面向應(yīng)用的“材料分析測試”課程案例式教學(xué)改革

余金山，劉東青，李良軍，王洪磊，周新貴

(國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

一、引言

2017年7月19日，習(xí)主席在新調(diào)整組建的國防科技大學(xué)成立大會上給學(xué)校的訓(xùn)詞明確了學(xué)校的發(fā)展目標(biāo)是“努力建成世界一流高等教育院校”。按照這個既定的目標(biāo)，國防科技大學(xué)確定了“高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)高地，國防科技自主創(chuàng)新高地”的發(fā)展定位，同時明確了“抓好通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)，加強核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”三項使命任務(wù)[1]。具體到材料學(xué)科，聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才包括新概念武器和實驗評估兩個方向。面對學(xué)校新的使命任務(wù)，如何以能力塑造為核心培養(yǎng)適應(yīng)新時期新形勢的高科技軍事人才，值得每門課程的任課教員深入思考和探討。

材料是人類所有生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。在國防和軍事領(lǐng)域，材料是武器裝備及其性能的必要載體，支撐和引領(lǐng)國防科技與武器裝備的發(fā)展?！耙淮牧?，一代裝備”的提法，顯示了材料科學(xué)對武器裝備發(fā)展的重要支撐和促進(jìn)作用[2-3]。隨著我軍武器裝備由“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展，軍用新材料技術(shù)的瓶頸效應(yīng)也越來越突出。例如，高超聲速飛行器、先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機和燃?xì)廨啓C、新一代戰(zhàn)機、無人作戰(zhàn)系統(tǒng)等國家和軍隊高科技武器裝備和重大型號工程對核心材料與部件提出了更輕、更強、更耐溫、多功能化等更高要求。同時，材料科學(xué)在武器裝備性能評估、失效分析及裝備維修維護(hù)等方面同樣發(fā)揮十分重要的作用。

材料科學(xué)研究的基本內(nèi)容為材料的制備與處理工藝、材料的性能測試和材料微觀結(jié)構(gòu)的分析測試。材料科學(xué)研究的核心任務(wù)，就是研究材料的工藝、性能、結(jié)構(gòu)之間相互關(guān)系。材料微觀結(jié)構(gòu)的分析測試是研究材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌及相應(yīng)的分析表征方法。“材料分析測試”在材料科學(xué)研究中的重要性體現(xiàn)在材料微觀結(jié)構(gòu)對性能影響巨大，相同化學(xué)組成的材料由于制備或處理工藝不同，其性能會天差地別，原因就是不同制備和處理工藝下材料的微觀結(jié)構(gòu)不同[4]。另一方面，材料的失效是武器裝備戰(zhàn)斗力下降甚至喪失的重要原因，材料失效分析對武器裝備性能評估及壽命預(yù)測具有基礎(chǔ)支撐作用。材料失效分析的技術(shù)基礎(chǔ)是材料微觀結(jié)構(gòu)的表征與分析。可見，“材料分析測試”課程的開設(shè)對大力推進(jìn)厚基礎(chǔ)、重實踐，懂材料、會指揮的新型貼近實戰(zhàn)、貼近裝備的材料專業(yè)高科技軍事人才培養(yǎng)具有重要作用。

二、“材料分析測試”課程開設(shè)現(xiàn)狀

“材料分析測試”課程系統(tǒng)講授材料科學(xué)與工程領(lǐng)域常用的材料微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌以及微區(qū)化學(xué)成分等方面的分析測試原理與技術(shù)，是材料科學(xué)與工程本科專業(yè)的一門必修學(xué)科基礎(chǔ)課程。通過本課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)員熟悉與掌握材料科學(xué)各種分析測試方法的基本原理和技術(shù)，了解分析儀器構(gòu)造以及在材料研究中所能解決的實際問題，初步具有材料微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌、微區(qū)化學(xué)成分分析的能力，為今后在先進(jìn)軍用材料的研發(fā)和武器裝備失效分析過程中正確合理選擇與綜合選用恰當(dāng)?shù)姆治鰷y試方法奠定理論與實踐基礎(chǔ)[5-6]。

