材料現代分析方法課堂教學改革探析

秦國強，付華，司華燕，張光磊，張希清

(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043)

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材料現代分析方法課堂教學改革探析

秦國強，付華，司華燕，張光磊，張希清

(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043)

材料現代分析方法是材料科學與工程類專業(yè)的一門必修課，在整個課程體系中發(fā)揮著不可替代的關鍵作用，也是教學和學習中的難點。學生運用本門課程知識解決問題的實踐能力偏低已經成為普遍性問題。以增強學生實踐能力為導向，通過調整、優(yōu)化實驗課程體系，增加創(chuàng)新性、綜合性、設計性實驗，改革實踐教學方法，探索優(yōu)化理論教學與實踐教學關系，改變理論教學方式，與專業(yè)導師制相結合安排設置實驗內容等措施，進一步最優(yōu)化理論教學與實驗教學關系，可提升學生的實踐動手能力，強化運用理論知識解決實際問題的素質培養(yǎng)。

材料現代分析方法；課堂教學；實踐能力；成果導向；專業(yè)特色；導師制

材料現代分析方法是材料科學與工程類專業(yè)的一門必修課，在整個課程體系中發(fā)揮著不可替代的關鍵作用[1]。它不僅決定了學生對于材料宏觀性能與其成分和微觀組織結構關系的理解，同時在很大程度上決定了現代科學的發(fā)展[2]，因此也是培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型材料專業(yè)學生的有力工具[3]。材料現代分析方法具有鮮明的課程特點，不但課程內容抽象、理論性強，而且理論與實踐聯系緊密，實用性很強。這些特點導致了老師往往覺得課程難教，上課吃力，而學生覺得課程難懂、缺乏興趣，以致實踐動手能力和綜合運用能力普遍偏低等問題，嚴重影響了教學效果。特別是在當今大學本科階段壓縮課時的情況下，如何上好材料現代分析方法這門重要課程已經成為材料專業(yè)教師不得不面對的一個普遍性難題[4]。

石家莊鐵道大學是一所以工科為主的綜合性大學，其材料學院包括無機非金屬材料工程、金屬材料工程、材料科學與工程和功能材料等4個本科專業(yè)，分6個方向培養(yǎng)，分別為無機非金屬材料工程、無機非金屬材料科學、金屬材料、材料連結、高分子材料工程和新型功能材料，每一年級分為8個自然班，240人左右。以上專業(yè)和方向已經涵蓋了材料學的所有主要專業(yè)范圍，相關專業(yè)教師的科研也大致與專業(yè)方向一致。對于以上4個專業(yè)的本科生而言，材料現代分析方法是其大三第一學期學習的一門必修課。而在研究生教育階段，不論是材料學專業(yè)還是材料加工工程專業(yè)，在第一學期也都要繼續(xù)深入學習這門課程。這門課程的實驗教學部分主要由我校材料測試中心承擔，其具有透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等大型分析測試儀器，但大多是單臺套，價格昂貴，無法做到每個學生動手操作。針對我校本科專業(yè)方向全、涉及材料種類多、差異大、設備資源有限的現狀，本課程教學團隊遵循理論研究與實踐探索相結合的研究思路，以行動研究為主要研究策略，經過多年教學實踐，探索以增強學生實踐能力為導向的課堂教學改革，取得了一些經驗。

1　措施與探討

1.1優(yōu)化理論教學與實踐教學關系

以成果導向教育(Outcome-Based Education，OBE)為核心，以學生為中心，使學生學完課程后真正提高了實踐能力，而不僅僅是考試成績。OBE是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果[5]。OBE由美國教育家提出，在美國、英國、加拿大等國家成為了教育改革的主流理念。材料現代分析方法課程的最終目的是讓學生掌握方法、運用知識解決問題，而不僅僅是理論上有認識。因此首先需改變理論教學方式，以解決實際問題為導向設計教學內容和教學手段，達到理論深度與實驗項目相互促進的目的。具體做法包括：突出教學重點，減少非重點尤其是純理論推導等授課內容比例；參照問題式教學模式設計授課內容，做到一課一問，目標明確；綜合運用板書、PPT或其他多媒體等各種教學方法，課程提綱和重要知識點用板書書寫，具體知識點或其他信息用PPT課件或多媒體內容播放；加強知識點的背景知識資料的收集和介紹，添加材料測試技術最新進展，尤其是重大新聞和科研進展中涉及的材料測試技術方面的內容，例如2011年諾貝爾化學獎關于準晶體的發(fā)現以及2014年諾貝爾物理獎關于超分辨率熒光顯微鏡的發(fā)展，以提高學生興趣；結合專業(yè)，增加案例分析與查詢，以點帶面，展開啟發(fā)式教學，促進對現代分析技術的深入理解，增強學生對知識和專業(yè)的歸屬感、認同感。

1.2調整、優(yōu)化材料現代分析方法實驗課程體系

1.2.1重新設計實踐教學內容、教學方式

傳統(tǒng)實驗教學中實驗內容、所用材料、實驗結果等都是固定不變的，學生往往敷衍了事，實驗報告抄襲現象嚴重。在修訂后的實驗課程教學體系中突出實驗目的，讓學生掌握各種現代分析方法，其他具體實驗材料、實驗結果等自由可變。特別是很多學生已經進入課題組或參與科研項目，在他們的課題中需要做X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope，TEM)、紅外光譜(Infrared Spectroscopy, IR)等測試分析，此時實驗材料可直接使用他們自己制備的實驗材料，讓科研真正進課堂、進實驗室，提高了學生參與實驗解決問題的能力。綜合性實驗是指涉及到2種及以上材料現代分析方法的實驗。傳統(tǒng)實驗教學各實驗項目之間往往彼此獨立，而在實際工作或科研中對于材料的分析表征一般是多方面的，因此增加綜合性實驗更加貼近工作實際，且多種分析結果相互印證對比，可以獲得對材料的綜合評價。如我們在XRD、SEM和電子探針能譜分析(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)試驗中對同一種陶瓷粉末進行測試，這樣對于這種粉體材料的結晶形態(tài)、典型表面形貌和成份分布就有了一個綜合了解。

