本科教學(xué)中的科研融合實(shí)踐教學(xué)初探

熊焰　陳艷林　嚴(yán)明

[摘 要]現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)由于其課程內(nèi)容抽象的語(yǔ)言形式與復(fù)雜的物理學(xué)基礎(chǔ)使學(xué)生對(duì)其敬而遠(yuǎn)之，教學(xué)效果不理想。要改變這種狀況，首先需要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我國(guó)的高等教育正在全面推進(jìn)素質(zhì)教育，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的大學(xué)生。當(dāng)代大學(xué)生個(gè)性鮮明，對(duì)新鮮事物的好奇心、求知欲更加強(qiáng)烈，他們對(duì)傳統(tǒng)單一的大學(xué)授課模式早已感覺(jué)“索然無(wú)味”，他們渴求的是“無(wú)圖無(wú)真相”、“我也要試試”這樣更為熱情的學(xué)習(xí)模式。把科研融入教學(xué)中是一種有效的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學(xué)、科研與社會(huì)服務(wù)三大社會(huì)職責(zé)的有益探索。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)；教學(xué)探索；科研融合

[中圖分類(lèi)號(hào)] G640 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）03-0058-02

一、前言

隨著試聽(tīng)新媒體的迅速發(fā)展，當(dāng)代大學(xué)生的信息接收方式也從傳統(tǒng)的章節(jié)性文字越來(lái)越多地轉(zhuǎn)移到圖片、動(dòng)畫(huà)、短片等新興載體。在傳統(tǒng)大學(xué)的教育課本、課堂中，大段單純性的文字描述輔以簡(jiǎn)單示意性的圖片這種受教模式早已無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情。

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)不僅是材料學(xué)科本科教學(xué)中的核心必修課程，更是材料學(xué)科各種科研高頻使用設(shè)備的入門(mén)引導(dǎo)。但是，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)相關(guān)課程教材的更新嚴(yán)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(guān)儀器設(shè)備的物理學(xué)基礎(chǔ)更是設(shè)計(jì)大量的理論公式推導(dǎo)，這些內(nèi)容會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情會(huì)造成不小的沖擊。此外，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)相關(guān)課程也受到教學(xué)條件的限制。課程主要是對(duì)于一些先進(jìn)測(cè)試儀器，如X射線(xiàn)衍射儀（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）等大型常用科研設(shè)備的教授。雖然教學(xué)框架中安排了實(shí)驗(yàn)課程部分，但是由于設(shè)備昂貴，參與的本科生人數(shù)眾多，對(duì)這些設(shè)備僅僅側(cè)重于外觀與結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要介紹，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并不理想。此外，對(duì)于課程學(xué)習(xí)的考試考查題目設(shè)計(jì)也相對(duì)單一，偏重于理論的死記硬背，或是復(fù)雜公式的推導(dǎo)。學(xué)生學(xué)習(xí)的目的往往是單一的應(yīng)付考試檢查。筆者在一些舊書(shū)店中往往能夠找到幾乎全新的教材，這也從側(cè)面反映出學(xué)生對(duì)課程的漠視。作為材料學(xué)科的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，現(xiàn)有的教學(xué)方法與模式值得廣大從教工作者反思。

二、案例設(shè)計(jì)與分析

1969年美國(guó)麻省理工學(xué)院通過(guò)設(shè)立“The Undergraduate Research Opportunity Program”（UROP）計(jì)劃，鼓勵(lì)本科生通過(guò)參與教師的科研項(xiàng)目培養(yǎng)其實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要2006-2020》也明確提出鼓勵(lì)大學(xué)生參與科研工作，在實(shí)際中培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的探索興趣、科學(xué)精神和創(chuàng)新精神。當(dāng)代大學(xué)生對(duì)新鮮事物的嘗試興趣與接受能力正在不斷提升，對(duì)教師的相關(guān)的科研工作充滿(mǎn)了好奇與學(xué)習(xí)沖動(dòng)。例如，我校每學(xué)期開(kāi)展的“本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的相關(guān)活動(dòng)都有吸引了大量的本科生參與其中。現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)所講授的內(nèi)容正是材料學(xué)科科研高頻使用設(shè)備。并且，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程開(kāi)設(shè)一般在大學(xué)三年級(jí)，其最終目的也是為了讓學(xué)生能夠在日后的工作與繼續(xù)學(xué)習(xí)中使用相關(guān)設(shè)備，解決實(shí)際問(wèn)題。如果能夠?qū)?fù)雜、抽象的理論教學(xué)融入趣味性更強(qiáng)的科研實(shí)踐，將會(huì)大大提高課程的教學(xué)質(zhì)量。于是筆者結(jié)合自身科研工作，通過(guò)對(duì)設(shè)置同一具體命題，兩種不同教學(xué)模式進(jìn)行了實(shí)際教學(xué)初探。

