《材料分析與測試技術》課程立體化教學改革與實踐*

宋 飛，成娟娟，彭美勛，肖秋國，趙宏偉，劉 歡

(湖南科技大學材料科學與工程學院，化工與材料國家級實驗教學示范中心，湖南 湘潭 411100)

1 課程重要性及存在的問題

1.1 課程重要性

《材料分析與測試技術》是材料科學與工程專業的一門必修專業課，通過對材料表征的闡述指明各類材料研究的手段和方法[1]。課程主要介紹材料分析和測試技術的基本原理、特點及其與應用之間的相互關系，涵蓋了從測量元素組成的原子光譜、X射線熒光光譜，到表征物相結構的X射線衍射儀、透射電子顯微鏡等系列儀器設備[2]。

伴隨著科學技術及經濟的迅猛發展，材料科學與工程不斷取得具有重大意義的突破性進展，層出不窮的新型材料正翻天覆地改變著人們的生活習慣。不同的應用場景對材料的性能提出不同的參數指標，大力推動著材料向著高、精、尖方向發展[3]。因此，廣大科技工作者對新型材料的研發方式也發生了巨大轉變，由過去“大海撈針”式的方法探尋最佳配方、最佳工藝參數，逐步向基于具體的技術性能指標，從基礎源頭設計出滿足需求的高性能材料。值得注意的是材料的設計需要深入掌握不同材料的組成、結構、工藝及性能之間的關系，而這離不開揭示該關系的利器—材料分析與測試技術。

隨著我國材料相關產業的系統升級以及“中國制造2025”等人才戰略方針的頒布，日新月異的社會對新時代下技術人才的基本素質提出了更高要求。例如，攻克芯片“卡脖子”問題急需大量熟悉材料開發及測試表征的專業人員，協助處理完成科技攻關項目中的各類棘手問題[4]。綜上所述，《材料分析與測試技術》課程的教學改革，不僅有利于顯著提升技術人才的知識儲備水平，而且對于滿足社會日益增長的復合型人才需求具有積極意義。

1.2 課程存在的問題

《材料分析與測試技術》課程內容涉及范圍較為廣泛，知識點瑣碎，內容更新較快，并且課程講述的各類表征方法繁雜。目前該課程的教學以課堂上教師講授為主，存在課時有限導致相關知識的傳遞不足并且學生對知識點的掌握程度較低的問題。由于不同學生的感悟、理解能力存在較大差異，故課堂講授難以兼顧各個層次同學的學習需求。存在部分同學已經建立了完整的知識框架體系并較好地掌握了相關知識點，而另一部分同學尚未完全熟悉知識點內容的情況。特別是同學們對課程教學中的難點和興趣點截然不同，當需要深入了解和進一步拓展學習時，卻苦于無翔實的資料，極大阻礙了大家學習的熱情和主觀能動性的發揮。

《材料分析與測試技術》作為一門理論和實踐聯系緊密的專業必修課，需要在學以致用的過程中逐步加深對核心知識點的掌握和理解。然而，該課程配套的實驗課通常安排在課程全部講授完成之后，存在理論教學和實踐教學脫節的情況，無法實現“趁熱打鐵”，進而加深同學們對于相關知識點的理解和把握。此外，實驗課教學通常采用教師現場講解演示，而學生在旁進行觀摩學習的方式，僅偶爾可進行簡單的實踐操作，原因是大型儀器設備的價格昂貴，維護成本較高[5]。目前，大型儀器設備的數量較少，尚無法滿足大量學生同時進行實踐操作的需求。因此，較多同學對儀器設備的操作過程、數據采集分析等相關內容并不熟悉，對知識點的理解僅停留在紙面，教學效果欠佳。

2 課程立體化教學改革與實踐

2.1 立體化教學方法與改革途徑

立體化教學是基于學、導多維立體化互動的教學模式，需保證學習資源整合多元化、課程講授傳遞多樣化、學習支持豐富化，充分讓學習者能夠發揮主觀能動性[6]。一般立體化教學模式具體表現為教學資源的立體化、教學形式的立體化以及教學時空的立體化，相應的學習者即可獲得立體化的學習環境、立體化的學習方式[7]。目前，私播課以及慕課的大規模興起，極大地促進了高校加大建設開放教學資源的力度，這為立體化教學的實施提供了有利的土壤。同時，百花齊放的教學資源也促進了國內高校教師充分利用立體化教學模式進行初步的嘗試以及相應的教學改革。筆者針對《材料分析與測試技術》的課程特點以及教學中的突出問題，嘗試將立體化教學模式應用到課程教學活動中。綜合考慮課程瑣碎、駁雜的知識點和極強的實踐性特征，重點對教學資源立體化和教學方式立體化進行改革與實踐。

