航空特色微課在材料測試技術教學中的應用與實踐

于占軍，李明玉，袁慶新，衛萌，曾凡光，崔節虎

（鄭州航空工業管理學院 材料學院，河南鄭州 450046）

隨著科學技術的發展，材料在日常生活、國防建設及科學研究中的地位日趨重要，人們對材料組成、微觀結構與性能之間的構效關系越來越關注。材料測試技術是主要介紹用于材料表征的各種儀器分析的基本原理、試驗方法及應用的一門課程，是材料類本科生的專業核心課程之一[1-2]。該課程具有多學科知識的交叉性和技術的實用性，能為學生將來讀研及工作奠定良好的基礎。材料測試技術課程的教學目標是學生通過學習X 射線衍射分析、光譜分析（例如激光拉曼、紫外可見、紅外、核磁共振、熒光等光譜）和各種電子顯微鏡等的儀器原理、 測試過程及采樣數據處理方法，能夠根據材料特點及表征目的，選擇正確的材料分析研究方法，對材料的微觀本征信息進行表征，為揭示材料結構與性能之間的構效關系提供有力證據[3]。但該課程涉及的表征儀器多，儀器原理及測試方法理論性強，教學內容難度大，導致部分學生學習難度較大。

微課是圍繞教材中的某個重點、難點或疑點等知識點進行講解的教學短視頻，具有目標明確、層次清晰、語言簡練、內容翔實和效果較好等特點[4-5]。其以網絡為平臺，學生可利用手機、電腦或PAD 隨時隨地學習，突破了時間與地點的限制，操作簡單方便，適合網絡時代大學生的生活與學習[6-8]。此外，通過微課視頻，學生課前可結合教材對理論和實踐內容進行預習，對預習中的疑難點通過課堂聽講或與同學、任課教師討論得以解決；課后可對重要知識點進行鞏固和拓展，課前與課后反復學習的方式可使學生牢固掌握課程的核心內容。微課不但改變了單一的傳統教學模式，為學生獨立自主學習提供了條件，而且提高了學生的學習積極性和學習效果[9-12]。

鄭州航空工業管理學院是一所具有航空航天特色的綜合性大學，將學校的航空特色、微課和材料測試技術課程教學有機融合，緊密聯系航空航天現代化工業及科技發展的實際需求，體現材料測試與航空工業技術之間的橋梁作用，是課程思政貫穿材料測試技術教學過程的具體體現。本文初步探索在材料測試技術教學過程中結合航空特色微課使學生加強對基本理論的掌握，使專業教學和思想政治教育同向同行，實現育人和育才相統一[13-14]，并激發學生對材料測試技術學習的興趣和積極性，提升教學質量。

1 材料測試技術教學存在的問題

1.1 學情分析

鄭州航空工業管理學院材料成型及控制專業、材料科學與工程專業、應用物理學及功能材料專業學生均需要學習材料測試技術課程，每屆學生約300 人。根據材料測試技術課程性質，一般安排在其他基礎課學習后的大三開設，分為理論與實踐兩個部分。依據每學年的期末考試統計分析，發現每學年需補考或重修的學生占該課程學習總人數的9%左右。經過與這些學生深入交流了解到，他們認為該課程知識面廣、內容分散、基礎理論和物理概念多、應用性強、難懂。另外，部分學生未養成課前預習與課后復習的良好習慣，導致課堂學習效果不理想。

