃描電鏡表征的原理及操作過(guò)程時(shí)，可以引入我國(guó)航空鈦合金奠基人顏鳴皋院士的事跡圖片，介紹其在艱苦的環(huán)境下嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和吃苦耐勞的精神，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷、科學(xué)精神；教師還可以圖片和文字的形式呈現(xiàn)激光鈦合金增材制造專家王明華院士的事跡，讓學(xué)生了解3D 打印鈦合金最新工藝技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用以及對(duì)科技進(jìn)步的重要意義，激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新；在舉例航空鋁合金電鏡表征時(shí)，教師可以引入大國(guó)工匠毛臘生的事跡，培養(yǎng)學(xué)生要干一行、愛(ài)一行、專一行、精一行的職業(yè)操守觀。通過(guò)一系列航空航天的應(yīng)用實(shí)例，啟發(fā)學(xué)生深入思考，讓學(xué)生了解材料測(cè)試技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用及在國(guó)家科技發(fā)展過(guò)程中的意義，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.2.2 測(cè)試原理航空特色微課形象化，增強(qiáng)實(shí)踐基礎(chǔ)

材料測(cè)試技術(shù)課程涉及的測(cè)試方法有X 射線衍射分析、光譜分析、熱分析及各種電子顯微鏡等。能夠理解和熟練掌握每種測(cè)試技術(shù)所涉及的測(cè)試工作原理和分析過(guò)程是學(xué)習(xí)材料測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵，但是這些原理各不相同，理論性強(qiáng)，且枯燥易混淆，簡(jiǎn)單地以語(yǔ)言進(jìn)行講解，學(xué)生很難理解。若是制作微課，在講解儀器測(cè)試原理時(shí)，依據(jù)講解步驟配以對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫(huà)演示，能夠使學(xué)生清晰觀察到儀器各部件的作用及詳細(xì)動(dòng)作過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)各種材料測(cè)試儀器工作原理的理解和掌握，這些動(dòng)畫(huà)演示可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)軟件制作或網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)課資源整合獲得。例如，X 射線衍射分析是將特定波長(zhǎng)的X 射線照射到晶體材料上，該射線因材料內(nèi)具有規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，使X 射線在某些特定方向的相位加強(qiáng)，進(jìn)而獲得與該測(cè)試材料晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的衍射圖譜。對(duì)于該原理過(guò)程，單純的語(yǔ)言講解過(guò)于抽象，學(xué)生很難真正理解，以微課配合具體測(cè)試實(shí)例動(dòng)畫(huà)進(jìn)行講解，則學(xué)生能直觀觀察其原理。實(shí)例表征航空航天用高溫金屬結(jié)構(gòu)材料的XRD 的測(cè)試過(guò)程，通過(guò)視頻或動(dòng)畫(huà)講解測(cè)試過(guò)程，引入師昌緒院士的先進(jìn)事跡，他解決了一系列技術(shù)難題，使我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片由鍛造到鑄造、由實(shí)心到空心，并引領(lǐng)和推動(dòng)了我國(guó)多個(gè)材料學(xué)科的發(fā)展，在我國(guó)的科技戰(zhàn)略發(fā)展中作出了巨大的貢獻(xiàn)；通過(guò)動(dòng)畫(huà)或視頻展示測(cè)試原理和過(guò)程使學(xué)生更容易掌握儀器工作原理及分析方法，增強(qiáng)實(shí)踐基礎(chǔ)，并引入航空航天典型事例，對(duì)學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)及科學(xué)精神起到潤(rùn)物無(wú)聲的作用。

2.2.3 航空特色微課輔助實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)踐能力

制作材料測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)微課能夠使學(xué)生更好地理解測(cè)試原理的本質(zhì)、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法及過(guò)程，數(shù)據(jù)處理及討論等環(huán)節(jié)，以及每種測(cè)試技術(shù)在測(cè)試過(guò)程中的注意事項(xiàng)。由于測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)涉及的都是大型儀器，一旦損壞，不僅維修費(fèi)用較高，而且也會(huì)耽誤教師和研究生的科研測(cè)試。實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生相對(duì)較多，難以保證每位學(xué)生都能在離儀器很近的地方觀看教師操作。在材料測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)前錄制微課，記錄大型儀器的操作步驟，配合講解，插入啟發(fā)式教學(xué)并設(shè)置問(wèn)題，能夠使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶，可以降低大型儀器的損壞概率。對(duì)于各種儀器的測(cè)試原始數(shù)據(jù)的處理，教師可將常用的材料研究方法處理數(shù)據(jù)軟件的數(shù)據(jù)處理詳細(xì)過(guò)程錄制成短視頻，通過(guò)微課的形式發(fā)送給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，減少實(shí)驗(yàn)中錯(cuò)誤的出現(xiàn)，并解決離儀器較遠(yuǎn)的學(xué)生看不到操作細(xì)節(jié)的問(wèn)題，也解決了實(shí)驗(yàn)步驟較多、數(shù)據(jù)處理過(guò)程煩瑣，部分學(xué)生容易忘記等問(wèn)題，學(xué)生可以通過(guò)微課視頻熟悉每個(gè)操作步驟。通過(guò)課堂演示與微課預(yù)習(xí)可使學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)課理論原理與操作的理解，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。例如，教師在講解透射電鏡時(shí)，以具體C/C復(fù)合材料表征為例，透射電鏡儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理和操作復(fù)雜，通過(guò)微課的展示，學(xué)生很容易理解；同時(shí)引入我國(guó)航空C/C 復(fù)合材料開(kāi)創(chuàng)者和奠基人黃伯云院士的事跡，其堅(jiān)忍不拔的科研精神會(huì)對(duì)學(xué)生起到很好的教育作用。通過(guò)航空特色微課使學(xué)生學(xué)會(huì)了每種儀器從原理、測(cè)試到數(shù)據(jù)處理分析的完整流程，增強(qiáng)了實(shí)踐能力，潛移默化地使學(xué)生建立科研報(bào)國(guó)的理想信念。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將航空特色微課與材料測(cè)試技術(shù)傳統(tǒng)課堂有機(jī)融合，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣和積極性，加深對(duì)所學(xué)儀器的測(cè)試原理、測(cè)試過(guò)程及采樣數(shù)據(jù)分析處理的理解，提升學(xué)生使用各種材料測(cè)試儀器的綜合能力，提高材料測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)效果。教師在講授理論知識(shí)的同時(shí)，融入航空特色思政元素，使專業(yè)知識(shí)講解和思政元素深度融合、貫穿始終，培養(yǎng)學(xué)生家國(guó)情懷、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、愛(ài)崗敬業(yè)、堅(jiān)韌不拔、銳意創(chuàng)新精神。航空特色微課在材料測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐達(dá)到了育人育才相統(tǒng)一，既使學(xué)生學(xué)會(huì)了知識(shí)，掌握了材料測(cè)試技術(shù)，也使學(xué)生堅(jiān)定了將所學(xué)專業(yè)技術(shù)用于國(guó)家建設(shè)的決心和信念。