1.2.2突出專業(yè)特色

如XRD實驗中，了解各專業(yè)典型相的XRD衍射特征并進行分析標定。金屬方向：α-Fe，γ-Fe，馬氏體M、貝氏體、滲碳體。無機非(混凝土、陶瓷)方向：SiO2(α-石英，β-石英，α-鱗石英，α-方石英，β-方石英等), Al2O3(α-Al2O3，β- Al2O3，γ- Al2O3等)等。高分子方向：聚乙烯，聚丙烯等。通過分析各專業(yè)方向中的基本相，進一步理解成分、相、結構、同素異構等基本概念。要求學生提供各實驗所需合適的試樣。

1.2.3增加創(chuàng)新性、綜合性、設計性實驗

結合同時開課的材料性能學和工程材料力學實驗，綜合理解低碳鋼，鑄鐵的性能曲線；收集進行拉伸、扭轉、彎曲、疲勞等實驗后的材料，收集斷口，進行斷口的SEM觀察(制樣，微觀形貌觀察，照片)，XRD 相分析(試樣準備，≥Φ30 mm，粉末)，有興趣的學生可進行TEM微觀組織觀察(制樣，位錯組態(tài))。通過這種方式不但學習了本課程的知識，同時融合多課程知識，對其他相關課程的知識點也進行了復習和提高，有利于培養(yǎng)學生綜合分析問題能力。

1.2.4改革考核方式，提高實踐教學占分比

一是對知識點進行分級整理。分為本課程要求掌握和應用的以及考研深造提高的等。本課程要求掌握和應用的知識點主要包括倒易點陣定義、晶帶定律、布拉格方程、晶體消光規(guī)律、X射線連續(xù)譜，X射線特征譜；相干散射，非相干散射；光電效應，二次特征X射線，熒光效應，俄歇效應等。考研深造提高的知識點包括倒易點陣在晶體結構分析中的應用、結構因子的計算、XRD衍射強度和定量分析方法、XRD精確測定點陣參數、X射線衍射儀測定宏觀和微觀應力；晶粒大小的測定(XRD方法)；小角X射線散射的特點與應用等。二是考題形式突出實踐應用。考試內容側重基礎理論和實踐應用兩大模塊的考核，改變考題形式，加大實踐應用內容，培養(yǎng)學生對知識的應用和分析問題的能力。三是增加綜合實驗及選題分析，綜合考核學生對XRD，SEM，TEM，IR等材料現代分析方法在本專業(yè)研究領域內的應用。如要求學生結合自己的專業(yè)，查閱核心期刊以上文獻(英文文獻或自己在課題組做的實驗分析加分)，任選一種材料，選擇至少3種現代分析方法，進行材料的結構、成分、形貌、化學價態(tài)等分析。四是增加過程考核。主要包括學生課堂表現、課后作業(yè)完成情況、實驗中表現等觀測點，分別進行考核并最終納入期末考核中。

1.3與專業(yè)導師制相結合安排設置實驗內容

我校材料學院近幾年實行了專業(yè)導師制，各專業(yè)學生了解專業(yè)老師的科研方向后，根據興趣自由選擇一位作為自己的專業(yè)導師，進入導師的課題組開展科研；專業(yè)導師除了為學生解答專業(yè)發(fā)展方面的問題外，還可指導學生開展科研。根據各專業(yè)和導師研究方向不同調整實驗原料、實驗條件、實驗結果分析等，結合其他專業(yè)相關課程安排設置實驗內容。這種方式使得學生充分利用大學時間提高專業(yè)能力，為將來的就業(yè)和進一步深造打下了堅實的基礎。

2　結語

針對當前材料現代分析方法課程實驗教學環(huán)節(jié)存在不合理處，學生實踐動手能力和綜合運用能力普遍偏低的現狀，筆者所在教學團隊項目通過調整、優(yōu)化材料現代分析方法實驗課程體系，增加創(chuàng)新性、綜合性、設計性實驗，改革實踐教學方法，改變理論教學方式，與專業(yè)導師制相結合安排設置實驗內容，最終達到進一步最優(yōu)化理論教學與實驗教學關系，提升了學生的實踐動手能力，重點強化了運用理論知識解決實際問題的素質培養(yǎng)，取得了良好的教學效果。

[1] 李軍,劉延輝,何亮,等.材料現代分析技術課程實驗分析及設計[J].大學教育,2013(9):41-42.

[2] 孟范成.《材料現代分析方法》課程教學中存在問題及改革探討[J].廣東化工，2015(19):184-186.

[3] 馬向東,吳苗苗.《材料現代分析方法》課程建設與教學改革研究[J].中國科教創(chuàng)新導導刊，2013(13):68.

[4] 趙鴿,李鵬飛,胡艷華,等.《材料現代分析方法》課程實驗教學改革的研究[J].廣東化工，2013(13):165-166.

[5] 李志義,朱泓,劉志軍,等,用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究,2014(2):29-34.

(責任編校謝宜辰)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.09.017

20160408

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目(2015GJJG091)；石家莊鐵道大學教育研究課題(Y201401)

秦國強(1980-)，男，河北沙河人，副教授，博士，主要從事材料現代分析方法教學及理論研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)09-0050-03