材料現(xiàn)代分析方法課堂教學(xué)改革探析

秦國(guó)強(qiáng)，付華，司華燕，張光磊，張希清

(石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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材料現(xiàn)代分析方法課堂教學(xué)改革探析

秦國(guó)強(qiáng)，付華，司華燕，張光磊，張希清

(石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

材料現(xiàn)代分析方法是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的一門必修課，在整個(gè)課程體系中發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用，也是教學(xué)和學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。學(xué)生運(yùn)用本門課程知識(shí)解決問(wèn)題的實(shí)踐能力偏低已經(jīng)成為普遍性問(wèn)題。以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力為導(dǎo)向，通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程體系，增加創(chuàng)新性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，改革實(shí)踐教學(xué)方法，探索優(yōu)化理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)關(guān)系，改變理論教學(xué)方式，與專業(yè)導(dǎo)師制相結(jié)合安排設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等措施，進(jìn)一步最優(yōu)化理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系，可提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，強(qiáng)化運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的素質(zhì)培養(yǎng)。

材料現(xiàn)代分析方法；課堂教學(xué)；實(shí)踐能力；成果導(dǎo)向；專業(yè)特色；導(dǎo)師制

材料現(xiàn)代分析方法是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的一門必修課，在整個(gè)課程體系中發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用[1]。它不僅決定了學(xué)生對(duì)于材料宏觀性能與其成分和微觀組織結(jié)構(gòu)關(guān)系的理解，同時(shí)在很大程度上決定了現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展[2]，因此也是培養(yǎng)創(chuàng)新型、研究型材料專業(yè)學(xué)生的有力工具[3]。材料現(xiàn)代分析方法具有鮮明的課程特點(diǎn)，不但課程內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，而且理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密，實(shí)用性很強(qiáng)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致了老師往往覺得課程難教，上課吃力，而學(xué)生覺得課程難懂、缺乏興趣，以致實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用能力普遍偏低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。特別是在當(dāng)今大學(xué)本科階段壓縮課時(shí)的情況下，如何上好材料現(xiàn)代分析方法這門重要課程已經(jīng)成為材料專業(yè)教師不得不面對(duì)的一個(gè)普遍性難題[4]。

石家莊鐵道大學(xué)是一所以工科為主的綜合性大學(xué)，其材料學(xué)院包括無(wú)機(jī)非金屬材料工程、金屬材料工程、材料科學(xué)與工程和功能材料等4個(gè)本科專業(yè)，分6個(gè)方向培養(yǎng)，分別為無(wú)機(jī)非金屬材料工程、無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)、金屬材料、材料連結(jié)、高分子材料工程和新型功能材料，每一年級(jí)分為8個(gè)自然班，240人左右。以上專業(yè)和方向已經(jīng)涵蓋了材料學(xué)的所有主要專業(yè)范圍，相關(guān)專業(yè)教師的科研也大致與專業(yè)方向一致。對(duì)于以上4個(gè)專業(yè)的本科生而言，材料現(xiàn)代分析方法是其大三第一學(xué)期學(xué)習(xí)的一門必修課。而在研究生教育階段，不論是材料學(xué)專業(yè)還是材料加工工程專業(yè)，在第一學(xué)期也都要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)這門課程。這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分主要由我校材料測(cè)試中心承擔(dān)，其具有透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等大型分析測(cè)試儀器，但大多是單臺(tái)套，價(jià)格昂貴，無(wú)法做到每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作。針對(duì)我校本科專業(yè)方向全、涉及材料種類多、差異大、設(shè)備資源有限的現(xiàn)狀，本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)遵循理論研究與實(shí)踐探索相結(jié)合的研究思路，以行動(dòng)研究為主要研究策略，經(jīng)過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐，探索以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力為導(dǎo)向的課堂教學(xué)改革，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。

