基于工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的《材料結(jié)構(gòu)表征》課程教學(xué)改革探索

任 瑛，馬秋花，王仁杰，陳倩倩，程巧換，韓 平，左宏森

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

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)在2018年通過(guò)中國(guó)工程教育認(rèn)證，有效期6年。本學(xué)院所開(kāi)設(shè)的“材料結(jié)構(gòu)表征”，是一門必修課，屬于專業(yè)基礎(chǔ)類課程。本課程具有理論知識(shí)多、課程內(nèi)容多、概念術(shù)語(yǔ)多以及相關(guān)交叉學(xué)科較多的特點(diǎn)，需要學(xué)生先修數(shù)學(xué)、物理、材料等相關(guān)基礎(chǔ)課程。

然而，隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型材料以及復(fù)合材料，那么材料組織與結(jié)構(gòu)的分析在研究材料科學(xué)中的地位越來(lái)越重要。而以教為主體的傳統(tǒng)教學(xué)模式已不再適合本課程，不能滿足工程認(rèn)證的要求?；诠こ探逃J(rèn)證OBE理念，即以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)，圍繞《材料結(jié)構(gòu)表征》這門課程對(duì)畢業(yè)要求及其指標(biāo)點(diǎn)的支撐，對(duì)本課程教學(xué)進(jìn)行改革。

1 探索新教學(xué)方法

本課程新的教學(xué)模式主要圍繞課下學(xué)習(xí)和課上學(xué)習(xí)兩大模塊進(jìn)行，采用“課前預(yù)習(xí)-預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)-課堂討論-課堂講授-課堂勘誤-效果反饋”的“六步”教學(xué)法，以“學(xué)”為中心，緊扣培養(yǎng)目標(biāo)，突出以“實(shí)用-理論-實(shí)用”的原則實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)?，F(xiàn)以掃描電子顯微鏡(SEM)的原理及應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 課前預(yù)習(xí)

針對(duì)本章節(jié)內(nèi)容，提前下發(fā)任務(wù)書，明確課前要求。任務(wù)書中詳細(xì)記錄課程內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)、知識(shí)點(diǎn)以及重難點(diǎn)，以及需要提前溫習(xí)的內(nèi)容和在規(guī)定時(shí)間內(nèi)所要完成的內(nèi)容。所涉及的基本知識(shí)點(diǎn)有SEM的構(gòu)造，襯度的分類以及二次電子的定義，重點(diǎn)是SEM的應(yīng)用，難點(diǎn)是SEM的工作原理。

為了提高學(xué)生興趣，可以要求學(xué)生完成思維導(dǎo)圖，根據(jù)思維導(dǎo)圖進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。學(xué)生可以通過(guò)查找網(wǎng)上資源，包括視頻、文獻(xiàn)等多種形式，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。同時(shí)，布置思考題，如SEM在分析泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)原因中的應(yīng)用，以及新冠病毒中病毒的照片如何獲得？將教師的教學(xué)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為學(xué)生自動(dòng)求知，自主選擇，自我深化的過(guò)程。

1.2 預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)

提前建立題庫(kù)，以考試或提問(wèn)的形式，測(cè)驗(yàn)學(xué)生對(duì)掃描電子顯微鏡構(gòu)造、襯度以及二次電子等知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。為了增加學(xué)生的參與度，也可以以視頻的形式，通過(guò)觀看視頻(掃描電子顯微鏡的拆分及組裝，二次電子產(chǎn)生的動(dòng)畫)，教師或?qū)W生自行提出問(wèn)題，其他同學(xué)回答或搶答。根據(jù)學(xué)生測(cè)驗(yàn)反饋充分了解學(xué)生對(duì)本節(jié)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

1.3 課堂討論

針對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生就預(yù)習(xí)中產(chǎn)生的疑問(wèn)進(jìn)行自由發(fā)言，充分討論或辯論。不同學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況不一樣，思維方式以及理解能力也不同。充分了解學(xué)生對(duì)本次課程內(nèi)容的理解誤區(qū)和知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。教師要實(shí)時(shí)地引導(dǎo)，也要記錄學(xué)生的問(wèn)題，尤其是共性問(wèn)題。

