陳文怡 聶曉蕾

摘? 要：《材料研究與測試方法》課程是一門講述材料測試儀器和方法的重要課程，是從事材料專業(yè)的專業(yè)必修課。由于《材料研究與測試方法》有很高的實(shí)踐應(yīng)用性，是本科生、研究生進(jìn)行科學(xué)研究論文的必備技能，對該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識體系的優(yōu)化，將提高學(xué)生的綜合素質(zhì)水平，增強(qiáng)學(xué)生的操作儀器和分析圖譜的能力。通過多元實(shí)踐教學(xué)過程的重構(gòu)，可提高該課程的教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考問題的能力和工程實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：《材料研究與測試方法》;教學(xué)體系優(yōu)化;重構(gòu);實(shí)踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）05-0092-04

Abstract： "The Material Research and Testing Methods" is an important course about material testing instruments and methods. Due to "The Material Research and Testing Methods" has a high practical applicability， is indispensable skill for undergraduate and graduate students for scientific research papers， the teaching content and teaching method of optimization of knowledge system， will raise the level of the students' comprehensive quality， enhance the students' ability of operating instruments and analysis of the map. Through the reconstruction of the teaching process of multivariate practice， the teaching quality of this course can be improved， and students' ability of independent thinking and practical engineering can be cultivated.

Keywords： "the Material Research and Testing Methods"; optimization of teaching system; refactoring; practice

在今天科技信息高速發(fā)展的時(shí)代，新材料層出不窮，對材料性能的要求越來越高，而材料性能與其組成和微觀結(jié)構(gòu)有著致密的關(guān)系，材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)所需的測試儀器更新?lián)Q代也在加速，測試的方法以及功能越來越多樣化。材料學(xué)科的學(xué)生的畢業(yè)研究論文和工作實(shí)踐中需要很多先進(jìn)的分析測試手段，如透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、X射線衍射、熱分析、紅外光譜、拉曼光譜、X射線光電子能譜等，因此通過《材料研究與測試方法》的教學(xué)，使學(xué)生了解用于結(jié)構(gòu)分析、成分分析、物性測定、形貌分析等多種現(xiàn)代測試技術(shù)方法，包括測試儀器基本原理、結(jié)構(gòu)、樣品處理、圖譜解析等。要求學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)，在今后的工作和科研中能正確選擇分析測試手段和方法來獲得所需的數(shù)據(jù)和圖譜。為學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位以及繼續(xù)深造奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。優(yōu)化《材料研究與測試方法》這門課程體系，讓學(xué)生多元化、多方位掌握研究材料的結(jié)構(gòu)、微觀組織、化學(xué)成分、物相，并與材料制備工藝、材料性能間的關(guān)系緊密聯(lián)系關(guān)聯(lián)。針對《材料研究與測試方法》這門專業(yè)基礎(chǔ)課的重要性，國內(nèi)有許多高校對《材料研究與測試方法》進(jìn)行了教學(xué)改革[1-6]，遼寧工業(yè)大學(xué)于景媛等人對現(xiàn)代材料測試方法課程的教與學(xué)進(jìn)行探討，洛陽理工學(xué)院李豪對《材料研究與測試方法》教學(xué)進(jìn)行了改革。

一、該課程的現(xiàn)狀

《材料研究與測試方法》 是一門課程內(nèi)容涵蓋面大，實(shí)用性強(qiáng)，涉及知識廣的核心課程，其目標(biāo)是培養(yǎng)材料專業(yè)學(xué)生掌握科學(xué)測試儀器的原理和結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用儀器的能力，以及對測試數(shù)據(jù)和圖譜的解析能力，在培養(yǎng)創(chuàng)新型材料工程人才中有著重要的地位。但在實(shí)際的課堂教學(xué)中，學(xué)生僅能掌握一些基本的儀器原理、構(gòu)造方面的知識，而缺少足夠的實(shí)際儀器操作，實(shí)踐中不能靈活運(yùn)用測試手段。針對這種狀況，如何在注重理論教學(xué)的同時(shí)，改進(jìn)教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)出既具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識，又具有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力的高素質(zhì)人才，是目前我們這門課程實(shí)踐教育中還待解決的問題。

