基于提高解決復(fù)雜工程問題能力的近代測試與表征技術(shù)教學(xué)改革與實(shí)踐

林浩偉，李金玲，程巧換，苗蔚，程文喜，彭 進(jìn)，徐三魁

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

2016年6月，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，這是我國高等教育發(fā)展歷程中具有里程碑意義的歷史性突破。以此為突破口，國家對(duì)本科專業(yè)全面開展工程教育認(rèn)證，旨在強(qiáng)化內(nèi)涵發(fā)展提高高等教育質(zhì)量，核心在于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[1]。河南工業(yè)大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)于2018年6月通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，在此基礎(chǔ)上，為深入貫徹教育部2019年發(fā)布的《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》精神，本專業(yè)以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為著眼點(diǎn)，進(jìn)行“以學(xué)為中心”的本科教學(xué)改革，探索務(wù)實(shí)、高效的教學(xué)方法變革，以期達(dá)到學(xué)生“愿意學(xué)、導(dǎo)向?qū)W、靈活用”的效果，從而切實(shí)提高本科教育效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

《近代測試與表征技術(shù)》作為我校高分子材料與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程，在教學(xué)大綱中的預(yù)期學(xué)習(xí)成果方面明確提出：根據(jù)測試方法的功能和局限性，能夠選擇合適的近代測試與表征技術(shù)，具備實(shí)際解譜能力，來分析高分子材料領(lǐng)域的工程案例問題；綜合材料結(jié)構(gòu)、測試原理及技術(shù)、譜圖分析、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為日后畢業(yè)設(shè)計(jì)課題和工作中的材料結(jié)構(gòu)表征、成分和表面分析打下良好的理論基礎(chǔ)[2]。因此，在教學(xué)工作中不僅要讓學(xué)生理解多種測試方法的基本原理，掌握重要的測試技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，還要在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過對(duì)比分析準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)不同測試方法的功能和局限性，從而使學(xué)生在面對(duì)科研和生產(chǎn)中的復(fù)雜工程問題時(shí)，能夠準(zhǔn)確找到合適的測試表征手段而順利開展工作。而該課程培養(yǎng)的解決復(fù)雜工程問題能力將在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)以及畢業(yè)后的研究生課題工作、生產(chǎn)實(shí)踐等環(huán)節(jié)中有直接的體現(xiàn)，所以學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度對(duì)其進(jìn)一步的學(xué)習(xí)深造和實(shí)踐工作有重要的影響。

近代測試與表征技術(shù)是一門綜合了高分子物理 、高分子化學(xué) 、高分子成型加工等基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用課程。它不僅講述了多種近代測試技術(shù)的基本原理, 更重要的是傳授如何運(yùn)用這些技術(shù)手段對(duì)高分子材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能的分析研究。因此，它是一門要求綜合運(yùn)用高分子材料學(xué)科的各種知識(shí)、并要求進(jìn)行實(shí)際操作的、具有較強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)踐特征的課程。在多年的近代測試與表征技術(shù)課堂教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生能夠掌握測試表征方法的基本原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也能夠論述出其主要的應(yīng)用，但在面對(duì)測試表征案例時(shí)，仍有不少學(xué)生難以準(zhǔn)確、全面地找到合適的測試表征方法進(jìn)行系統(tǒng)有效地分析，即“學(xué)以致用”的效果仍有待進(jìn)一步提高，而這恰恰反映出了提高解決復(fù)發(fā)工程問題的能力是我們教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)。

著眼于提高解決復(fù)發(fā)工程問題的能力，提高教學(xué)效果，進(jìn)一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中不斷思考總結(jié)，多方面探索如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣度、參與度及應(yīng)用靈活度。我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1 及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，緊密聯(lián)系科研熱點(diǎn)

