側重實例解析與科研思維能力培養的《材料分析測試技術》教學改革與實踐*

楊 康 吳 鋒

（西安建筑科技大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710055）

1 課程教學改革的必要性

資源循環科學與工程專業是我國為了適應戰略新興產業需求而設立的新工科專業。作為一門多學科交叉性質的專業，其專業內容涵蓋材料科學與工程、化學工程與工藝、環境科學與工程等諸多學科，目標是培養具備資源循環創新理念的復合型工程技術人才，這就要求學生具有較強的多學科交叉融合能力。《材料分析測試技術》是資源循環科學與工程為本科生開設的專業必修課與學位課，也是鍛煉和培養學生多學科交叉融合能力的技術方法課，其教學內容包括各類材料的分析測試技術，綜合了材料科學基礎、物理化學、大學物理、高等數學等多門課程的相關內容，范圍廣泛、內容豐富、實用性強，在培養上述復合型工程技術人才過程中有著不可替代的作用。但從西安建筑科技大學及全國其他高校該門課程的教學內容和現狀看，均存在以下幾個方面的問題：

1.1 教材和教學內容過于偏重儀器理論

首先，教材和教學內容過于偏重儀器構造及其工作原理等內容的基礎理論，而分析軟件的使用、測試數據的分析和實驗圖譜的解析等應用方面的內容過于單薄。培養出的學生存在著理論脫離實際的傾向，實踐動手能力較差，缺乏運用所學知識分析、解決問題的能力。整門課程學習下來，學生僅能掌握一些基本的儀器構造及其工作原理等方面的知識，背誦一些常用的公式，而缺少足夠的實際儀器操作實訓，也不能靈活運用測試手段分析實際中遇到的問題[1]。該門課程學習效果的好壞與學生今后的考研深造、工作學習均有較大聯系并能夠在畢業設計（論文）階段體現出來，具體表現為部分學生在拿到畢業設計（論文）題目后遲遲不能進入狀態，無從下手，不清楚怎樣的實驗測試手段能得到最好的結果，即使在老師的指導下完成實驗，但在結果分析與討論階段仍不清楚如何分析已經得到的實驗數據，或僅能對獲得的結果加以簡單描述無法進行深入探討[2]。

1.2 教材內容更新緩慢，缺乏包含專業背景的教學素材

首先，隨著科技的發展，對于材料結構性能的測定表征要求越來越高，新興儀器不斷涌現，對于分析測試技術的學習要求也水漲船高，但現有教材內容更新較慢，與當前分析測試技術發展的步伐不相匹配[3]。其次，掌握了材料分析測試技術的基本知識點和基本原理，并不代表能夠應用該測試方法很好的分析和解決實際問題，測試方法的掌握，需要在大量的實際應用和圖譜分析練習中得到提高，但目前包含資源循環科學與工程專業背景的教學案例和素材零星分散，且不成體系[4]。

1.3 課程涉及的專業面廣，知識點較分散

首先，材料分析測試技術課程的特點是涉及的專業面較廣，包含有光、電、磁學等理論性較強的多學科知識，部分原理學生理解起來較為困難，造成學習興趣下降[5]；其次，每種分析方法的儀器操作又各有特點，且需要許多前期課程的基礎知識和理論，如晶體學、光學、原子結構和能級方面的基本原理，這些內容很多是在大一、大二的課程中學習的，學生掌握的程度不同，但由于課程學時的限制，課堂上不可能將所有的前期知識做詳細的回顧，因而會影響到學生對于本課程內容的掌握[6]。

1.4 教學手段過于單一，實踐教學功能薄弱

目前，本課程的教學手段主要以課堂講授為主，但由于課程涉及的專業面較廣、知識點分散且比較枯燥、抽象、深奧，且本課程開在大四上學期，學生由于找工作、準備考研等導致其投入到本課程的精力有限，若仍然按照傳統“填鴨式”的教學手段，必然無法提高學生學習的主觀能動性。加之，本課程的主要目的在于讓學生了解掌握材料的各種分析測試方法、測試基本原理、儀器結構、操作流程、注意事項以及結果分析。但考慮到本課程涉及的多為大型儀器，昂貴精密，大多為國外進口，損壞后不易修復，且這些儀器除了要滿足本科教學還要滿足繁重的科研需求，無論在成本上還是在時間上都遠遠不能滿足每位學生參與實際操作的需要[7]。故而，目前的實驗教學只能以演示性為主，在很大程度上只能給學生留下一個表觀印象，影響了對儀器的深入了解和掌握。

綜上所述，加快對該門課程的教育教學改革，優化傳統教學內容、豐富現有教學手段、探索全新教學模式的現實需求愈加迫切。

2 課程教學改革的措施

2.1 編寫著重培養學生科研思維能力的實用性教材

針對前述本課程教材內容過于偏重儀器理論和缺乏包含專業背景教學素材的問題，本教學改革項目組組織編寫了《材料分析測試技術與實例解析》教材。教材在內容設置上盡可能弱化儀器構造及其工作原理等內容，省略大部分公式的變換與推導，取而代之的是大量具有本專業學科背景的最新的材料結構分析與解析實例。另外，利用影音視頻傳輸技術，在本專業主管大型儀器的實驗教師日常操作及樣品制備過程中錄制視頻，以邊操作邊講解的方式制作視頻，作為課后學習素材上傳至本專業網站，并以二維碼的形式嵌入教材各章節，供學生課后觀看。著重培養學生的儀器操作能力、數據分析能力及圖譜解析能力，加快創新型人才培養與“一流專業”建設。