《材料研究與測試方法》涉及晶體學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、量子學(xué)等學(xué)科，概念較抽象，原理和理論知識較多樣化，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會(huì)有些無從下手的感覺。一些理論知識偏向于專業(yè)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)后會(huì)和實(shí)際應(yīng)用相脫離，需要在讀研讀博時(shí)重新回爐。當(dāng)前的教材各個(gè)章節(jié)獨(dú)立為政，一個(gè)章節(jié)介紹一種方法，彼此之間缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來障礙，沒法將教材中相關(guān)知識和實(shí)踐進(jìn)行融會(huì)貫通，當(dāng)遇到實(shí)際問題時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)得無從下手。教學(xué)方式手段較單一，PPT教學(xué)和板書也難以將倒易點(diǎn)陣、復(fù)雜晶體衍射地講清楚。PPT授課時(shí)教師時(shí)，學(xué)生很少做筆記，很快過了就忘記了，也使得學(xué)習(xí)效果不好。

在和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系方面，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所涉及的測試設(shè)備均屬于大型設(shè)備，價(jià)值均上百萬，通常只有一兩臺，所以很難幾個(gè)學(xué)生一組來操作儀器，只有讓教師進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致老師講的多，學(xué)生動(dòng)手少、學(xué)生濫竽充數(shù)的多，真正收獲知識的少，且實(shí)驗(yàn)報(bào)告有抄襲現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)報(bào)告有雷同現(xiàn)象，理論和實(shí)踐很難相結(jié)合，沒有達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的效果。

二、多元化教學(xué)環(huán)節(jié)重構(gòu)

為了提高《材料研究與測試方法》課程教學(xué)的效率質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化課程體系的目標(biāo)，我們對教學(xué)方法、授課內(nèi)容進(jìn)行探索和優(yōu)化。多元化全方位地重構(gòu)教學(xué)方法，針對材料測試方法課程的理論知識較多較深，部分知識點(diǎn)偏于科學(xué)研究，且教材中知識更新不足，現(xiàn)代儀器更新?lián)Q代很快的特點(diǎn)，調(diào)整教材內(nèi)容適當(dāng)增加最新的科學(xué)儀器的知識點(diǎn)，同時(shí)注意結(jié)合學(xué)生參與的大學(xué)生導(dǎo)師制指導(dǎo)的課題，將具體的科研論文中所需的相關(guān)測試儀器和研究方法融入課堂教學(xué)中，我們建立了案例法、試題庫、網(wǎng)上SPOC 共享課程法相結(jié)合的多元化的教學(xué)體系。講課做到輕重分明、詳略得當(dāng)，重點(diǎn)突出，清理知識點(diǎn)的內(nèi)在多元聯(lián)系，每章后留習(xí)題等。如：

案例1：某學(xué)生的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目是熱電材料方鈷礦粉體的制備，粉體制備后，如何對粉體的形貌特性進(jìn)行表征呢？

通過材料測試方法的知識，我們指導(dǎo)學(xué)生來思考，納米顆粒首先考慮是通過透射電鏡或是掃描電鏡來對它的形貌特征進(jìn)行分析觀察，確定納米顆粒的尺寸大小和形狀、分布狀況、輪廓清晰度等。由于理論課上所學(xué)的知識告訴學(xué)生們透射電鏡放大倍數(shù)更高，分辨率更好，只是透射電鏡制樣麻煩，但我們是粉末樣品，在碳加強(qiáng)支持膜上可采用超聲波分散，透射電鏡還可根據(jù)象的透明程度的襯度來估計(jì)粉末顆粒是實(shí)心或空心，并采用選區(qū)電子衍射對晶體材料的物相和晶體取向進(jìn)行分析探討，所以即可觀察形貌又可對微觀結(jié)構(gòu)有些了解。通過這些課堂實(shí)例講授，讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到今后要應(yīng)用的測試實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生感到興趣盎然，這樣把材料學(xué)科和測試技術(shù)的發(fā)展最前沿的新信息、發(fā)展趨勢和會(huì)遇到的實(shí)際問題融于課堂教學(xué)中，大大提高了理論教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用之間的相互性，做到了學(xué)以致用。

