《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》課程教學(xué)改革探索

杜廣芬，李文娟，蔡志華，馬曉偉

(石河子大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，新疆 石河子 832000)

材料科學(xué)主要研究材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關(guān)系，是一門(mén)集物理、化學(xué)、冶金學(xué)等于一體的交叉科學(xué)，主要包括金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等領(lǐng)域。在當(dāng)今社會(huì)，材料科學(xué)已發(fā)展成為最為活躍學(xué)科之一，各種重要的材料，如石墨烯材料、3D打印材料、超高高溫材料、人造皮膚材料、隱身材料、航空航天材料等重要功能材料被開(kāi)發(fā)并迅速獲得應(yīng)用。目前，材料科學(xué)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。

石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院適應(yīng)本地材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和本校學(xué)科建設(shè)需求，2012年在應(yīng)用化學(xué)系材料專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)上，新分離組建了材料科學(xué)與工程系，并于當(dāng)年招收本科生。材料科學(xué)與工程是涉及材料學(xué)、工程學(xué)和化學(xué)等方面的寬口徑專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)以材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)，主要研究的是材料組成、結(jié)構(gòu)、加工工藝與其性能和應(yīng)用。在該專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的眾多課程當(dāng)中，《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》是一門(mén)極其重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1-4]，該課程主要介紹了材料現(xiàn)代分析測(cè)試方法的基本原理、試驗(yàn)方法、儀器設(shè)備及其應(yīng)用。課程的主要內(nèi)容包括：X射線衍射分析、透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析與電子探針、光電子能譜與俄歇電子能譜、熱分析技術(shù)、原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜、拉曼光譜分析、紅外光譜分析、熒光光譜和磷光光譜分析等。該課程的主要特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)多，應(yīng)用性較強(qiáng)。每一種儀器都有其特有的工作原理、譜圖解析方法、適用范圍等，還涉及到大量重要的公式計(jì)算，知識(shí)點(diǎn)較為分散。另一方面，石河子大學(xué)材料科學(xué)與工程系所招收的本科生數(shù)理基礎(chǔ)較為薄弱，且從未接觸過(guò)各種材料表征儀器，采用傳統(tǒng)的灌輸式、傳授式授課方式較為抽象，效果不佳。為了提高教學(xué)效果，讓學(xué)生由被動(dòng)接受式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)探究學(xué)習(xí)，我們進(jìn)行了多方面的改革探索，學(xué)習(xí)效率明顯提高。

多種教學(xué)手段相結(jié)合，變抽象為直觀。除了用傳統(tǒng)的板書(shū)講授相關(guān)原理和公式計(jì)算外，我們結(jié)合多媒體、flash動(dòng)畫(huà)、視頻等手段，將抽象的結(jié)構(gòu)直觀化，學(xué)生可以直觀的觀察到材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，也可以了解各種儀器的具體組成部分。另外，我們?cè)诖髮W(xué)一年級(jí)第二學(xué)期開(kāi)始，引導(dǎo)本科生分批進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室接受科研啟蒙培訓(xùn)，作為科研助手跟研究生學(xué)習(xí)各種材料制備和表征，逐漸接觸各種材料結(jié)構(gòu)表征儀器和譜圖解析方法。通過(guò)這種基礎(chǔ)鋪墊和實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，學(xué)生接觸到了多種材料結(jié)構(gòu)表征儀器，并且學(xué)習(xí)了讀譜解譜，對(duì)相關(guān)儀器不再陌生，這為后期的《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

部分內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)[5-6]，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是教師主導(dǎo)課堂教學(xué)，采用灌輸式，學(xué)生只是被動(dòng)接受知識(shí)，學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果價(jià)差。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom或Inverted Classroom)重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，學(xué)生是課堂的主導(dǎo)，教師起引導(dǎo)和輔助作用，這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。我們將《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》中的X-射線衍射分析、紅外光譜分析、原子光譜分析、拉曼光譜分析等抽出一部分，有學(xué)生分成小組收集材料，做成幻燈片，在課上進(jìn)行講解，這極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，也提高了其他學(xué)生的聽(tīng)課效率。

