本科教學中的科研融合實踐教學初探

熊焰　陳艷林　嚴明

[摘 要]現代測試技術由于其課程內容抽象的語言形式與復雜的物理學基礎使學生對其敬而遠之，教學效果不理想。要改變這種狀況，首先需要激發學生的學習興趣。我國的高等教育正在全面推進素質教育，努力培養具有創新精神與實踐能力的大學生。當代大學生個性鮮明，對新鮮事物的好奇心、求知欲更加強烈，他們對傳統單一的大學授課模式早已感覺“索然無味”，他們渴求的是“無圖無真相”、“我也要試試”這樣更為熱情的學習模式。把科研融入教學中是一種有效的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學、科研與社會服務三大社會職責的有益探索。

[關鍵詞]現代測試技術；教學探索；科研融合

[中圖分類號] G640 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）03-0058-02

一、前言

隨著試聽新媒體的迅速發展，當代大學生的信息接收方式也從傳統的章節性文字越來越多地轉移到圖片、動畫、短片等新興載體。在傳統大學的教育課本、課堂中，大段單純性的文字描述輔以簡單示意性的圖片這種受教模式早已無法激發學生學習的興趣與熱情。

現代測試技術不僅是材料學科本科教學中的核心必修課程，更是材料學科各種科研高頻使用設備的入門引導。但是，現代測試技術相關課程教材的更新嚴重滯后，教材的編排模式中仍然存在大量抽象的文字表述，其中相關儀器設備的物理學基礎更是設計大量的理論公式推導，這些內容會對學生的學習熱情會造成不小的沖擊。此外，現代測試技術相關課程也受到教學條件的限制。課程主要是對于一些先進測試儀器，如X射線衍射儀（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）等大型常用科研設備的教授。雖然教學框架中安排了實驗課程部分，但是由于設備昂貴，參與的本科生人數眾多，對這些設備僅僅側重于外觀與結構的簡要介紹，學生的學習效果并不理想。此外，對于課程學習的考試考查題目設計也相對單一，偏重于理論的死記硬背，或是復雜公式的推導。學生學習的目的往往是單一的應付考試檢查。筆者在一些舊書店中往往能夠找到幾乎全新的教材，這也從側面反映出學生對課程的漠視。作為材料學科的核心專業基礎課程，現有的教學方法與模式值得廣大從教工作者反思。

二、案例設計與分析

1969年美國麻省理工學院通過設立“The Undergraduate Research Opportunity Program”（UROP）計劃，鼓勵本科生通過參與教師的科研項目培養其實踐能力與創新精神。《國家中長期科學和技術發展綱要2006-2020》也明確提出鼓勵大學生參與科研工作，在實際中培養當代大學生的探索興趣、科學精神和創新精神。當代大學生對新鮮事物的嘗試興趣與接受能力正在不斷提升，對教師的相關的科研工作充滿了好奇與學習沖動。例如，我校每學期開展的“本科生走進實驗室”的相關活動都有吸引了大量的本科生參與其中。現代測試技術所講授的內容正是材料學科科研高頻使用設備。并且，現代測試技術課程開設一般在大學三年級，其最終目的也是為了讓學生能夠在日后的工作與繼續學習中使用相關設備，解決實際問題。如果能夠將復雜、抽象的理論教學融入趣味性更強的科研實踐，將會大大提高課程的教學質量。于是筆者結合自身科研工作，通過對設置同一具體命題，兩種不同教學模式進行了實際教學初探。

命題詳述如下。

兩種教學方法分別是：1.采取單純課堂理論授課，講述阿基米德定律與掃描電子顯微鏡相關知識，然后采用相關ZrO2-30wt%Al2O3復合材料樣品進行掃描電鏡觀察實驗，課程結束后進行考試；2.相同內容純課堂授課后，馬上進行補充實驗教學，分別采用同一塊樣品進行阿基米德排水法實驗與掃描電鏡觀察實驗，課程結束后采用同一命題進行考查。

從事無機非金屬材料相關專業的相關人員可以看出，密度與微觀結構觀察是相關領域實際科研中最為基礎與普遍的工程命題，也是諸多進一步材料性能測試與表征的基礎。那么這一命題如何能夠激發學生的學習興趣呢？其原因就在“阿基米德排水法測算的材料密度”的相關題設上。

