新工科背景下“現代材料測試技術”課程的教學改革與創新

盧國龍，楊微，王蜜，劉鎮寧

(1.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130022；2.長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

隨著當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革的加速進行，我國經濟發展進入新常態，高等教育步入新階段[1-2]。2017年4月，教育部高教司發布“新工科”建設行動路線，提出培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供人才支撐的建設愿景[3]。革新教學內容和課程體系、探究新的教學模式與評價體系是新工科建設的重點內容。同時，也為我國本科工程教育基礎學科教學工作指明了前進的新方向。

材料科學是現代科學技術的三大支柱之一，其發展水平是衡量一個國家經濟發展水平和綜合國力的重要標志[4]。材料科學的發展在很大程度上依賴檢測技術的提高?，F代材料測試技術是用實驗探究的方式，對材料的成分特征、物相結構、組織形貌等進行觀察表征的分析手段?！艾F代材料測試技術”作為材料科學與工程專業的學科基礎課程，也是一門典型的理論與實踐緊密聯系的技術應用基礎課程。其教學目的是通過了解現代材料研究中各類常用的材料分析測試方法，包括測試技術的基本原理、儀器設備的結構構造、操作方法和樣品的制備及應用等，培養學生運用各類測試技術的能力，并為學生將來從事的科研或相關工作奠定堅實的實驗基礎。

隨著材料科學技術的快速發展，人們對材料性能提出了更加苛刻的要求，同時對材料組分、微觀結構與性能的關系越來越感興趣[5]。此外，許多新型的材料測試分析儀器也是各綜合高校和科研院所在新工科建設背景下開展教學工作、學科建設和科學研究的基礎設備。“現代材料測試技術”課程能夠有效利用現有實驗條件和儀器設備，使其服務于教學過程，達到提高新工科人才實踐創新能力的目的。本文結合吉林大學的實際情況，就“現代材料測試技術”課程教學如何改革與創新進行深入研究和探討。

1 瞄準課程定位，分析教學現狀

1.1 優選教學內容

“現代材料測試技術”理論課程涵蓋了材料學、物理學、電子光學、光譜學等許多學科，包含X射線衍射分析、電子衍射分析、電子顯微分析、光學顯微分析、紅外光譜分析和其他分析測試技術等諸多基礎內容[6]，具有涵蓋學科范圍廣、知識點紛繁復雜、理論概念抽象等特點，無形中加大了學生學習的難度，影響其學習效果。此外，受課時限制，教師只能對理論部分做基礎講解，導致學生掌握知識不全面、學習目標不明確、學習效果不理想，在實踐操作中學生難以將理論學習轉換為實際應用。因此，如何科學劃分知識體系，提高教育教學質量，幫助學生掌握現代材料測試技術的初步基礎并能在未來科研和實際工作中進行應用實踐，顯得尤為重要。

1.2 合理選用教材

隨著科學研究和生產實踐水平的不斷提高，現代材料測試技術也得到了突飛猛進的發展，新的材料研究手段日益精密、全面，并向大型化、綜合化方向發展。例如，一臺新型場發射掃描電子顯微鏡，除了具有納米級分辨水平的顯微結構分析，還可以配備成分分析附件和晶體結構分析附件，從而實現較為全面的分析功能。而現有的教材，多是幾年前的版本，跟不上現代測試技術發展的步伐，教材內容難以及時更新。如何在教學過程中引入最新的儀器和方法來開闊學生視野、培養學生的創新能力是一個極大的挑戰[7-8]。另外，教材大多以介紹基本概念和推導公式為主，缺乏材料測試技術應用方面的案例和習題，內容較為枯燥。教材是課程標準的具體化，在介紹現代材料測試技術基本原理的基礎上，應更側重分析技術的應用。在新工科提倡創新的發展思路下，其專業教學內容建設應該與時俱進，瞄準科技發展前沿，在不斷豐富和改善中對內容進行梳理，遵循實用原則并做到條理清晰、簡明扼要。

1.3 強化評價體系

目前，“現代材料測試技術”課程大多通過課堂出勤、期末閉卷考試和撰寫實驗報告等方式對學生進行評定。這種傳統的考核評價主體相對單一、評價內容不全面，忽略了理論與實踐結合培養的考量，也忽視了學生的學習過程。同時，也限制了教師針對考核結果的反饋及運用，從而不能及時調整教學計劃。在保證學生掌握理論基礎的前提下，要以促進學生全面發展為主線，以培養創新型科研人才為主要目標，從新工科人才培養需求角度出發，凸顯學生實際創新實踐能力的考核。在新工科建設背景下，為提高我國創新型人才的培養質量，建立全面、有效的課程評價體系至關重要。