儀器工程師授課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。各大儀器公司都有自己專(zhuān)業(yè)的工程師負(fù)責(zé)不同片區(qū)相應(yīng)的儀器安裝培訓(xùn)和后續(xù)的技術(shù)問(wèn)題，這些工程師的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，對(duì)自己所負(fù)責(zé)儀器的構(gòu)造和工作原理非常熟悉，對(duì)樣品的測(cè)試流程和相應(yīng)的譜圖解析非常專(zhuān)業(yè)。石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院入選國(guó)家“雙一流”學(xué)科后，大量的建設(shè)經(jīng)費(fèi)用于購(gòu)買(mǎi)各種大型分析測(cè)試儀器，其中就包括了多種材料結(jié)構(gòu)表征方面的先進(jìn)儀器設(shè)備。為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這些大型儀器供應(yīng)商都會(huì)免費(fèi)委派工程師為高校客戶(hù)提供相應(yīng)的技術(shù)支持。基于此，我們每年都邀請(qǐng)這些公司的專(zhuān)業(yè)工程師來(lái)石河子大學(xué)為廣大師生做免費(fèi)培訓(xùn)。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，結(jié)合《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》的授課進(jìn)度，一方面安排專(zhuān)業(yè)工程師進(jìn)入本科生課堂，對(duì)不同的儀器設(shè)備的構(gòu)造、原理等進(jìn)行專(zhuān)業(yè)解析授課，另一方面安排工程師進(jìn)入儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)場(chǎng)講解儀器的使用操作流程、樣品制備方法、譜圖解析方法，讓本科生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，更加直觀的了解相應(yīng)的材料表征儀器。儀器工程師來(lái)自企業(yè)，帶來(lái)了清新的企業(yè)文化，他們具有豐富的儀器方面的經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的

工程背景，工程師的授課方式以及與學(xué)生互動(dòng)交流方式與大學(xué)教師差異較大，由于其豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，案例更多，授課更加生動(dòng)，更易于吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而大幅提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率[7-8]。我們每學(xué)年邀請(qǐng)的工程師進(jìn)課堂授課約12學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)超過(guò)16課時(shí)。工程師涉及了X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、熱重分析、拉曼光譜分析、紅外光譜分析等不同大型分析測(cè)試儀器，這種邀請(qǐng)工程師進(jìn)課堂的方式受到廣大學(xué)生好評(píng)。

學(xué)生自己出題組成試卷，提高學(xué)習(xí)效率。通過(guò)自由組合，將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組。在任課教師指導(dǎo)下，這些學(xué)習(xí)小組負(fù)責(zé)不同章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)整理并列出3～5道候選測(cè)試題目，教師選擇并抽取這些題目組成考試卷，進(jìn)行最后測(cè)試。通過(guò)這種方式，出題的學(xué)生會(huì)積極主動(dòng)去理解相關(guān)知識(shí)，并通過(guò)小組討論加深對(duì)知識(shí)的理解，而且不同小組之間可以通過(guò)交流討論，學(xué)習(xí)不同的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)。結(jié)果表明，十多個(gè)小組所出的30～50道題目，基本覆蓋了全書(shū)的主要知識(shí)點(diǎn)。而全班同學(xué)通過(guò)交換學(xué)習(xí)，討論學(xué)習(xí)等主動(dòng)學(xué)習(xí)方式，基本上牢固掌握了這些重要知識(shí)點(diǎn)。

作為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課，《材料現(xiàn)代分析與檢測(cè)技術(shù)》這門(mén)課程所涉及的不同儀器都是材料學(xué)研究所必需的，學(xué)好這門(mén)課對(duì)材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生今后的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。我們經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，對(duì)多種教學(xué)手段相結(jié)合、翻轉(zhuǎn)課堂、工程師進(jìn)課堂、學(xué)生自主出試卷等進(jìn)行了嘗試，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，這些改革措施可以作為其他同類(lèi)課程改革的參考。