命題詳述如下。

兩種教學(xué)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(guān)知識(shí)，然后采用相關(guān)ZrO2-30wt%Al2O3復(fù)合材料樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)，課程結(jié)束后進(jìn)行考試；2.相同內(nèi)容純課堂授課后，馬上進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)，分別采用同一塊樣品進(jìn)行阿基米德排水法實(shí)驗(yàn)與掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)，課程結(jié)束后采用同一命題進(jìn)行考查。

從事無(wú)機(jī)非金屬材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)的相關(guān)人員可以看出，密度與微觀結(jié)構(gòu)觀察是相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H科研中最為基礎(chǔ)與普遍的工程命題，也是諸多進(jìn)一步材料性能測(cè)試與表征的基礎(chǔ)。那么這一命題如何能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？其原因就在“阿基米德排水法測(cè)算的材料密度”的相關(guān)題設(shè)上。

阿基米德排水法測(cè)算的材料相對(duì)密度R的內(nèi)容十分簡(jiǎn)單，其公式如下：

其中m1，m2分別為樣品的干重與液體中稱(chēng)重，ρm與ρt分別為樣品測(cè)量密度與理論密度。其相關(guān)內(nèi)容學(xué)生在中學(xué)時(shí)代就已經(jīng)有所涉及，因此課堂講授時(shí)并沒(méi)有太多的理解障礙。

但是，給學(xué)生的復(fù)合材料測(cè)試樣品為非完全密實(shí)化材料，這也是實(shí)際科研與工程普遍遇到的實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生在實(shí)際排水法測(cè)量密度時(shí)就發(fā)現(xiàn)：當(dāng)樣品浸入水中后，樣品表面有氣泡逸出，而且在水中稱(chēng)量時(shí)質(zhì)量在發(fā)生一段時(shí)間增長(zhǎng)后才能趨于穩(wěn)定。更加令學(xué)生吃驚的是，他們測(cè)量的樣品密度與計(jì)算的理論密度比值，即相對(duì)密度，居然大于100%。反常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了學(xué)生們的討論與思考，這種反常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因是什么？

學(xué)生帶著疑問(wèn)進(jìn)行掃描電子顯微鏡的觀察實(shí)驗(yàn)，這時(shí)候教師進(jìn)行輔助講解：掃描電子顯微鏡能夠采用不同的電子信號(hào)進(jìn)行樣品的表征觀察，利用二次電子能夠進(jìn)行細(xì)節(jié)的形貌觀察，利用背散射電子能夠?qū)?fù)合材料的成分進(jìn)行區(qū)分。然后進(jìn)行設(shè)問(wèn)，掃描電子顯微鏡中Compo模式下圖像有明顯的襯度對(duì)比，是利用的哪一種電子信號(hào)？明暗襯度產(chǎn)生的原因又是什么？學(xué)生在SEM觀察實(shí)驗(yàn)中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，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(duì)于電鏡相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，更重要的是使得學(xué)生意識(shí)到原來(lái)他們測(cè)量的樣品中存在著大量的殘余的開(kāi)口氣孔，樣品并沒(méi)有完全的密實(shí)化燒結(jié)。再次回到阿基米德排水法測(cè)算材料密度的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生意識(shí)到原來(lái)浸入水中樣品表面氣泡的逸出原因是因?yàn)樗氲搅藰悠分校欢鄬?duì)密度大于100%的原因是由于水的浸入造成樣品濕重測(cè)量偏大所致。如果對(duì)命題進(jìn)一步加深，你對(duì)材料的燒結(jié)制度如何進(jìn)行優(yōu)化建議？結(jié)合學(xué)生在材料科學(xué)基礎(chǔ)核心課程的學(xué)習(xí)中曾經(jīng)講授過(guò)的內(nèi)容：材料的三個(gè)典型燒結(jié)階段模型完全閉合氣孔形成的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)密度為大于93%，且燒結(jié)體中形成完全的閉合氣孔是燒結(jié)進(jìn)入燒結(jié)后期的典型標(biāo)志。那么，通過(guò)這一道題目的理解與解答，學(xué)生不僅能夠?qū)Ξ?dāng)下的學(xué)習(xí)課程有更加深刻的理解，而且能夠?qū)ο刃拚n程所學(xué)的內(nèi)容加深認(rèn)識(shí)，構(gòu)筑材料學(xué)科良好的學(xué)習(xí)框架體系。