阿基米德排水法測算的材料相對密度R的內容十分簡單，其公式如下：

其中m1，m2分別為樣品的干重與液體中稱重，ρm與ρt分別為樣品測量密度與理論密度。其相關內容學生在中學時代就已經有所涉及，因此課堂講授時并沒有太多的理解障礙。

但是，給學生的復合材料測試樣品為非完全密實化材料，這也是實際科研與工程普遍遇到的實際問題。學生在實際排水法測量密度時就發現：當樣品浸入水中后，樣品表面有氣泡逸出，而且在水中稱量時質量在發生一段時間增長后才能趨于穩定。更加令學生吃驚的是，他們測量的樣品密度與計算的理論密度比值，即相對密度，居然大于100%。反常的實驗結果引起了學生們的討論與思考，這種反常的實驗結果產生的原因是什么？

學生帶著疑問進行掃描電子顯微鏡的觀察實驗，這時候教師進行輔助講解：掃描電子顯微鏡能夠采用不同的電子信號進行樣品的表征觀察，利用二次電子能夠進行細節的形貌觀察，利用背散射電子能夠對復合材料的成分進行區分。然后進行設問，掃描電子顯微鏡中Compo模式下圖像有明顯的襯度對比，是利用的哪一種電子信號？明暗襯度產生的原因又是什么？學生在SEM觀察實驗中可以清楚地發現，樣品中能夠明顯觀察到三種不同襯度：分別是亮色（代表ZrO2），灰色（代表Al2O3）與黑色（代表氣孔）。這不僅加深了其對于電鏡相關理論知識的認識，更重要的是使得學生意識到原來他們測量的樣品中存在著大量的殘余的開口氣孔，樣品并沒有完全的密實化燒結。再次回到阿基米德排水法測算材料密度的實驗，學生意識到原來浸入水中樣品表面氣泡的逸出原因是因為水浸入到了樣品中；而相對密度大于100%的原因是由于水的浸入造成樣品濕重測量偏大所致。如果對命題進一步加深，你對材料的燒結制度如何進行優化建議？結合學生在材料科學基礎核心課程的學習中曾經講授過的內容：材料的三個典型燒結階段模型完全閉合氣孔形成的經驗相對密度為大于93%，且燒結體中形成完全的閉合氣孔是燒結進入燒結后期的典型標志。那么，通過這一道題目的理解與解答，學生不僅能夠對當下的學習課程有更加深刻的理解，而且能夠對先修課程所學的內容加深認識，構筑材料學科良好的學習框架體系。

通過對兩組不同教學模式學生學習效果的考試檢查，筆者發現“純課堂理論講授”學習組的學生在考試成績上要略低于“理論與科研并重”學習組的成績；但是對比參與“本科生走進實驗室”項目的學生，筆者發現經歷過“理論與科研并重”學習組的大多數學生能夠在實驗室順利開展相關的科研實驗，而且對于實驗技能與數據結果的分析遠遠高于“純課堂理論講授”學習組的學生；而“純課堂理論講授”學習組的學生在面臨類似科研問題的解決時往往需要重新查閱相關資料或者是教師的再次講授。“本科生走進實驗室”項目開設時間一般是在學期末尾或下一個學期，這一結果表明，參與“純課堂理論講授”學習組的學生僅僅能夠適應較短時間的課程考試考察，學習的效果無法較長時間的進行保持，教育僅僅達到了“授人以魚”效果。而通過“理論與科研并重”學習組的學習，通過自己動手與觀察實驗，學生不僅對于課堂所講授的掃描電鏡原理知識有了更加清楚的理解，把書本上大量深奧抽象的文字進行了具象化，而且這也對他們日后繼續進行實際生產與科研工作產生了良好的指引效果，在某些程度到達到了“授人以漁”的良好效果。

三、總結

目前，我國的高等教育正在全面推進素質教育，努力培養具有創新精神與實踐能力的大學生。當代大學生個性鮮明，對新鮮事物的好奇心、求知欲更加強烈，他們對傳統單一的大學授課模式早已感覺“索然無味”，他們渴求的是“無圖無真相”、“我也要試試”這樣更為熱情的學習模式。把科研融入教學中是一種有效的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學、科研與社會服務三大社會職責的有益探索。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 胡璋劍.應用型人才培養模式新論[M].北京：中國社會科學出版社，2009.

[2] 邵士權.我國高等學校教學方法創新研究[J].高等教育研究，2013（6）.

[3] 曲明貴，張靜武.“材料現代分析測試方法”精品課程建設實踐[J].教育與教學研究，2010（1）.

[4] 周艷軍.提升學生實踐與創新能力培養途徑的探索[J].實驗技術與管理，2011（11）.

[責任編輯：陳 明]