1.2 教學存在的問題

（1）教學內容瑣碎，理論知識深奧。材料測試技術理論課是以材料、物理、化學、電子、光學等為基礎的交叉學科，課程內容包括諸多儀器分析方法，且每章內容又可細分為較多的材料研究方法，每種儀器的概念和測試原理方法多，重要知識點既抽象深奧又零碎易混淆。多數學生難以完全理解課程的重要知識點。部分學生由于對材料測試技術原理的本質不理解，導致難以選擇合適的測試技術進行材料的研究。（2）教學內容陳舊，未與時俱進。隨著科技的快速發展，新型材料的出現，對新的材料表征手段的需求增加，新測試儀器或舊儀器升級改造后的新測試原理和方法不斷出現，各種儀器更新換代較快，而目前大部分教材仍保持幾年才更新一次，甚至內容只有小改動，難以體現現代測試技術的最新研究成果。例如，大部分教材在敘述不同儀器的測試原理及測試過程時舉的例子仍然是傳統材料的組成結構形貌圖，且課后練習題多數是關于原理的，缺乏與現代材料工程結合的實際案例，很難激發學生對該課程的學習興趣。（3）教學內容多，課時少，育人效果不佳。隨著國家對學生素質培養要求的不斷提高，學生學習的課程數目增多，該課程卻由原來的48 學時縮至32 學時，理論課只有28 學時。教師需在較短時間內完成較多理論教學任務，多以知識講授為主，較少與學生互動，導致學生對深層次的原理難以理解。同時，教師講課期間很難有時間融入課程思政。（4）教學內容理論與實踐分離，教學效果不佳。 學校一般先進行測試技術理論課的講授，后進行實驗實踐課。學生在短時間內學習較多理論知識，難以理解儀器的工作原理且印象不深刻。理論課結束進行實踐課時，部分學生已忘記相關理論知識，只能按照儀器說明書操作。實踐課只有4 學時，學生對大部分儀器只是參觀，沒有機會實際動手操作。

2 航空特色微課在材料測試技術教學中的應用探索

2.1 航空特色材料測試技術微課設計

在微課內容與課件設計方面，教師要從材料測試技術課程的航空航天特色內容和特征出發，將抽象性和理論性較強的內容形象化和生動化，并將課程的內容進一步精煉、細化和分解。在內容細分過程中，教師要基于學生已掌握的知識，注意內容結構的完整和清晰，確定每一小部分的教學目標、重點和難點。一般情況下，高校材料測試技術的授課任務通常由一個教學團隊擔任，各授課教師擅長不同材料、不同學科的研究工作，有各自的科研領域，因而，各模塊知識點的航空特色微課可以由不同教師分別講授，取各家之長。

例如，緒論部分可從材料測試技術組織形貌分析、物相分析、成分價鍵分析、分子結構分析進行分類設計和制作微課。在選擇微課素材時，教師可以從航空材料所需的微觀組織、結構、形貌表征出發，引入當前的發展特點及現狀，讓學生了解我國航空航天在現代化建設中的重要作用。教師可介紹長征運載火箭、天宮空間站、神州載人飛船、天舟貨運飛船、天問探測器、嫦娥探月工程等航空航天工程的成功實施，展現我國航空航天科技及綜合國力的增強，這些都離不開航空航天工作者的不懈努力和辛勤工作。教師還可以向學生介紹我國航空發動機材料在世界上的地位，以及與發達國家航空發動機的差距。通過緒論的講解，使學生在學習科學文化知識的同時增強文化自信和民族自豪感，厚植愛國情懷，激發為航空航天事業科技創新的動力及航空報國熱情，樹立遠大的理想，使課程思政達到價值引領的效果。

2.2 航空特色微課在材料測試技術教學中的應用舉例

2.2.1 利用航空航天實例，增強學生的學習動力

教師可采用航空航天材料中的一些典型案例激發學生的學習動力以及對材料測試技術課程的學習興趣。無論是航空航天器上的螺絲釘材料，還是機身、機翼、尾翼等大部件材料，在研發航空部件時，均需要材料測試儀器作為輔助，讓學生意識到材料測試技術在航空領域及國家重大科技領域發展過程中的重要作用。例如，在學生預習掃描電鏡章節時，教師可提前通過微課向學生展示生活中及航天航空領域的各種輕合金及超高強度鋼的有趣案例，以此導入航天航空中用的鋁合金、鎂合金、鈦合金及超高強度鋼；采用視頻結合圖片的形式講解鈦合金的掃描電鏡表征的原理及操作過程時，可以引入我國航空鈦合金奠基人顏鳴皋院士的事跡圖片，介紹其在艱苦的環境下嚴謹的科研作風和吃苦耐勞的精神，培養學生的家國情懷、科學精神；教師還可以圖片和文字的形式呈現激光鈦合金增材制造專家王明華院士的事跡，讓學生了解3D 打印鈦合金最新工藝技術在航空航天領域的應用以及對科技進步的重要意義，激發學生科技創新；在舉例航空鋁合金電鏡表征時，教師可以引入大國工匠毛臘生的事跡，培養學生要干一行、愛一行、專一行、精一行的職業操守觀。通過一系列航空航天的應用實例，啟發學生深入思考，讓學生了解材料測試技術在航空航天領域中的應用及在國家科技發展過程中的意義，激發學生的學習動力。