近代測試與表征技術(shù)是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，是我國高等院校為高分子材料與工程專業(yè)的本科生普遍開設(shè)的一門專業(yè)必修課。近代測試是一門綜合性技術(shù), 目前國內(nèi)教材主要介紹儀器原理及應(yīng)用，包括高分子材料分析中常用的波譜分析(包括紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜)、熱分析(包括差熱分析法、差示掃描量熱法和熱重分析法)、凝膠滲透色譜法、電子顯微鏡(包括掃描電鏡、透射電鏡)等測試表征手段，在教學(xué)中選用的規(guī)劃教材的出版時(shí)間一般在幾年前甚至在十幾年前，內(nèi)容基本圍繞傳統(tǒng)材料的測試表征展開闡述。然而隨著科技的快速發(fā)展和進(jìn)步,測試表征技術(shù)的新應(yīng)用、新材料的測試表征技術(shù)等成為材料領(lǐng)域發(fā)展的重要支撐點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)，其更多地體現(xiàn)在一些科研熱點(diǎn)領(lǐng)域，而這些內(nèi)容更容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。所以我們緊密聯(lián)系科研熱點(diǎn)，根據(jù)本學(xué)科的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)適時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。例如，在第一章緒論部分，在介紹高分子材料的結(jié)構(gòu)特征及測試表征技術(shù)發(fā)展時(shí)，引入一些高分子材料的重要研究進(jìn)展及其對(duì)人們生產(chǎn)生活帶來的顯著改善(如導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及其在顯示系統(tǒng)、太陽能電池、光電探測器、光電催化、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用)，從而在課程講授伊始，一方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)結(jié)合具體案例讓學(xué)生更容易理解掌握課程的學(xué)習(xí)目的和人才培養(yǎng)目標(biāo)；在每個(gè)章節(jié)介紹具體的測試表征方法時(shí)，該方法的應(yīng)用是難點(diǎn)，針對(duì)這個(gè)問題我們結(jié)合科研領(lǐng)域熱點(diǎn)材料的測試表征案例進(jìn)行講授(如在講授電子顯微鏡內(nèi)容時(shí)，結(jié)合石墨烯的結(jié)構(gòu)特征及如何進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征展開，更容易使學(xué)生明白電子顯微鏡與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡在儀器結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用等方面的區(qū)別及局限性)；在課程講授最后的歸納總結(jié)階段，如何提高學(xué)生對(duì)多種測試表征方法的綜合應(yīng)用能力是課程能力培養(yǎng)目標(biāo)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在多數(shù)教材中沒有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容，我們選取一些高質(zhì)量學(xué)術(shù)期刊中的熱點(diǎn)材料表征案例進(jìn)行介紹，使學(xué)生更形象地體會(huì)面對(duì)測試表征案例時(shí)如何準(zhǔn)確地選擇合適的測試表征手段多角度地、相輔相成地開展測試表征[4]。通過這些教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化舉措的實(shí)施，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的理解，更重要的是有助于幫助學(xué)生構(gòu)建解決復(fù)雜工程問題的思維方式和有效途徑。

2 以“學(xué)”為中心，探索課堂教學(xué)新模式

在以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式下，灌輸式的課堂教學(xué)往往使學(xué)生感到枯燥壓抑，當(dāng)前我們的教學(xué)模式正在探索視角的大轉(zhuǎn)換，從以教師為中心的教學(xué)轉(zhuǎn)換到以學(xué)生為中心的教學(xué)，希望達(dá)到教師善教樂教、學(xué)生會(huì)學(xué)樂學(xué)的良好效果。在以“學(xué)”為中心的課堂教學(xué)新模式中，教師的工作不再是單一的講授，而是通過合理規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)中來，更加自由、主動(dòng)、有效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)[5]，我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了探索：

(1)設(shè)置課前微視頻學(xué)習(xí)和測試，了解學(xué)生的理解掌握情況。教師根據(jù)每次課講授內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，將其分割并錄制成3-5個(gè)微視頻，每個(gè)視頻時(shí)長不超過10分鐘，然后要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在課程學(xué)習(xí)平臺(tái)上瀏覽微視頻、完成測試題目。通過這樣的課前預(yù)習(xí)，學(xué)生不再是漫無目的地瀏覽教材，而能夠更加明確課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)；課前測試可以反應(yīng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知、分析的難易程度，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解情況合理安排課堂的講授內(nèi)容，針對(duì)學(xué)生難以理解的知識(shí)點(diǎn)有側(cè)重地展開講解，從而有效提高課堂講授效果。

(2)注重課堂討論，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考。近代測試與表征技術(shù)課程開設(shè)在第六學(xué)期，在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了高分子物理、高分子化學(xué)等專業(yè)核心課程，對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)特征有一定的了解，在此基礎(chǔ)上，可通過課堂討論引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，主動(dòng)分析測試表征技術(shù)的工作原理。例如，在學(xué)習(xí)凝膠滲透色譜法(簡稱GPC)時(shí)，我們首先讓學(xué)生思考聚合物與小分子物質(zhì)的分子量區(qū)別，從而使其考慮針對(duì)聚合物分子量有一定分布寬度的特征，在利用GPC法進(jìn)行分子量及其分布測定時(shí)，需要利用色譜柱把聚合物樣品中的不同級(jí)分進(jìn)行分離。但分離后儀器并不能直接得到樣品的分子量及其分布數(shù)據(jù)，在此需引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使其意識(shí)到需要建立分子量校正曲線。而建立分子量校正曲線過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下，難以找到與樣品結(jié)構(gòu)一致的標(biāo)樣，針對(duì)這個(gè)問題展開討論，學(xué)生會(huì)意識(shí)到根據(jù)流體力學(xué)體積建立普適性的分子量校正曲線。GPC法是一種比較抽象、較難理解的測試方法，通過這樣的方式，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)主動(dòng)思考、分析測試表征技術(shù)的工作原理，能夠有效加深對(duì)理論知識(shí)的掌握。