通過(guò)對(duì)兩組不同教學(xué)模式學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考試檢查，筆者發(fā)現(xiàn)“純課堂理論講授”學(xué)習(xí)組的學(xué)生在考試成績(jī)上要略低于“理論與科研并重”學(xué)習(xí)組的成績(jī)；但是對(duì)比參與“本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目的學(xué)生，筆者發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過(guò)“理論與科研并重”學(xué)習(xí)組的大多數(shù)學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室順利開(kāi)展相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)技能與數(shù)據(jù)結(jié)果的分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“純課堂理論講授”學(xué)習(xí)組的學(xué)生；而“純課堂理論講授”學(xué)習(xí)組的學(xué)生在面臨類(lèi)似科研問(wèn)題的解決時(shí)往往需要重新查閱相關(guān)資料或者是教師的再次講授。“本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目開(kāi)設(shè)時(shí)間一般是在學(xué)期末尾或下一個(gè)學(xué)期，這一結(jié)果表明，參與“純課堂理論講授”學(xué)習(xí)組的學(xué)生僅僅能夠適應(yīng)較短時(shí)間的課程考試考察，學(xué)習(xí)的效果無(wú)法較長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行保持，教育僅僅達(dá)到了“授人以魚(yú)”效果。而通過(guò)“理論與科研并重”學(xué)習(xí)組的學(xué)習(xí)，通過(guò)自己動(dòng)手與觀察實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅對(duì)于課堂所講授的掃描電鏡原理知識(shí)有了更加清楚的理解，把書(shū)本上大量深?yuàn)W抽象的文字進(jìn)行了具象化，而且這也對(duì)他們?nèi)蘸罄^續(xù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)與科研工作產(chǎn)生了良好的指引效果，在某些程度到達(dá)到了“授人以漁”的良好效果。

三、總結(jié)

目前，我國(guó)的高等教育正在全面推進(jìn)素質(zhì)教育，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的大學(xué)生。當(dāng)代大學(xué)生個(gè)性鮮明，對(duì)新鮮事物的好奇心、求知欲更加強(qiáng)烈，他們對(duì)傳統(tǒng)單一的大學(xué)授課模式早已感覺(jué)“索然無(wú)味”，他們渴求的是“無(wú)圖無(wú)真相”、“我也要試試”這樣更為熱情的學(xué)習(xí)模式。把科研融入教學(xué)中是一種有效的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學(xué)、科研與社會(huì)服務(wù)三大社會(huì)職責(zé)的有益探索。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 胡璋劍.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式新論[M].北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，2009.

[2] 邵士權(quán).我國(guó)高等學(xué)校教學(xué)方法創(chuàng)新研究[J].高等教育研究，2013（6）.

[3] 曲明貴，張靜武.“材料現(xiàn)代分析測(cè)試方法”精品課程建設(shè)實(shí)踐[J].教育與教學(xué)研究，2010（1）.

[4] 周艷軍.提升學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（11）.

[責(zé)任編輯：陳 明]