2.2.2 測試原理航空特色微課形象化，增強實踐基礎

材料測試技術課程涉及的測試方法有X 射線衍射分析、光譜分析、熱分析及各種電子顯微鏡等。能夠理解和熟練掌握每種測試技術所涉及的測試工作原理和分析過程是學習材料測試技術的關鍵，但是這些原理各不相同，理論性強，且枯燥易混淆，簡單地以語言進行講解，學生很難理解。若是制作微課，在講解儀器測試原理時，依據講解步驟配以對應的動畫演示，能夠使學生清晰觀察到儀器各部件的作用及詳細動作過程，加強對各種材料測試儀器工作原理的理解和掌握，這些動畫演示可以通過動畫軟件制作或網絡優質課資源整合獲得。例如，X 射線衍射分析是將特定波長的X 射線照射到晶體材料上，該射線因材料內具有規則排列的原子或離子而發生散射，使X 射線在某些特定方向的相位加強，進而獲得與該測試材料晶體結構相對應的衍射圖譜。對于該原理過程，單純的語言講解過于抽象，學生很難真正理解，以微課配合具體測試實例動畫進行講解，則學生能直觀觀察其原理。實例表征航空航天用高溫金屬結構材料的XRD 的測試過程，通過視頻或動畫講解測試過程，引入師昌緒院士的先進事跡，他解決了一系列技術難題，使我國航空發動機渦輪葉片由鍛造到鑄造、由實心到空心，并引領和推動了我國多個材料學科的發展，在我國的科技戰略發展中作出了巨大的貢獻；通過動畫或視頻展示測試原理和過程使學生更容易掌握儀器工作原理及分析方法，增強實踐基礎，并引入航空航天典型事例，對學生的價值引領及科學精神起到潤物無聲的作用。

2.2.3 航空特色微課輔助實驗，增加實踐能力

制作材料測試技術實驗微課能夠使學生更好地理解測試原理的本質、儀器結構、測試方法及過程，數據處理及討論等環節，以及每種測試技術在測試過程中的注意事項。由于測試技術實驗涉及的都是大型儀器，一旦損壞，不僅維修費用較高，而且也會耽誤教師和研究生的科研測試。實驗課的學生相對較多，難以保證每位學生都能在離儀器很近的地方觀看教師操作。在材料測試技術實驗前錄制微課，記錄大型儀器的操作步驟，配合講解，插入啟發式教學并設置問題，能夠使學生加深對理論知識的理解和記憶，可以降低大型儀器的損壞概率。對于各種儀器的測試原始數據的處理，教師可將常用的材料研究方法處理數據軟件的數據處理詳細過程錄制成短視頻，通過微課的形式發送給學生進行預習，減少實驗中錯誤的出現，并解決離儀器較遠的學生看不到操作細節的問題，也解決了實驗步驟較多、數據處理過程煩瑣，部分學生容易忘記等問題，學生可以通過微課視頻熟悉每個操作步驟。通過課堂演示與微課預習可使學生加深對實驗課理論原理與操作的理解，提高實驗的成功率。例如，教師在講解透射電鏡時，以具體C/C復合材料表征為例，透射電鏡儀器結構復雜，原理和操作復雜，通過微課的展示，學生很容易理解；同時引入我國航空C/C 復合材料開創者和奠基人黃伯云院士的事跡，其堅忍不拔的科研精神會對學生起到很好的教育作用。通過航空特色微課使學生學會了每種儀器從原理、測試到數據處理分析的完整流程，增強了實踐能力，潛移默化地使學生建立科研報國的理想信念。

3 結束語

綜上所述，將航空特色微課與材料測試技術傳統課堂有機融合，能夠提高學生學習該課程的興趣和積極性，加深對所學儀器的測試原理、測試過程及采樣數據分析處理的理解，提升學生使用各種材料測試儀器的綜合能力，提高材料測試技術課程的教學效果。教師在講授理論知識的同時，融入航空特色思政元素，使專業知識講解和思政元素深度融合、貫穿始終，培養學生家國情懷、責任擔當、愛崗敬業、堅韌不拔、銳意創新精神。航空特色微課在材料測試技術教學中的應用與實踐達到了育人育才相統一，既使學生學會了知識，掌握了材料測試技術，也使學生堅定了將所學專業技術用于國家建設的決心和信念。