2 創新教育理念，優化課程體系

2.1 融入多學科交融教學模式

學科融合多元化發展是教學改革的必然選擇。“現代材料測試技術”課程的知識體系涉及廣泛、實用性較強，具有適用于多學科教學的特點。教師可通過介紹學科交叉案例，或利用教師的交叉研究及科研項目，來完善多學科交融的教學模式。例如，在實驗教學過程中，可有機結合與仿生學相關的材料測試研究。仿生學是20世紀生物學與技術科學快速發展而產生的一門新興交叉學科。自誕生以來，仿生學以其可持續發展的強大生命力和充滿原始創新的無限活力飛速擴展到自然科學、技術科學和工程科學的眾多領域[9-10]。而仿生測試技術中常用的常規表征測試技術就包括電子顯微技術、X射線衍射技術、紅外光譜技術等。通過靈活設計專業課模塊，將相應內容在現代材料測試技術科研、生產領域的應用情況對學生進行滲透，拓寬學生對現代材料測試技術學科知識的涉獵范圍，提高其科學研究興趣。例如，在車載燃料電池雙極板仿肺三維流場傳質增效設計與制造中，提出利用金屬3D打印工藝制造雙極板仿肺3D流場，采用掃描電子顯微分析技術觀察樣品支氣管與肺泡之間的空間結構，探索肺部氣管樹及其排水機理，繼而講解掃描電鏡的工作原理、儀器構造、主要性能指標、檢測方法和圖像分析(如圖1所示)。通過合理設計交叉學科的科研項目，提高學生參與的積極性，利用實驗探究關鍵參數，增強學生知行合一的能力，從而豐富“現代材料測試技術”課程中多學科交融模式的教學內容，培養學生的綜合應用能力。

圖1 新工科背景下“現代材料測試技術”課程教學流程——以“掃描電鏡”為例

此外，結合仿生學的多學科交融教學模式還能夠幫助學生關心自然與社會，是培養學生實踐能力、創新精神與社會責任感的重要途徑。

同時，在教學中融入多學科交融教學模式能夠為教師提供發展的平臺。不僅教學內容要體現多學科融合的多端模式，教師更應將自身的多學科思維滲透進教學過程，而且要在教學方法上不斷創新、教學內容上不斷充實和完善。應用多學科交融教學模式能夠豐富其課堂教學形式，提升課程的整體質量和教學效率。同時，把科研項目融入教學，利用教學推動科學研究，兩者相互促進、相輔相成。如此，可打破固有學科領域界限，形成體現多學科交叉融合特征的工程人才培養模式，引導學生掌握和探索交叉學科前沿的知識與發展動態。目前，關于“現代材料測試技術”課程中融入多學科交融教學模式的研究相對較少，具有較高新穎性。

2.2 融入思政元素

課程思政是落實高校立德樹人根本任務的重要途徑[11]，也是新工科建設在專業課程教學中培養學生德才兼備、全面發展的迫切需要。在不斷發展的現代社會，材料已經逐漸成為人類賴以生存和發展的物質基礎。其與國民經濟建設、國防建設密切相關，與人民的衣食住行密不可分。在“現代材料測試技術”課程的教學過程中，通過有機結合相關時事熱點，如黨的十八大以來提出的美麗中國、健康中國等，為材料科學技術的專業知識傳授和思想政治教育提供了眾多生動素材。在教學過程中，需要巧妙地將其中所蘊含的愛國情懷、創新精神等德育元素精髓有機地融入課堂教學過程，以潤物無聲的方式培養學生的專業自豪感和社會責任感，增強科技報國的家國情懷和使命擔當[12]。

基于融合仿生學的多學科交融教學模式，以多元化的視野，強化人類與自然更和諧、更密切的關系，能夠幫助學生樹立協調發展的生態文明理念，形成關注環境及可持續發展問題的意識，深入理解構建人類命運共同體的重要內涵；著眼于學習模擬大自然運行法則的仿生理念，既實現了新工科背景下的教育目標，又豐富了課程教學內容，同時也在加深學科內容深度和廣度方面起著至關重要的作用，為培養德智體美勞全面發展的新工科人才提供有力支撐。