長期以來，“材料分析測試”課程的學(xué)習(xí)以課堂理論學(xué)習(xí)為主，配合少量實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。對于每一種“材料分析測試”方法，課堂理論學(xué)習(xí)按照分析測試原理、設(shè)備構(gòu)造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問題與討論的流程進(jìn)行講授和學(xué)習(xí)。由于材料專業(yè)本科生開課一般在第5或第6學(xué)期，這一階段材料學(xué)科專業(yè)課剛開始學(xué)習(xí)，學(xué)員按照以上的學(xué)習(xí)流程雖然基本能理解與掌握本課程基本知識，學(xué)會各種分析測試方法基本原理，但對于整個材料學(xué)科知識群的理解不夠透徹，“材料分析測試”方法作為一門材料學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課對學(xué)員學(xué)習(xí)材料科學(xué)基本原理的促進(jìn)作用沒有完全發(fā)揮出來，無法做到融會貫通。同時由于受實驗條件的限制，實踐教學(xué)課時占總教學(xué)課時比重較小，對提高學(xué)員動手能力作用有限。

因此，在新的歷史時期面對新的歷史使命，特別是國防科技大學(xué)材料學(xué)科本科生聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)調(diào)整為新概念武器和實驗評估兩個方向，“材料分析測試”的教學(xué)方法有必要進(jìn)行改革。今年以來，本科生“材料分析測試”課程的改革以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團隊的建設(shè)、問題導(dǎo)向式實踐教學(xué)改革等內(nèi)容，進(jìn)行了全面的教學(xué)改革探索性實施。

三、以面向應(yīng)用的案例式改革為主要方向的課程教學(xué)改革

案例式教學(xué)是近年來快速發(fā)展的一種先進(jìn)教學(xué)方法。案例式教學(xué)通過篩選適當(dāng)?shù)墓こ添椖炕驅(qū)嶒瀸嵗?，然后進(jìn)行加工和制作，提取其中的科學(xué)問題，使之從具體問題抽象成為課程教學(xué)的案例，從案例模型出發(fā)推導(dǎo)出解決問題的辦法。案例式教學(xué)通過將實踐教學(xué)融入課堂教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新思維，提高學(xué)員解決實際工程問題能力，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的完美結(jié)合[7-10]。作為一種新型教學(xué)模式和理念，案例式教學(xué)施教過程中強調(diào)應(yīng)用、注重體驗，對于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力有非常積極的作用?？梢姡咐浇虒W(xué)是一種以培養(yǎng)學(xué)員解決實際問題能力為核心的新型教學(xué)方法，近年來越來越受到學(xué)生和教師的歡迎。

1.面向應(yīng)用的“材料分析測試”教學(xué)案例收集與制作

“材料分析測試”課程是一門實踐性很強的課程，非常適合開展案例式教學(xué)的改革。國防科技大學(xué)自建校開始就建有金相教研室，多年來一直開展材料學(xué)科教學(xué)和科研工作，成果斐然，在以往的研究工作中積累了豐富的“材料分析測試”方面的案例可供教學(xué)使用和參考。

通過廣泛與國防科技大學(xué)材料學(xué)科各位教員和研究生進(jìn)行溝通交流，收集各個課題組與“材料分析測試”緊密相關(guān)的科學(xué)成果和最新研究進(jìn)展，對收集的科研成果和研究進(jìn)展按照應(yīng)用的不同“材料分析測試”方法進(jìn)行分門別類，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提煉和加工，制作教學(xué)案例。案例制作過程中注意區(qū)分不同“材料分析測試”方法的特點、適用范圍和誤差分析等。

下面通過一個實例介紹面向應(yīng)用的教學(xué)案例收集與制作過程。該實例是采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，簡稱SEM)低電壓觀察法觀察非導(dǎo)電樣品表面微觀形貌。SEM是非常重要的“材料分析測試”方法。在材料微觀組織結(jié)構(gòu)形貌觀察、材料表面微區(qū)化學(xué)成分檢測與分析、工程材料的失效分析等方面應(yīng)用廣泛。SEM對樣品的基本要求是導(dǎo)電，如果樣品不導(dǎo)電，則電子束在樣品表面掃描過程中由于電子在樣品中累積從而改變樣品表面電場分布，嚴(yán)重影響SEM的分辨率和襯度，樣品荷電嚴(yán)重時SEM無法正常工作。為了應(yīng)用SEM觀察不導(dǎo)電的樣品，傳統(tǒng)的方法是在樣品表面做噴金處理，使樣品具有導(dǎo)電性，但這種處理會改變樣品表面化學(xué)成分，嚴(yán)重干擾表面微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果。近年來隨著SEM技術(shù)的發(fā)展，通過降低電子束加速電壓，減輕樣品表面荷電程度，可以在不鍍金情況下直接觀察不導(dǎo)電樣品。SEM低電壓觀察是教學(xué)過程中的一個難點，對于初學(xué)者比較難理解，因為以往的教學(xué)中已經(jīng)形成了電子束加速電壓越高，則電子束越容易會聚成小尺寸，從而分辨率越高的印象。而將電子束加速電壓降低，觀察不導(dǎo)電樣品形貌細(xì)節(jié)會更清楚，這種現(xiàn)象與以往學(xué)習(xí)的原理相悖。