三、優(yōu)化知識框架體系，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力

針對學(xué)生對材料測試方法的理論和實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象，我們優(yōu)化了傳統(tǒng)授課方式，結(jié)合MOOC+SPOC以及實(shí)驗(yàn)課，建立新的綱領(lǐng)性課程知識體系。通過課堂的授課，網(wǎng)絡(luò)慕課以及實(shí)驗(yàn)課三位一體的教學(xué)模式，讓學(xué)生學(xué)會(huì)提出問題、再想什么辦法來解決問題、以及最后采用何種措施來處理實(shí)際應(yīng)用問題的應(yīng)變能力。要做到不僅知其然還要知其所以然，在授課時(shí)，教師首先介紹各章節(jié)的主要提綱，使學(xué)生明白本章節(jié)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)目的和主要內(nèi)容，了解該章與前面章節(jié)有什么樣的聯(lián)系和區(qū)別。每次講課都要將本節(jié)課的關(guān)鍵知識點(diǎn)（或提綱）寫在黑板書，講課最后對所有知識點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)回顧，并闡述或以提問的方式理清儀器之間的邏輯關(guān)系，讓教學(xué)以儀器為主到以材料為主，這樣做到授課內(nèi)容和其他所學(xué)的材料知識相結(jié)合，相得益彰。每章授課后會(huì)和學(xué)生一起回顧內(nèi)容，建立知識點(diǎn)框架圖（ 如案例2），好讓學(xué)生明白各各種測試方法既是獨(dú)立的也是相互聯(lián)系的，它們往往會(huì)相互驗(yàn)證。如學(xué)習(xí)紅外光譜時(shí)，我們講解官能團(tuán)時(shí)，就可以和學(xué)生舉列在鑒別尼龍6和尼龍66時(shí)，即可用紅外儀鑒別官能團(tuán)又可采用熱分析DSC鑒別熔點(diǎn)的不同，來更好地區(qū)分這兩種材料。因?yàn)橐环N檢測方法很難給出確定的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際案例，更好地解決實(shí)際問題，提高學(xué)生解決測試實(shí)際所遇問題的能力（如案例3）。

案例2：在學(xué)習(xí)《材料研究與測試方法》X射線衍射一章的布拉格方程一節(jié)時(shí)，首先介紹布拉格父子的故事，讓學(xué)生像了解倫琴發(fā)現(xiàn)X射線一樣興趣盎然，再放一些影片視頻，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)形象地推到布拉格出方程，再逐一講解它的三個(gè)意義，包括選擇反射、衍射極限和衍射指數(shù)，最重要的布拉格方程的應(yīng)用如圖1所示進(jìn)行總結(jié)歸納。

案例3：某學(xué)生協(xié)助導(dǎo)師研究硅酸鹽水泥，導(dǎo)師希望該學(xué)生能很好地了解水泥的特性。該學(xué)生根據(jù)所掌握的知識體系，綜合利用所學(xué)的電子顯微鏡和X射線衍射分析等知識來解決實(shí)際問題。通過電鏡可以觀察到硅酸二鈣、硅酸三鈣、游離氧化鈣等，它們的外形分別為不規(guī)則形、方形、圓形。將水泥熟料加水后的水泥水化物再進(jìn)行熱分析和X射線衍射測試，采用所學(xué)測試知識對TG-DSC和XRD圖譜進(jìn)行解析，通過TG-DSC即可的檢測Ca（OH）2可脫羥基分解成CaO的溫度，又可知道CaO含量，通過X射線衍射測試，驗(yàn)證了加熱前后Ca（OH）2和CaO的物相晶體結(jié)構(gòu)，這樣多元化的使得學(xué)生即掌握了材料的特性又理解了測試技術(shù)在材料研究中的重要性。