除此之外，在課堂教學過程中適當融入物理學史或設備研發過程，如X射線的重大發現，喚醒了沉睡的物理學界。德國物理學家倫琴以幾十年的精心實驗和嚴謹自覺的工作態度揭開了現代物理學革命的序幕。通過講述蘊藏在開創性成果下科學家艱辛奮斗和探索的精彩故事，使學生懂得科學成果的來之不易，懂得科學研究需要具有認真嚴謹的治學態度[13]；同時幫助學生理清相關物理法則和規律的演變脈絡，了解科學家們作出的卓越貢獻和堅定不移的探索精神，使學生潛移默化地受到感染和熏陶；并且通過不斷強化其專業知識背景，讓學生了解科技發展帶來的巨大影響和變化，激發學生對 X 射線的學習興趣，提高學生的科學素養和人文精神。在每個章節的教學過程中，都應深度挖掘與之對應的思政元素，通過融入豐富的思政案例，進一步推動課程教學改革建設。具體實施過程見表1。

表1 課程思政融入教學內容

在“現代材料測試技術”課程的整個教學過程中，立足于課程思政建設的根本要求，以教育理念為靈魂，結合現代材料專業教學特色，以專業測試技術知識為載體，深度融合課程思政元素，是促進材料工程專業課程深入改革，實現知識傳遞和價值引領齊頭并進，提高新工科人才培養質量的重要手段。

2.3 改革教學方法

改變傳統的教學方法，落實以學生為中心的理念。基于新工科背景，“現代材料測試技術”課程教學在教學改革方面作了很多嘗試。首先，基于任務驅動法設置研究小組，以教師在仿生學和材料測試技術方向的交叉研究及科研項目為導向，依托信息社會資源開放的特點，通過發布相關科研任務，引導學生根據所要解決的問題自主學習，查閱相關資料，解決專業學時有限的問題，拓寬學生多學科交叉的思維廣度。其次，充分利用案例教學法，在實踐教學過程中選擇具有學科交融的代表性案例。例如，在氫能源汽車中，從質子交換膜燃料電池雙極板仿生流道制備過程中的表征及相關性能檢測出發，引入模壓工藝過程中石墨材料仿生流道雙極板的檢測方法，然后進一步講解檢測其材料的主要方法——熱分析技術，隨之講解熱分析技術的基礎種類、基本原理、曲線特征分析及影響因素。另外，基于小規模的翻轉課堂形式，為學生提供創新平臺，鼓勵學生了解最新測試方法動態，以匯報形式在課堂上講解儀器結構、操作注意事項，培養學生的知識綜合運用能力。

通過本課程學習，幫助學生對材料科學領域的研究和檢測中常用的各種材料測試技術進行系統了解，并能夠正確選擇材料測試方法分析典型的測試結果(圖譜、圖像等)。通過改革教學方法，有機融合仿生學內容，豐富教育理論，改變了傳統的先講后練式教學結構，使學生真正成為學習的主體。

2.4 重構教材內容

教材是課程內容的載體，其作為教育的基礎，承載著微觀層面的人才培養重任。盡管有關材料分析測試技術的參考書籍琳瑯滿目、種類繁多，但其交叉仿生學科的教材相對匱乏，因而需要教師根據其教學實踐、科研經驗以及創新人才培養目標進行合理編排，以滿足學科融合多元化發展的教學需要。該教材在編寫過程中應聚焦課堂教學本質，以課程標準為依據，以融合交叉為特色，以人才需求為導向，以立德樹人為主線，以靈活設計專業課模塊為關鍵載體，以教材內容深廣度適中夠用為原則，以培養交叉仿生學科創新人才為目標，并在遵循教學基本規律的前提下設計和開發教材，使之能夠滿足新工科背景下課堂教學的最大化需求。

鑒于現代材料測試技術發展日新月異，技術與儀器設備不斷更新，在側重各種分析測試方法基本理論、原理敘述經典性的同時，也應注重結合科學技術發展的最新動態，靈活把握教材的科學性、系統性和適用性，繼而反映出當代科學技術的新知識、新理論、新技術，突出反映教材內容的現代化特色。由于現代材料分析測試工作實踐性強，在編寫教材的過程中，編者應著重培養學生應用分析方法解決具體問題的能力，并大量提供科研工作中的實際問題做作為應用實例，使學生在學習本課程后能掌握具體的分析方法，為教學實踐活動及科學研究服務。同時，應配合大量插圖、圖表等，讓理論概念更清晰化，在講授過程中讓學生直觀了解知識體系及其相關技術的選用準則。此外，為鞏固所學知識，每章都應設有一定量的思考題，旨在加強基礎、拓寬專業面。在交叉仿生學科的內容搭配上，要從整體上進行審視，將同一主題的專業課知識加以歸類形成模塊，并輔助呈現多學科交叉的探究任務、科研實例、擴展資料等，從而優化教材內容的學科橫向聯通性，拓寬學生專業口徑，實現多學科知識的交叉與滲透，以滿足培養新工科背景下創新人才的需要。