本案例的選取源自一位研究生學(xué)員的薄膜樣品。該樣品由于厚度太薄沒有連續(xù)成膜所以導(dǎo)致導(dǎo)電性很差，直接SEM觀察無法看到表面微觀形貌細(xì)節(jié)，而鍍金處理會嚴(yán)重影響表面微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果。通過文獻(xiàn)調(diào)研以及與電鏡銷售公司技術(shù)人員探討確定了低電壓觀察方案，將電子束加速電壓從15KV降到0.8KV，成功觀察到了樣品表面非常微觀的形貌細(xì)節(jié)。將該樣品所有實驗細(xì)節(jié)和表面觀察結(jié)果進(jìn)行整理，制作成一個完美的SEM低電壓觀察案例，供課堂講授使用。同時，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗方案設(shè)計中預(yù)先準(zhǔn)備鍍金和未鍍金的兩種不導(dǎo)電樣品，讓學(xué)員同時做表面形貌觀察和成分分析，找出存在的問題，討論解決的方法。然后演示低電壓觀察的結(jié)果，講解低電壓觀察的原理和優(yōu)缺點。通過這樣的學(xué)習(xí)過程，學(xué)員能完全理解SEM低電壓觀察的原理和必要性。同時，由于該案例來源于真實的材料研究過程中的實例，讓尚未參與材料研究過程的學(xué)員直接面向低電壓觀察的應(yīng)用實例，有助于學(xué)員加強理論與實際的結(jié)合，促進(jìn)學(xué)員對材料科學(xué)基本原理的理解。

2.面向應(yīng)用的案例式教學(xué)探索性教學(xué)實施

課堂案例式教學(xué)實施過程中，打破原來按照分析測試方法原理、設(shè)備構(gòu)造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問題與討論進(jìn)行講授和學(xué)習(xí)的固定流程，而以案例中材料研制過程中對分析測試的需求和應(yīng)用為牽引提出問題，圍繞這些問題設(shè)置討論內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)員思考和提出問題，探討解決問題的途徑和方法。通過這些案例和討論內(nèi)容激發(fā)學(xué)員興趣，鼓勵學(xué)員提出解決問題的方案。在這個過程引出新的“材料分析測試”方法，講解該方法原理，學(xué)習(xí)樣品制備和數(shù)據(jù)處理方法，最后通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)員親自動手參與到實驗過程來，完成整個教學(xué)過程。

下面以X射線衍射進(jìn)行材料物相分析的教學(xué)為例說明面向應(yīng)用的“材料分析測試”案例式教學(xué)實施過程。X射線衍射方法是標(biāo)定物質(zhì)構(gòu)成和分析晶體結(jié)構(gòu)的重要方法，是“材料分析測試”課程的重點和難點。以往的學(xué)習(xí)通常按照晶體倒易點陣的概念、晶體X射線衍射的基本原理、X射線粉末衍射實驗技術(shù)，X射線衍射物相定性和定量分析方法、晶體點陣類型確定的順序來講授和學(xué)習(xí)。這種講授和學(xué)習(xí)流程的缺點是晶體倒易點陣的數(shù)學(xué)概念、晶體衍射的物理原理等比較復(fù)雜和抽象，對初學(xué)者很難理解。將這些內(nèi)容放在最前面講，需要學(xué)員花費大量時間去學(xué)習(xí)和鉆研，后果是造成學(xué)員對X射線衍射實驗技術(shù)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)興趣降低，影響了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