(3)開展專題講述，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在以往的傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生對(duì)測試表征技術(shù)的靈活運(yùn)用能力較差，這是影響學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力提升的重要方面。針對(duì)這個(gè)頑疾，我們結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，有針對(duì)性地提出研討主題(如PA66/納米SiO2復(fù)合材料中SiO2的含量及分散情況的表征、聚苯胺/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米微球的結(jié)構(gòu)及成分表征等)，讓學(xué)生以5人/組進(jìn)行分組，每組根據(jù)主題在課外利用數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)文獻(xiàn)，討論如何完成主題中的表征任務(wù)，然后在課堂上圍繞主題分組進(jìn)行講述，其他同學(xué)可以提問并進(jìn)行打分。通過這樣的專題講述，一方面增加了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的參與度，使其從原來的“聽講者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸v解者”，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有效地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；另一方面每組同學(xué)需要綜合考慮多種測試表征技術(shù)的功能和局限性，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的方法實(shí)現(xiàn)表征目的，并能夠批判性地評(píng)價(jià)其他組的表征方案，在此過程中加深了學(xué)生對(duì)測試表征技術(shù)的原理及應(yīng)用的理解和掌握，有效地提高了學(xué)生對(duì)多種測試表征技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。

3 充分利用多媒體技術(shù)和現(xiàn)代化教學(xué)資源

不同于高分子物理、高分子化學(xué)等理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程，近代測試與表征技術(shù)的課程內(nèi)容主要包括測試原理、測試技術(shù)及應(yīng)用，和實(shí)踐結(jié)合比緊密，為了讓學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容，在教學(xué)過程中需要形象地展示儀器結(jié)構(gòu)、儀器工作原理、測試流程等方面內(nèi)容，若利用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方式很難達(dá)到理想的效果。因此，在近代測試與表征技術(shù)的教學(xué)過程中，合理地使用動(dòng)畫及視頻資源形象、動(dòng)態(tài)地展示儀器的測試原理和流程，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在線學(xué)習(xí)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)課程(如中國大學(xué)慕課國家精品課程)，有利于學(xué)生理解教材上那些晦澀難懂的文字、圖片的內(nèi)涵，加深學(xué)生對(duì)測試表征技術(shù)理論知識(shí)的掌握，為提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

信息技術(shù)與課堂教學(xué)的有機(jī)融合也有效提升了教學(xué)效果。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)(如學(xué)習(xí)通)，教師在開課之前在平臺(tái)中把每節(jié)課的主要內(nèi)容分解成幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，然后圍繞重點(diǎn)、難點(diǎn)把知識(shí)點(diǎn)錄制成視頻，另外針對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)組織一些練習(xí)題，把瀏覽視頻和完成練習(xí)題設(shè)置為任務(wù)點(diǎn)，在開課前三天左右通知學(xué)生完成任務(wù)點(diǎn)，這樣學(xué)生在課前可以自行安排時(shí)間對(duì)每節(jié)課的重難點(diǎn)展開學(xué)習(xí)和練習(xí)，教師能夠根據(jù)平臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的習(xí)題完成情況了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度；課堂教學(xué)過程中，一方面教師根據(jù)學(xué)生的理解程度有側(cè)重地安排教學(xué)內(nèi)容，另一方面利用平臺(tái)開展課堂討論，平臺(tái)可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的參與情況和反饋質(zhì)量，有效提高了課堂時(shí)間的利用率和學(xué)生的參與度；課后布置一些測試表征的主題任務(wù)，利用平臺(tái)開展教師評(píng)閱和學(xué)生互評(píng)，在學(xué)生利用多種測試表征技術(shù)綜合分析解決問題方面，切實(shí)提高了學(xué)生的參與熱情和完成質(zhì)量。

4 理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升課堂教學(xué)效果

在以往的近代測試與表征技術(shù)課程設(shè)置中，將近代測試與表征技術(shù)作為理論性課程，幾乎沒有配套實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，而現(xiàn)實(shí)情況是學(xué)生在上課前很少接觸這些測試表征方法，這樣就造成課程講授結(jié)束后，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容仍感覺比較抽象，明顯影響了學(xué)生靈活運(yùn)用這些測試表征技術(shù)能力的提升。針對(duì)這個(gè)問題，我們?cè)谡n程設(shè)置中將三分之一的課時(shí)安排為實(shí)驗(yàn)課，并且和理論課穿插進(jìn)行講授。一些常規(guī)的測試儀器，讓學(xué)生親自動(dòng)手完成樣品的制備、測試和結(jié)果分析；對(duì)于一些大型精密測試儀器，讓學(xué)生現(xiàn)場觀摩測試流程的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)。通過理論講授與實(shí)踐訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合，一方面加深了學(xué)生對(duì)測試表征原理的理解和重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握，另一方面強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)測試技術(shù)在材料表征中應(yīng)用的感觀認(rèn)識(shí)，從而有效的提升課堂教學(xué)效果。

5 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求以及近代測試與表征技術(shù)的課程特點(diǎn)，本著以學(xué)生為中心的理念，為了切實(shí)提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，本文從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、探索課堂教學(xué)新模式、充分利用多媒體技術(shù)和現(xiàn)代化教學(xué)資源、理論與實(shí)踐相結(jié)合等幾個(gè)方面入手進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，這些改革舉措有效地促進(jìn)了學(xué)生從“被動(dòng)學(xué)、盲目學(xué)、機(jī)械用”到“愿意學(xué)、導(dǎo)向?qū)W、靈活用”的學(xué)情改善，同時(shí)也促進(jìn)教師進(jìn)一步轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，從而切實(shí)提升教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。