2.2 用科研實踐充實教學，增加實踐性教學環節

我校設有資源循環科學與工程二級學科博士點和二級學科碩士點各1 個，擁有“生態建筑材料國家地方聯合工程研究中心”和“中國循環經濟工程技術協同創新中心”，整體科研實力與水準相對較高，近三年（2019～2021 年）承擔國家級科研項目8項、省部級科研項目32項。資源循環科學與工程教研室擁有教師23 人，教研室的教師每年都要從事或開展大量的科研工作。因此，可結合實際情況，用科研實踐充實教學。本教研室目前采取兩種方式：其一，在教研室教師和研究生利用大型儀器設備開展科研工作或通過專業軟件對數據進行分析處理的過程中，通過攝影和攝像的方式將非涉密的科研過程記錄下來，然后將其剪輯編纂成教學素材，將科研過程、科研思路、科研方法及學術動態及時補充至課堂教學之中[8]；其二，增加實踐性教學環節，通過設置《資源循環科學與工程創新實踐》課程設計，使學生參與到教研室教師承擔的科研項目中去[9]，利用課余時間和假期開展科研實訓，如協助研究生制備各種分析測試所需的樣品、在教師的指導下操作大型精密儀器、對實驗結果進行數據分析和圖譜解析等。一來，通過科研實訓提高學生的專業理論水平和實驗動手能力；二來，將學生的科研實訓與教師的科研工作有機結合，形成相互支撐、協調一致的良性態勢，可給教師的科研工作提供更多幫助，實現教師與學生的互利共贏。

2.3 制作高質量素材，豐富網絡教學平臺，通過“翻轉課堂”延伸課外教學

首先，由于課程原有教學內容過于偏重儀器理論與公式推導，易引導學生學習過程向記憶化與形式化的方向發展。本教學改革項目組將教學中呈碎片化分布的儀器構造及其工作原理、儀器日常操作及樣品制備等內容進行整合，選取主題獨立、目標明確、內容完整的知識點制作成微課，并輔以微教案，在我校網絡教學平臺《材料分析測試技術》課程門戶網站發布，微課視頻及配套輔助資源的總容量控制在幾十兆左右，方便學生流暢地在線觀摩課例，閱讀教案、課件等輔助資源，也可方便靈活的將其下載并保存到終端設備上實現移動學習，學生在課前利用多媒體終端自學微課并完成相應的作業，通過系統反饋給教師，教師則根據反饋情況有的放矢地指導學生，將傳統教學模式中的課上講授知識、課后內化的流程翻轉過來，形成課前講授知識、課上內化知識的新模式，并將儀器構造及其工作原理的授課學時控制在合理區間；其次，在網絡教學平臺課程門戶網站上建立自帶評分系統的“數據分析與圖譜解析題庫”，在每章課堂教學內容結束后，引導學生課后刷題，提高學生的數據分析能力、圖譜解析能力；再次，在網絡教學平臺課程門戶網站上創建討論社區，在課堂教學結束后延伸課外教學，組織學生發帖跟帖、交流互動，并對學生的討論過程進行正確的引導與釋疑。

2.4 打破傳統成績評定模式，創新多元化考核方式

課程原有考核方式僅限于紙質卷面考試，學生更多的是對基本概念、基本原理及基礎理論的死記硬背，無法真實評估學生的儀器操作能力、數據分析能力及圖譜解析能力。故本教學改革項目組建立由考勤成績、“數據分析與圖譜解析自測”成績、“翻轉課堂”互動成績及期末考試成績共同構成的多元化課程考核形式，將期末考試成績占總評成績的比例壓縮至40%，打破“一考定成績”的傳統評定模式。

3 課程教學改革的體會

《材料分析測試技術》是一門集綜合性、實踐性和實用性于一體的專業基礎課程。本教學改革項目組通過重編實用性教材、增開《創新實踐》課程設計、制作高質量素材充實網絡教學平臺、翻轉課堂、創新多元化考核方式等多舉措并舉，在教學內容上盡量弱化抽象、枯燥、深奧的儀器理論，將上述理論知識通過課程門戶網站的微課呈現；在實際教學過程中嵌入大量具有本專業學科背景的最新的材料結構分析與解析實例，并在課程門戶網站建立自帶評分系統的“數據分析與圖譜解析題庫”和課后討論社區，將課堂教學從空間和時間兩個維度延伸至課外；顛覆傳統課程成績評定模式，建立能夠真實評估學生科研思維能力和儀器運用能力的多元化考核方式。

以上課程教學改革在我校資源循環科學與工程專業《材料分析測試技術》課程中已完成兩個年級總計兩個輪次的應用，學生在后續畢業設計（論文）過程中的科研能力顯著提高，不僅能夠正確選擇大型精密儀器進行材料性能的表征，部分學生還能獨立對實驗數據和圖譜進行分析與解析。本教學改革項目組將不斷總結教改實踐中積累的經驗，以培養具備資源循環創新理念的復合型工程技術人才為目標，為專業建設和學科發展貢獻力量。