1　措施與探討

1.1優(yōu)化理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)關(guān)系

以成果導(dǎo)向教育(Outcome-Based Education，OBE)為核心，以學(xué)生為中心，使學(xué)生學(xué)完課程后真正提高了實(shí)踐能力，而不僅僅是考試成績(jī)。OBE是指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程最后所取得的學(xué)習(xí)成果[5]。OBE由美國(guó)教育家提出，在美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家成為了教育改革的主流理念。材料現(xiàn)代分析方法課程的最終目的是讓學(xué)生掌握方法、運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題，而不僅僅是理論上有認(rèn)識(shí)。因此首先需改變理論教學(xué)方式，以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，達(dá)到理論深度與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相互促進(jìn)的目的。具體做法包括：突出教學(xué)重點(diǎn)，減少非重點(diǎn)尤其是純理論推導(dǎo)等授課內(nèi)容比例；參照問(wèn)題式教學(xué)模式設(shè)計(jì)授課內(nèi)容，做到一課一問(wèn)，目標(biāo)明確；綜合運(yùn)用板書、PPT或其他多媒體等各種教學(xué)方法，課程提綱和重要知識(shí)點(diǎn)用板書書寫，具體知識(shí)點(diǎn)或其他信息用PPT課件或多媒體內(nèi)容播放；加強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)的背景知識(shí)資料的收集和介紹，添加材料測(cè)試技術(shù)最新進(jìn)展，尤其是重大新聞和科研進(jìn)展中涉及的材料測(cè)試技術(shù)方面的內(nèi)容，例如2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)關(guān)于準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)以及2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)關(guān)于超分辨率熒光顯微鏡的發(fā)展，以提高學(xué)生興趣；結(jié)合專業(yè)，增加案例分析與查詢，以點(diǎn)帶面，展開啟發(fā)式教學(xué)，促進(jìn)對(duì)現(xiàn)代分析技術(shù)的深入理解，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)和專業(yè)的歸屬感、認(rèn)同感。

1.2調(diào)整、優(yōu)化材料現(xiàn)代分析方法實(shí)驗(yàn)課程體系

1.2.1重新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、所用材料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等都是固定不變的，學(xué)生往往敷衍了事，實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。在修訂后的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系中突出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，讓學(xué)生掌握各種現(xiàn)代分析方法，其他具體實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等自由可變。特別是很多學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入課題組或參與科研項(xiàng)目，在他們的課題中需要做X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope，TEM)、紅外光譜(Infrared Spectroscopy, IR)等測(cè)試分析，此時(shí)實(shí)驗(yàn)材料可直接使用他們自己制備的實(shí)驗(yàn)材料，讓科研真正進(jìn)課堂、進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力。綜合性實(shí)驗(yàn)是指涉及到2種及以上材料現(xiàn)代分析方法的實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間往往彼此獨(dú)立，而在實(shí)際工作或科研中對(duì)于材料的分析表征一般是多方面的，因此增加綜合性實(shí)驗(yàn)更加貼近工作實(shí)際，且多種分析結(jié)果相互印證對(duì)比，可以獲得對(duì)材料的綜合評(píng)價(jià)。如我們?cè)赬RD、SEM和電子探針能譜分析(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)試驗(yàn)中對(duì)同一種陶瓷粉末進(jìn)行測(cè)試，這樣對(duì)于這種粉體材料的結(jié)晶形態(tài)、典型表面形貌和成份分布就有了一個(gè)綜合了解。

1.2.2突出專業(yè)特色

如XRD實(shí)驗(yàn)中，了解各專業(yè)典型相的XRD衍射特征并進(jìn)行分析標(biāo)定。金屬方向：α-Fe，γ-Fe，馬氏體M、貝氏體、滲碳體。無(wú)機(jī)非(混凝土、陶瓷)方向：SiO2(α-石英，β-石英，α-鱗石英，α-方石英，β-方石英等), Al2O3(α-Al2O3，β- Al2O3，γ- Al2O3等)等。高分子方向：聚乙烯，聚丙烯等。通過(guò)分析各專業(yè)方向中的基本相，進(jìn)一步理解成分、相、結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)等基本概念。要求學(xué)生提供各實(shí)驗(yàn)所需合適的試樣。

1.2.3增加創(chuàng)新性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

結(jié)合同時(shí)開課的材料性能學(xué)和工程材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，綜合理解低碳鋼，鑄鐵的性能曲線；收集進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、疲勞等實(shí)驗(yàn)后的材料，收集斷口，進(jìn)行斷口的SEM觀察(制樣，微觀形貌觀察，照片)，XRD 相分析(試樣準(zhǔn)備，≥Φ30 mm，粉末)，有興趣的學(xué)生可進(jìn)行TEM微觀組織觀察(制樣，位錯(cuò)組態(tài))。通過(guò)這種方式不但學(xué)習(xí)了本課程的知識(shí)，同時(shí)融合多課程知識(shí)，對(duì)其他相關(guān)課程的知識(shí)點(diǎn)也進(jìn)行了復(fù)習(xí)和提高，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題能力。

