材料現代分析技術教學改革探索

黃 帥 王海歐 蘇昆朋 楊得鑫 霍德璇

（杭州電子科技大學材料與環境工程學院 浙江·杭州 310018）

0 引言

在21世紀，人們的日常生活顯著依賴于各種各樣的材料，例如交通、住房、服裝、通訊、娛樂和食品生產等方面都在某種程度上受到材料的影響。從歷史上看，社會的發展和進步與社會成員生產和使用材料的能力也是密切相關的，早期的文明也是由其物質發展水平來界定的（例如，石器時代、青銅器時代、鐵器時代）。當今社會，材料在所有技術變革中起著決定性的作用。由于任何材料都是由宏觀、微觀和納米結構所構成的，因此掌握材料的結構和組成，并且能夠實現對材料的精密分析，是獲得材料最佳性能的關鍵。為了適應未來市場需求，培養具備從事本學科及相關領域的材料現代分析能力的專業人才，杭州電子科技大學材料系針對三年級本科生開設了《材料現代分析技術》這一專業必修課。本課程主要涉及材料的衍射分析、電子顯微分析、光譜和電子能譜分析等常用表征技術的原理、應用、操作及數據處理分析方法。通過本課程的學習，要求學生能夠掌握各種測試方法的原理及適用場合，能夠根據不同的測試需求合理的選擇測量方法，具備一定解決實際問題的能力，為今后從事材料專業的研究和生產奠定基礎。在實際講授本課程的過程中，由于教學內容覆蓋的知識面較廣、知識點相對分散，并且教學類實驗設備受限，因此需要在傳統的教學過程中增加新的教學手段來提高學生對知識的理解和掌握能力。本文分別從“思維導圖”、“案例教學”、“知識點對比教學”和“回歸教材、回歸課堂”四個方面入手，進行了初步的教學改革探索。

1 教學改革探索

1.1 思維導圖

思維導圖是一種將思維形象化的方法，通過將不同的概念以放射狀的形式進行邏輯關聯，可以將思路變得更為條例和深入。本課程所涉及的知識領域廣泛，內容抽象，不易理解與掌握。但是，通過歸納整理不難發現，同一類知識點之間的邏輯關系較為明確。因此，可以將思維導圖的方法應用于課堂教學，幫助學生構建知識框架。需要說明的是我們所應用的思維導圖不僅限于放射狀結構，而是推廣到了順序結構或復合結構。例如，在講授X射線的衍射強度時，由于衍射強度涉及因素較多，問題比較復雜。通過對知識點的梳理，我們可以從一個基元散射入手，先考慮一個電子對X射線的散射強度，得出X射線被一個獨立的電子散射后的強度表達式，同時引出偏振因子的概念，然后擴展到一個原子的散射，進而擴展到晶胞、小晶體，最后再考慮粉末衍射的情況。這樣通過層層遞進，可以實現由易到難、由簡單到復雜的教學思路，最終所得出的思維導圖如圖1所示。

圖1：X射線衍射強度問題的簡要處理過程

1.2 案例教學

案例教學法由美國哈弗法學院C.C.Langdel于1870年提出。案例教學法強調通過將教學主題結合具體案例來進行講授，并通過課堂討論、課堂展示等師生互動環節，使學生積極參與課堂教學，從而加深對知識的理解。通過對課程內容仔細分析，我們發現課程中所涉及的每一種分析測試方法，都可以單獨作為一個案例進行講授。此外，作為一名科研一線教師，在科研過程中經常會遇到各種分析測試問題。將這些問題帶入具體案例進行講授，讓學生對這些問題展開思考和討論，既能加深學生對課本內容的理解，又能提高學生分析問題的能力。以X射線衍射分析為例，重點是讓學生理解X射線衍射的基本原理，學會X射線衍射的方法，并且掌握X射線衍射的應用。在具體的教學過程中，如果按照課本的教學內容依次進行知識點的講授，不難發現這些比較枯燥的概念和原理很難激發學生學習的積極性。為此，我們首先以一個X射線衍射儀的操作視頻作為教學內容的開端。由于本科生接觸科研設備的機會比較少，并且學生也比較喜歡以視頻的形式進行學習。通過運用這一教學手段，可以減緩學生對抽象知識的反感。在觀看完操作視頻后，不少同學就會主動提出一些問題。比如視頻中設備的名稱、設備的用處、設備的原理等等。案例教學的地點可以嘗試在具體的實驗室中展開，讓學生能夠身臨其境的感受到書本知識點的具體來源。

1.3 知識點對比教學

電磁輻射或實物粒子與材料的相互作用，從而引發吸收、發射、電離、散射等物理效應，是材料現代分析方法的技術基礎。在講授各種現代分析方法之前，這些知識點需要學生提前講授。由于這部分內容涉及到的知識點非常多，其中的物理概念非常容易混淆。為了解決這一問題，我們發現通過使用同類知識點的對比學習，可以幫助學生理清思路，從根本上理解不同的物理效應所涉及到的物理原理及與之對應發展起來的分析測試方法。例如，在講授電子與材料相互作用產生的信號及據之發展起來的分析方法時，我們可以通過知識點的對比，來區分電子、光子、元素與材料相互作用時對應形成的物理信號及從不同的物理信號演化而來的測試方法。

1.4 回歸教材，回歸課堂

在當前多媒體教學手段廣泛流行的環境下，課堂教學已經顯著依賴于教師的電子教案。在準備電子教案時，為了凝練知識點并突出重點，電子教案的內容往往比較簡略。這樣一來，學生在聽課或復習的過程中，就難以對所學知識形成一個整體的認識，只能掌握一些碎片化的概念。為了解決這一問題，我們首先基于學科的發展規律，及時更新了教學使用的教材，從而保證了教學內容的先進性，讓學生能夠有機會了解到前沿的研究進展。另外，考慮到當前學生課業負擔較重，需同時學習多門課程，課余時間相對較少。因此，每次在講授新的知識點或新的章節前，確保在課堂上拿出一定的時間來讓學生通讀一下將要講授的課本內容。這樣，既不會因占用學生過多的課余時間而引起學生的抵觸情緒，也能使學生能夠對所學知識提前有一定程度的了解。在后面的具體講授時，只要將重點內容講清楚，學生便能夠形成整體的知識框架，且能夠區分清楚哪些是需要重點學習的內容。

2 結語

教學改革的根本目的是為了讓學生更好的獲取關于材料現代分析測試技術的知識和技能。以上所涉及的教學改革探索，充分考慮了當前學生學習的心態、學生的有效學習時間及當前學科的發展規律，通過較為簡易的教學改革手段，力圖在不占用過多課余時間的前提下提高學生的學習效率，激發學生的學習興趣，培養學生的科學創新思維，提高實際分析問題和解決問題的能力，將學生從被動接受知識轉變為主動學習知識。由于上述教學改革手段實施的時間較為短暫，其實際的教學效果需要多次的教學考核結果來體現。因此，在后續的實施過程中，還需根據具體情況進行多次的優化和調整。