四、采用MOOC+SPOC靈活多變的教學(xué)模式

MOOC作為一種開放共享手段，其開放、共享特性，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，按需學(xué)習(xí);SPOC是一種有效管理學(xué)生的手段，其小范圍、限制性、面對面師生互動(dòng)等特點(diǎn)，易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情?！恫牧涎芯颗c測試方法》課程是大學(xué)生接觸的基礎(chǔ)核心課程。結(jié)合MOOC+SPOC優(yōu)勢，將其引入《材料研究與測試方法》課程教學(xué)中，構(gòu)建了以資源為中心的混合教學(xué)設(shè)計(jì)以及混合教學(xué)實(shí)施過程并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。近幾年實(shí)踐結(jié)果表明了課內(nèi)課外相結(jié)合、線上線下互補(bǔ)的混合教學(xué)模式的有效性。MOOC+SPOC混合教學(xué)模式不僅有利于提高大學(xué)生的課程參與度和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，還有助于培養(yǎng)計(jì)算思維。對以前教學(xué)模式的照本宣科，導(dǎo)致老師講的很費(fèi)勁學(xué)生沒有反應(yīng)甚至不聽的現(xiàn)象，我們采用網(wǎng)上共享MOOC教程（圖2）、科學(xué)家研究測試儀器視頻、網(wǎng)上做作業(yè)互評、課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和課堂的授課質(zhì)量。結(jié)合傳統(tǒng)的板書式教學(xué)模式，既讓學(xué)生對抽象問題有形象認(rèn)識，又可保證教師對重點(diǎn)難點(diǎn)問題能進(jìn)行詳細(xì)講解。采用網(wǎng)上慕課、案例式以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)三位一體的教學(xué)模式。以學(xué)生為主，通過視頻、習(xí)題、測試等手段，引導(dǎo)學(xué)生對知識框架和應(yīng)用的理解，通過提出什么性能需要何種測試手段的方法，引發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)興趣，由學(xué)習(xí)的質(zhì)變到得到知識的量變。

案例4：在講解熱分析這一章的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的測定時(shí)，先讓學(xué)生了解用差示掃描量熱（DSC）的原理、儀器結(jié)構(gòu)，再重點(diǎn)講解圖譜的解析，了解玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）對材料性能的重要性，Tg測試方法除了DSC外，還有動(dòng)態(tài)熱機(jī)械（DMA），熱機(jī)械分析儀（TMA），熱膨脹儀（DIL）等，它們幾種方法的不同標(biāo)定法。

五、混合教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立分析能力

由于測試儀器的貴重和數(shù)量少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課堂上大部分時(shí)間都是老師在講，學(xué)生聽得多動(dòng)手機(jī)會(huì)少、有些學(xué)生濫竽充數(shù)學(xué)不到東西，我們讓理論和實(shí)驗(yàn)混合，教師和學(xué)生翻轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)授課前，學(xué)生動(dòng)手在計(jì)算機(jī)上做模擬實(shí)驗(yàn)，再讓學(xué)生預(yù)習(xí)講解理論課的知識，實(shí)驗(yàn)教師利用提問題的方式進(jìn)行教學(xué)，重點(diǎn)放在儀器的原理和結(jié)構(gòu)介紹、樣品的制備以及圖譜數(shù)據(jù)的分析處理上。這樣混合理論和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，學(xué)生和老師翻轉(zhuǎn)角色，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立分析能力。讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，參與到測試樣品及方法的選擇，試樣的制備、測試條件優(yōu)化等實(shí)踐性強(qiáng)的教學(xué)中。調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)和興趣。這種模式既增加了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣，又學(xué)到了很多課堂上學(xué)不到的知識和測試技巧，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率，并為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

案例5：在進(jìn)行電子探針和拉曼分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，不再采用教師獨(dú)立操作的演示實(shí)驗(yàn)，而是要求每組學(xué)生（2-3人）預(yù)先尋找一個(gè)樣品，如學(xué)生手上脖子上帶的飾品（金屬材料、陶瓷材料、寶石等不限制），要求學(xué)生獨(dú)立自主制備樣品，并學(xué)習(xí)獨(dú)立進(jìn)行樣品的測試操作，并運(yùn)用儀器軟件對測試結(jié)果進(jìn)行分析。通過這種訓(xùn)練，學(xué)生印象更深刻，興趣更濃厚，同時(shí)結(jié)合所查閱的文獻(xiàn)資料，選擇合適的測試條件，可以獨(dú)立運(yùn)用軟件對材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

六、結(jié)束語

通過對課程體系全方位的改進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生的獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力以及實(shí)際動(dòng)手的能力都有了較大的提升。使學(xué)生從在課堂被動(dòng)接受知識轉(zhuǎn)化為理論和實(shí)踐相結(jié)合地主動(dòng)地學(xué)習(xí)知識。結(jié)合現(xiàn)代MOOC教學(xué)方式，教學(xué)體系的改革提高了課堂的教學(xué)質(zhì)量并使得材料類專業(yè)畢業(yè)生對測試技術(shù)有了較深的認(rèn)知，對學(xué)生的就業(yè)競爭力和創(chuàng)新能力有很大的提升。

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