1.2.4改革考核方式，提高實(shí)踐教學(xué)占分比

一是對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)整理。分為本課程要求掌握和應(yīng)用的以及考研深造提高的等。本課程要求掌握和應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)主要包括倒易點(diǎn)陣定義、晶帶定律、布拉格方程、晶體消光規(guī)律、X射線連續(xù)譜，X射線特征譜；相干散射，非相干散射；光電效應(yīng)，二次特征X射線，熒光效應(yīng)，俄歇效應(yīng)等。考研深造提高的知識(shí)點(diǎn)包括倒易點(diǎn)陣在晶體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)因子的計(jì)算、XRD衍射強(qiáng)度和定量分析方法、XRD精確測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)、X射線衍射儀測(cè)定宏觀和微觀應(yīng)力；晶粒大小的測(cè)定(XRD方法)；小角X射線散射的特點(diǎn)與應(yīng)用等。二是考題形式突出實(shí)踐應(yīng)用?？荚噧?nèi)容側(cè)重基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用兩大模塊的考核，改變考題形式，加大實(shí)踐應(yīng)用內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和分析問(wèn)題的能力。三是增加綜合實(shí)驗(yàn)及選題分析，綜合考核學(xué)生對(duì)XRD，SEM，TEM，IR等材料現(xiàn)代分析方法在本專業(yè)研究領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。如要求學(xué)生結(jié)合自己的專業(yè)，查閱核心期刊以上文獻(xiàn)(英文文獻(xiàn)或自己在課題組做的實(shí)驗(yàn)分析加分)，任選一種材料，選擇至少3種現(xiàn)代分析方法，進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)、成分、形貌、化學(xué)價(jià)態(tài)等分析。四是增加過(guò)程考核。主要包括學(xué)生課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)完成情況、實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)等觀測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行考核并最終納入期末考核中。

1.3與專業(yè)導(dǎo)師制相結(jié)合安排設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

我校材料學(xué)院近幾年實(shí)行了專業(yè)導(dǎo)師制，各專業(yè)學(xué)生了解專業(yè)老師的科研方向后，根據(jù)興趣自由選擇一位作為自己的專業(yè)導(dǎo)師，進(jìn)入導(dǎo)師的課題組開展科研；專業(yè)導(dǎo)師除了為學(xué)生解答專業(yè)發(fā)展方面的問(wèn)題外，還可指導(dǎo)學(xué)生開展科研。根據(jù)各專業(yè)和導(dǎo)師研究方向不同調(diào)整實(shí)驗(yàn)原料、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等，結(jié)合其他專業(yè)相關(guān)課程安排設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種方式使得學(xué)生充分利用大學(xué)時(shí)間提高專業(yè)能力，為將來(lái)的就業(yè)和進(jìn)一步深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前材料現(xiàn)代分析方法課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在不合理處，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用能力普遍偏低的現(xiàn)狀，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化材料現(xiàn)代分析方法實(shí)驗(yàn)課程體系，增加創(chuàng)新性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，改革實(shí)踐教學(xué)方法，改變理論教學(xué)方式，與專業(yè)導(dǎo)師制相結(jié)合安排設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終達(dá)到進(jìn)一步最優(yōu)化理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系，提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，重點(diǎn)強(qiáng)化了運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的素質(zhì)培養(yǎng)，取得了良好的教學(xué)效果。

[1] 李軍,劉延輝,何亮,等.材料現(xiàn)代分析技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)分析及設(shè)計(jì)[J].大學(xué)教育,2013(9):41-42.

[2] 孟范成.《材料現(xiàn)代分析方法》課程教學(xué)中存在問(wèn)題及改革探討[J].廣東化工，2015(19):184-186.

[3] 馬向東,吳苗苗.《材料現(xiàn)代分析方法》課程建設(shè)與教學(xué)改革研究[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)導(dǎo)刊，2013(13):68.

[4] 趙鴿,李鵬飛,胡艷華,等.《材料現(xiàn)代分析方法》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究[J].廣東化工，2013(13):165-166.

[5] 李志義,朱泓,劉志軍,等,用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)高等工程教育教學(xué)改革[J].高等工程教育研究,2014(2):29-34.

(責(zé)任編校謝宜辰)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.09.017

20160408

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目(2015GJJG091)；石家莊鐵道大學(xué)教育研究課題(Y201401)

秦國(guó)強(qiáng)(1980-)，男，河北沙河人，副教授，博士，主要從事材料現(xiàn)代分析方法教學(xué)及理論研究。

G642.0

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1674-5884(2016)09-0050-03