在面向應(yīng)用的“材料分析測試”課程案例式教學(xué)實施過程中，首先通過設(shè)計提問式調(diào)查：材料晶體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系？詢問學(xué)員在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中所學(xué)過的鐵碳相圖中的物相及其晶體結(jié)構(gòu)。然后提出思考題：這些物相的晶體結(jié)構(gòu)是怎么確定的呢？以此作為課后自學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)員通過自學(xué)，然后用一段簡單描述性的語言說明X射線衍射標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的基本方法，但不要求說明原理和技術(shù)的各種細(xì)節(jié)。通過這種以標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)為牽引的自學(xué)，可以讓學(xué)員直接面向 X射線衍射的應(yīng)用領(lǐng)域，熟悉X射線衍射分析這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的大致輪廓，激發(fā)學(xué)員產(chǎn)生對X射線晶體學(xué)、晶體倒易點陣的數(shù)學(xué)概念的好奇心，增強他們學(xué)習(xí)的興趣。最后通過詳細(xì)的課堂學(xué)習(xí)和實驗室實際操作，使學(xué)員完全掌握X射線衍射方法標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的原理和方法。

3.面向應(yīng)用的案例式教學(xué)效果

2019年是國防科技大學(xué)本科教育質(zhì)量年，本科生培養(yǎng)方案修訂及教學(xué)改革是本科教育質(zhì)量年重要內(nèi)容。按照新形勢下國防科技大學(xué)新的使命任務(wù)，以能力塑造為核心的人才培養(yǎng)導(dǎo)向正在形成。本科生“材料分析測試”課程的教學(xué)改革以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團隊的建設(shè)、問題導(dǎo)向式實踐教學(xué)改革等內(nèi)容，進(jìn)行了全面的教學(xué)改革探索性實施。從教學(xué)改革實施效果來看，面向應(yīng)用的案例式教學(xué)極大調(diào)動了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動性。由于學(xué)習(xí)每種“材料分析測試”方法都以實際材料研究過程中的案例引入，讓學(xué)員直接面對以后研究工作中的實際問題，增加了學(xué)員學(xué)習(xí)理論知識的緊迫感。通過自學(xué)和文獻(xiàn)閱讀，讓學(xué)員大致了解該實際問題產(chǎn)生的背景及可能的解決方法。課堂學(xué)習(xí)過程中學(xué)員注意力集中度、學(xué)習(xí)參與度與活躍度相對前幾年有明顯提高。

教學(xué)效果的提升也定量的表現(xiàn)在課程考核成績上。比較2018級和2019級學(xué)員課程考核成績，在由同一人出題、題量相同、難度基本接近的情況下，考核平均成績由2018年度的78.7分提高到2019年度的80.2，提升幅度1.9%。尤其工程技術(shù)類學(xué)員課程考核成績由2018年度的77分提高到2019年度的84.9，提升幅度10.2%；優(yōu)秀率由2018年的6.7%大幅提升到2019年的42.9%，提升顯著?？梢姲咐浇虒W(xué)有效激發(fā)了工程技術(shù)類學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)的積極性；同時增進(jìn)了學(xué)員之間互相討論和交流的積極性，使得整體優(yōu)秀率得到了大幅提升。

四、結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)以來到現(xiàn)在，獲得諾貝爾獎的科研成果中，有一半以上與科學(xué)儀器和實驗技術(shù)、實驗方法的創(chuàng)新有關(guān)，或者直接應(yīng)用了最新的科學(xué)儀器和實驗技術(shù)?！安牧戏治鰷y試”技術(shù)的發(fā)展對整個材料科學(xué)的推動作用是毋庸置疑的。在軍事和國防領(lǐng)域，“材料分析測試”技術(shù)對武器裝備核心材料研發(fā)、裝備失效分析等方面具有無可替代的作用。按照通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才的培養(yǎng)目標(biāo)，作為軍校材料工程專業(yè)本科學(xué)員，掌握通用的“材料分析測試”技術(shù)是成為新時期合格高科技軍事人才所必需的。通過以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團隊的建設(shè)、問題導(dǎo)向式實踐教學(xué)改革等，有望進(jìn)一步提高“材料分析測試”課程教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)員對材料學(xué)科基本原理的理解，增強學(xué)員動手能力，為學(xué)員創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高發(fā)揮重要作用。