1.4 課堂講授

在課堂討論的基礎(chǔ)上，明確重點(diǎn)講解的知識(shí)點(diǎn)：基本知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)以及難點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際案例分析，充分闡述本節(jié)知識(shí)的應(yīng)用前景，使學(xué)生對(duì)于本節(jié)知識(shí)點(diǎn)的重要性有清醒的認(rèn)識(shí)。結(jié)合思考題，引入泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)的“元兇”鉚釘斷面顯微鏡照片，新冠病毒的照片，再結(jié)合動(dòng)畫演示，講解襯度的知識(shí)以及SEM工作原理。同時(shí)，將科研成果引入課堂，如多晶金剛石薄膜的表面形貌圖，講解二次電子成像機(jī)理，實(shí)現(xiàn)科教融合，從應(yīng)用的角度出發(fā)，講解理論的知識(shí)，然后再回歸應(yīng)用。

1.5 課堂勘誤

將預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)結(jié)果和課堂講授進(jìn)行有效結(jié)合，對(duì)學(xué)生在預(yù)習(xí)中存在的共性問(wèn)題進(jìn)行著重分析，對(duì)學(xué)生在預(yù)習(xí)中存在的個(gè)性問(wèn)題進(jìn)行有效糾正，最終達(dá)成共識(shí)。

1.6 效果反饋

考核形式多樣化，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，包括線上視頻以及云課堂等，課堂活動(dòng)(問(wèn)卷、提問(wèn)、搶答和討論等)、課程視頻的觀看，任務(wù)點(diǎn)完成以及章節(jié)測(cè)驗(yàn)和考試等等。

總之，課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)變，先從案例出發(fā)引出理論知識(shí)，改變傳統(tǒng)的理論知識(shí)先入為主的教學(xué)；教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，課堂教學(xué)方法從傳統(tǒng)的灌輸式、填鴨式，轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式、探究式、討論式和案例式；教學(xué)主體的轉(zhuǎn)變，課堂教學(xué)主體從傳統(tǒng)的教師主體，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體。

2 提高實(shí)踐教學(xué)

材料結(jié)構(gòu)表征這門課程，作為一門分析測(cè)試課程，不僅僅需要扎實(shí)的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，還需要過(guò)硬的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練。培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)本專業(yè)研發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，選擇合適的分析方法與現(xiàn)代工程工具，包括對(duì)本專業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬，并能夠理解其局限性。因此，實(shí)踐教學(xué)是必不可少的本課程共有5個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，共10個(gè)學(xué)時(shí)，涵蓋了本課程所涉及到的大部分檢測(cè)設(shè)備。

目前，我院擁有2臺(tái)不同型號(hào)的X射線衍射儀(1臺(tái)為進(jìn)口設(shè)備，1臺(tái)為國(guó)產(chǎn)設(shè)備)，2臺(tái)進(jìn)口掃描電子顯微鏡，1臺(tái)熒光X射線成分分析儀，1臺(tái)進(jìn)口拉曼光譜儀以及2臺(tái)紅外光譜儀等等，為此課程實(shí)踐教學(xué)順利進(jìn)行提供了很好的平臺(tái)。

實(shí)踐教學(xué)主要由相應(yīng)實(shí)驗(yàn)老師負(fù)責(zé)，根據(jù)理論課程的進(jìn)度，安排實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)老師會(huì)再次對(duì)儀器設(shè)備構(gòu)造、原理以及操作步驟進(jìn)行講解，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。然后，老師親自動(dòng)手制備樣品，操作儀器進(jìn)行樣品檢測(cè)，所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由學(xué)生自行分析。最后，學(xué)生以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式上交，其中報(bào)告數(shù)據(jù)處理和分析。

然而，設(shè)備有限且昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生親自操作。為此，我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入“云實(shí)驗(yàn)”，可以解決此問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)云平臺(tái)操作，可隨時(shí)隨地反復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3 加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