2.2 課程教學資源立體化實踐

教學資源立體化主要表現為教學資源的豐富化、形象化，生動化。首先，通過現代多媒體技術，合理整合各類資源，構建多姿多彩的學習中心和平臺。其次，結合課程教學具體環節，對各種教學資源進行高效優化，有層次地遴選合適的知識點。然后，基于課程教學中的難點和重點，集中力量對核心知識點進行濃縮升華，將視頻、動畫、聲音、圖片等相關資源綜合處理成易于接受的、有助于形象化理解的學習材料。整個環節著重根據不同層次的學生特性，將相應的知識點進行全面、有序、精準地呈現，做到因材施教，有的放矢。配套的教學資源緊扣生活中的實際體驗，將抽象的理論知識變得形象化，生動化，增加同學們深入學習的興趣，提升對相關知識點的領悟。例如，基于生活中純鐵制品暴露氧氣中生銹的認知，逐步展開能譜儀、波譜儀以及能量損失譜儀的學習，形象有序地從元素組成逐步向元素價態探索過渡。教學資源中增加了生產研發案例，進一步加深同學們對知識點的理解。從學習反饋的效果來看，大部分同學均能夠基于自己的興趣點，由點帶面地學習并掌握了相關內容。少部分同學甚至沿著興趣方向查閱了大量期刊文獻，不僅拓寬了視野，而且提升了自主學習能力。

2.3 課程教學形式立體化實踐

教學形式立體化主要是將知識點的呈現方式多樣化、綜合化，使學習內容的傳遞過程變得豐富多彩。借助多維度的知識點表達過程，匹配最佳的學習和理解途徑，讓重難點知識變得平易近人。將傳統教學形式和現代多媒體、網絡教學形式等有機聯合并綜合使用，共同構成教師和學生、線下和線上、現實和虛擬的立體化教學形式。線下根據課程性質和內容，科學利用現場授課，結合私播課、多媒體課件以及圖像、動畫等形式多維度地展示傳遞知識點，確保同學們將相關知識原理內化為自身一部分。線上教學主要基于筆者團隊配套制作的智慧樹在線精品課程—《材料分析與測試技術》，充分讓同學們進行個性化的自主學習。線上學習過程中遇到的難題可通過在線輔導進行答疑解惑。為保證線下和線上學習的交叉和互補，對二者的教學內容進行遴選，確保良好的教學效果。事實上，為激發該課程的趣味性和生動性，甚至對線上課程性質和目標的呈現也進行了“立體化”處理。例如，運用了“偵材識料”的措辭和諧音，向同學們言簡意賅、形象生動地傳達了課程宗旨，如 圖1所示[8]。在線平臺的學習測驗結果表明同學們均較好地掌握了相關內容，收獲了良好的學習效果。

圖1 線上課程學習平臺

利用現場教學優勢，匹配相應的線上教學形式，同時結合虛擬仿真平臺，三管齊下則可彌補實踐教學和理論教學的脫節。課程緊扣理論教學、虛擬仿真平臺以及實踐教學之間的互動關系，積極組建教與學，課上和課下，現實和虛擬的立體化教學形式。建設的材料類專業大型儀器虛擬仿真平臺涵蓋了透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等相關設備，如圖2所示。在理論教學完成后，同步指導同學們利用該平臺熟悉相關儀器設備的工作原理、組成構造、操作步驟以及數據的采集處理。虛擬仿真平臺的監控數據顯示同學們操作熱情高漲，針對自己薄弱環節甚至反復練習多達數十次。通過持續不斷的演練不僅有助于深入理解儀器特性，實現對知識點的全方位吸收，而且為后續的實驗課環節奠定了扎實的基礎，有利于實現理論和實踐的高度融合。課程結束后上交的實驗報告顯示同學們不僅較好地掌握了儀器設備的使用方法，還擁有了一定的數據處理與解析能力。將環環相扣的立體化教學模式應用于《材料分析與測試技術》課程，使平面化的課程變得立體和形象，保質保量地達成了課程目標。

圖2 虛擬仿真學習平臺

2.4 立體化教學設計案例

掃描電子顯微鏡(SEM)采集的數據主要包括二次電子的形貌像和背散射電子的成分像，但二次電子和背散射電子的成像機制較為抽象，同時SEM儀器內部的精密構造和工作過程無法直接觀察。基于此進行了詳細的立體化教學設計，具體涵蓋以下方面：(1)整理收集SEM廠商的發展故事，通過在線資源展現SEM行業背景及未來發展趨勢，使學習對象和探索內容變得立體有趣；(2)課堂講授充分結合生活實際，巧妙借助“崇山峻嶺”(形貌)和“金山銀山”(成分)直觀、形象地呈現二次電子和背散射電子的成像差異及特點，讓SEM接“地氣”；(3)制作精美的動畫復現SEM的主要工作過程，不僅讓成像原理變得生動和易于理解，而且有利于感受SEM的設計思路；(4)利用SEM儀器的虛擬仿真平臺熟悉SEM的組成部件，并在實踐操作中大范圍調整參數獲得不同數據，印證理論知識，逐步加深對SEM的理解；(5)在線課程另選新角度重新對SEM成像襯度和構造進行詮釋，激發思考并推動知識的再吸收；(6)線上線下安排我問你答、你問我答等學習研討，鞏固升華對知識點細節的掌握。采用不同形式的立體化教學手段，從多個維度學習SEM工作原理，熟悉SEM構造，掌握SEM操作，通過將理論和實踐進行實時、緊密、多維度融合，最終實現高水平的學以致用，致知于行。

3 結 語

將立體化教學模式引入《材料分析與測試技術》課程的教學，重點針對教學資源和教學形式的立體化進行改革和實踐。結果表明豐富的教學資源、有趣的在線課程學習平臺以及生動的虛擬仿真平臺均極大地增加了同學們的學習興致，有利于發揮主觀能動性，并顯著提升相關知識的應用水平，為立體化教學模式在專業必修課中的開展提供了參考和指導。