2.5 構建多元化考核評價體系

教育評價是教育改革和發展的指揮棒[14]?？茖W的考核方法是客觀評價學生知識掌握能力和教學活動的重要環節，對培養學生的個性和創造性具有重要作用[15-16]。“現代材料測試技術”課程的考核評價體系，不光要加強學生對基礎理論知識的考核，還要注重學生在學習過程中的表現，把多元化考核的重點放在教學過程中。

新工科背景下的多學科交融教學模式，以促進學生的全面發展作為衡量人才培養質量的根本標準，構建多元化考核評價體系，如圖2所示。

圖2 多元化考核評價體系

一是建立多元化評價主體，包括學生的自我評價、組內成員分工互評、教師指導評價等，由多元化主體從多個角度出發，形成全員參與的多元評價機制。二是豐富多元化評價內容，包括合作與交流能力、學習與科研創新能力、實踐與操作安全意識、知識掌握與運用能力等多個維度，構成精細化的多元評價體系。三是運用多種評價方式，包括線上考核環節、日常出勤情況、實驗報告撰寫等多種評價方法，實現多元化考核評價體系的構建。四是采用過程與結果相結合的多元考核體系。在日?？己酥?，教師通過靈活劃分各專題分值占比，按一定權重算入過程分；并通過考核結果及時作出反饋，分析學生學習掌握情況，同時進行教學調整，從而完善和改進教學過程。在結果考核中，采用閉卷考試的形式，考查學生對各種測試分析儀器基本原理、構造及應用的掌握情況，并加入一定量的多學科開放性綜合試題，考查學生對所學知識的綜合運用與拓展創新能力。

構建多元化考核評價體系，有利于提高人才培養質量，能夠培養學生的實踐與創新能力，也能夠促進學生養成良好的團隊意識和科學素養。

3 發放調查問卷，檢驗教學效果

在階段教學實踐結束后，為檢驗結合仿生學的多學科交融教學模式下“現代材料測試技術”課程的教學效果，設計并發放了實施效果調查問卷(見表2)。其中，一級指標為學習過程和學習結果，隨后根據一級指標細化出6個二級指標和14個對應題項。問卷設計基于李克特量表(Likert scale)，所設題項均為客觀選擇題，不同選項表明被測者對該項陳述的認同程度。所設5個選項及對應分值如下：十分同意(5分)、同意(4分)、一般(3分)、不同意(2分)、十分不同意(1分)。各個題項所得平均分數越高，證明被測者對于該題項認可度越高。本次研究調查對象為材料成型及控制工程專業01班學生,共發放調查問卷23份，回收問卷23份，回收率100%。經確認全部問卷為有效問卷，有效率100%。

表2 階段性教學效果調查分析

根據問卷調查分析，針對“項已刪除的α系數”，任意題項被刪除后，信度系數并不會有明顯的上升，因此說明題項設計合理有效。同時，除“我會在課外時間與任課教師進行學術交流”之外，其他陳述項均值皆大于4分。由此可知，在學習過程的調查中，學生對交叉仿生學科的教學模式喜愛程度頗高，對其教學過程、教學評價的設計與實施滿意度較高；在學習成果的調查中，學生認為自身科研能力、綜合素質有著顯著提升。此外，根據線上SPSS AU工具和Excel 2010軟件統計結果可知，研究數據信度系數值高于0.8(見表3)，綜合說明數據信度質量高，可用于進一步分析。

表3 問卷數據Cronbach信度分析-簡化格式

實踐證明，在階段教學中，“現代材料測試技術”課程取得了較好的教學成效，能夠滿足學生的學習需求和教育期望，并獲得了學生的廣泛歡迎和認可，也對其知識運用能力和綜合素質的提高有很大幫助。并在達成教學目標的同時，完成“現代材料測試技術”課程的教學任務。

4 結語

在加快新工科建設的背景下，“現代材料測試技術”課程教學改革與創新涉及范圍廣、操作難度大，是一項綜合性的系統工程?，F代材料科學測試技術的新理論、新知識、新技術迅猛發展，展現出極具創新性的應用前景，這給材料科學教學帶來了新的發展機遇與挑戰，同時也為教師賦予了新的職業責任與使命。因此，必須要適應新時代高等教育的發展，遵循新工科建設的基本要求，去深入考量、精心謀劃和大力實施，不斷加強多學科交叉與融合；必須堅持立德樹人導向，強化課程思政教育與學生素質培養；不斷深化教學改革，力爭創新專業課程教育方式與手段，打造工程教育開放融合新生態，使材料科學教學取得新的更大的成就。