該課程最初只有1位教師授課，到目前已增加到由副教授、講師以及高級(jí)實(shí)驗(yàn)師等7位教師組成的高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)，形成一課程組。本課程7位教師涉及不同領(lǐng)域：高分子、無(wú)機(jī)、超硬材料以及復(fù)合材料，具有博士學(xué)歷者高達(dá)85%以上；知識(shí)結(jié)構(gòu)和年齡結(jié)構(gòu)合理，既有經(jīng)驗(yàn)豐富的老教師，也有年富力強(qiáng)的中青年教師骨干。整個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷地學(xué)習(xí)，在教學(xué)方面，每年都會(huì)參加相應(yīng)的教改會(huì)議，并積極申報(bào)教改項(xiàng)目。同時(shí)，作為兼顧理論重應(yīng)用的分析測(cè)試課程，需要時(shí)刻關(guān)注前沿的內(nèi)容以及檢測(cè)手段的更新。主講教師以及實(shí)驗(yàn)老師積極參與及主持省級(jí)教學(xué)教改項(xiàng)目，主持省級(jí)科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目以及參與國(guó)家青年基金項(xiàng)目等，發(fā)表教改論文以及高水平學(xué)術(shù)論文70多篇。

4 建設(shè)具有特色的教學(xué)內(nèi)容

材料結(jié)構(gòu)表征講授材料現(xiàn)代分析測(cè)試方法的基本原理、試驗(yàn)方法、儀器設(shè)備及其應(yīng)用。內(nèi)容包括：X射線衍射分析原理、X射線多晶衍射方法及應(yīng)用、透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析與電子探針、光電子能譜與俄歇電子能譜、掃描探針顯微鏡及掃描隧道顯微鏡、紅外光譜與拉曼光譜?；贠BE工程教育認(rèn)證理念，計(jì)劃重新修訂教學(xué)大綱，增加學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)匹配，突出應(yīng)用。以物理信號(hào)為基礎(chǔ)將教學(xué)內(nèi)容分為三大模塊：X射線，電子和光，涵蓋了原本10章的內(nèi)容。每一大模塊以原理、設(shè)備和應(yīng)用分成三小模塊。其中X射線衍射分析技術(shù)和電子顯微鏡分析技術(shù)作為主要教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)踐課教學(xué)主要包括5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)和材料定性相分析；掃描電鏡的結(jié)構(gòu)及典型試樣形貌觀察；紅外光譜法測(cè)定物質(zhì)的基團(tuán)結(jié)構(gòu)；熒光X射線成分分析以及拉曼光譜法測(cè)定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)以及購(gòu)置大型實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，提高實(shí)踐的教學(xué)質(zhì)量。所設(shè)置的5個(gè)實(shí)驗(yàn)均配有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，其中4個(gè)實(shí)驗(yàn)已建立虛擬仿真平臺(tái)。其任務(wù)是通過(guò)對(duì)材料測(cè)試與研究方法常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法和主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握材料測(cè)試與研究方法的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和方法，掌握材料測(cè)試與研究方法基本實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的調(diào)試和使用方法，掌握常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法的基本原理、實(shí)驗(yàn)步驟和操作要點(diǎn)，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫的方法和手段，培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)新能力以及運(yùn)用基本理論和方法綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

5 完善學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)機(jī)制

對(duì)此課程的評(píng)價(jià)，學(xué)生給予了肯定?？己诵问蕉鄻踊?，包括課堂活動(dòng)(問(wèn)卷、提問(wèn)、討論等)、學(xué)生表現(xiàn)積極，討論激烈。課程作業(yè)平均分為89，平時(shí)章節(jié)考試均分為77分。截止目前，學(xué)生綜合成績(jī)達(dá)成度為87.7%，按照本專業(yè)達(dá)成度要求為≥65%為達(dá)標(biāo)。并且，相比上一期學(xué)生成績(jī)，經(jīng)過(guò)改革后本課程成績(jī)有所提高。

以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向，通過(guò)足夠的師資隊(duì)伍和完備的支持條件保證此課程教學(xué)的有效實(shí)施，并通過(guò)完善的內(nèi)、外部質(zhì)量控制機(jī)制進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，最終保證學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量滿足要求。旨在將這門課程建設(shè)成為河南省一流課程，最終成為國(guó)家精品課程。