本—碩—博課程群一體化建設的實踐與思考
——以燕山大學《材料分析方法》課為例

李艷國 張靜武 于金庫 李 偉 王利民

(燕山大學 材料科學與工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

習近平總書記在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上的講話指出，我國要建設世界科技強國，關鍵是要建設一支規模宏大、結構合理、素質優良的創新人才隊伍。此后，習近平總書記再次在中國科學院第十七次院士大會和中國工程院第十二次院士大會上指出:要“努力造就一批世界水平的科學家、科技領軍人才、工程師和高水平創新團隊，注重培養一線創新人才和青年科技人才”。這些理念強調了高校學生高水平培養的教育目標。基于此，提升自身能力，培養“世界水平”的創新型科技人才，是高校必須擔負的歷史重任[1]。

傳統的教學模式為單一的知識灌輸型模式。無論是本科階段還是研究生階段往往只注重將知識照本宣科地教給學生，缺乏互動，更忽略本碩博各階段學生思維模式、角色轉變、意識形成等特殊情況，導致教學和科研脫鉤，課上和課下脫節，學生和教師脫離。課程設置、學習內容和方法無法統一籌劃，教學效果欠佳[2-5]。以此為思考，在新時代背景下，為培養創新型人才，燕山大學材料科學與工程學院(以下簡稱材料學院)率先開展教學改革與實踐，打通本、碩、博教研壁壘，力爭使教學方式更加高效和系統,有針對性地支撐人才培養目標。《材料分析方法》課程(簡稱方法課)作為燕山大學材料科學與工程學院的基礎理論課程，也是課程群建設的重中之重。因此，材料學院就方法課的探索性教學進行梳理，期望對學生培養及學科建設提供參考。基于這種背景和教學理念，課程群團隊從分析教學現狀與不足入手，依托學科建設和國家重點實驗室、國家教學示范中心、省重點實驗室等基地，進行了多方面的改革實踐工作，進一步優化了人才創新培養體系。

1 方法課教學現狀與不足

1.1 方法課教學在課程教學中的重要性

本研究所涉及到的《材料分析方法》是指現代的物理方法，即用大型現代設備，在微納尺度觀察和研究材料的結構、形貌和成分特征，依據設備檢測給出的信息分析確定材料的相關機制。《材料分析方法》本—碩—博課程群是指材料學專業本科生的《電子顯微分析方法》、碩士研究生的《現代材料物理分析方法》和博士研究生的《材料分析方法新進展》三門課程的組合。總體來說，方法課是通過對現代大型儀器，如X射線衍射儀、電子顯微鏡、三維原子探針、X射線光電子譜儀等進行相關理論和方法的講解，對材料在微米、納米級乃至原子尺度層面進行觀察和分析的課程。通過學習，使學生能夠通過對材料的形貌、組織、結構、晶體缺陷、元素分布、晶體位向甚至單個原子進行觀察和檢測，進而研究得出各類材料的相變過程、強韌化機制和失效機理。由此，來指導傳統材料改進、提高性能以及研發出性能優異的新型材料。因此，材料分析方法是材料研究的基礎和重要支撐，無論是傳統材料性能的提升還是新材料的研發，都需要應用某種分析方法，最終實現相關機制的確定。

方法課對實驗設備的要求很高，隨著科學技術的不斷進步，材料分析方法經歷了從初級到高級的發展歷程。從早期的金相光學顯微鏡和X射線衍射分析，到當前已經形成的分析型電子顯微鏡，即集電子衍射、電子衍襯、高分辨觀察、元素分析和位向分析于一體的綜合分析平臺。此外，還出現了一批新型分析儀器，可以實現原子級別的動態觀察、單原子識別和單原子操縱，這些現代儀器設備是材料學研究的有力工具。

據調查，我國高校的材料專業普遍開設了材料分析方法課，世界名校更是把它作為基礎必修課程。如加州大學伯克利分校的《電子顯微鏡與X射線衍射理論》課、佐治亞理工學院的《衍射研究》、《散射概論》和《透射電子顯微鏡技術》課、加利福尼亞大學洛杉磯分校《材料科學中的衍射方法》和《材料特性表征B(電子顯微鏡)》課等，都是講授材料表征基礎理論與應用的方法課[3]，其課程內容設置與本文的方法課設置同出一轍。

方法課是培養一流材料專業人才不可或缺的學位課。該課程的學習內容是以物理光學、電子光學為基礎，形成了集電子衍射物理、固體物理之大成的現代分析方法[6-1 0]。因此，方法課涉及到諸多學科的理論交叉，對基礎理論也有極強的依賴。并且，從教學的角度看來，該課程目標是為材料研究提供現代分析方法，要求在材料科學基礎等前期課程的基礎上，掌握衍射物理、電子光學等基礎理論。同時，要求能在微納尺度分析材料，達到在原子及至電子結構層面進行分析的水平。此外，還需要關注材料分析方法的新進展，及時掌握國際期刊中的最新報道，能夠有效地進行國際交流。

1.2 方法課教學的模式剖析

經過對教學實踐的總結發現，方法課教學存在諸多不足，主要表現在以下幾方面。

教學團隊分析了本院本科生和研究生畢業論文，并同國內外文獻中的材料分析方法相比較，從中總結出方法課教學的主要問題。調查顯示，多數學位論文的相關作者能選擇正確的分析方法，利用相關設備完成實驗，實驗結果基本正確。相對而言，實驗結果的分析往往不到位甚至沒有分析，常見有價值的實驗結果因得不到正確的分析而降低了學位論文的學術性和嚴謹性，使一篇有價值的學術論文淪為實驗報告；有的論文將電子衍射花樣標定錯誤，類似參考文獻[11 -12]的問題。這顯示出學生的基礎概念模糊、基礎知識掌握不牢的知識結構缺陷。少數學生不能正確地選擇分析方法，通常表現為以常規的金相分析代替電子顯微分析，以形貌或元素分析代替結構分析，實驗結果不能構成對論文結論的支撐。更有甚者將實驗結果不作任何分析，直接粘貼到論文中。由此可見，學生通過課堂學習，對方法學的基礎內容沒有完全掌握。同時，對方法學的實際應用和分析能力相對較弱。造成這種情況的原因與授課的內容和方法有著密切關系。

由于本科、碩士、博士的方法課是打斷的，三個學習階段沒有明確的邏輯銜接和內容分工。本科階段在有限的學時內知識點講述往往面面俱到，但簡化了基礎理論和基本分析方法。以《材料電子顯微分析》課為例，在成像原理中忽略夫瑯禾費衍射中的倒易轉換；在衍襯運動學中，缺乏組織像和缺陷像的對應分析；在電子衍射中沒有花樣標定的基本訓練；卻開列出球差電鏡、高分辨等等概念性知識點。這種在有限的學時內多方面的平鋪直敘，沖擊了最重要的基礎知識結構的構建，是一種蜻蜓點水式的設計。按照學習的一般規律，如果學生較好地掌握了基礎知識，構建起合理的知識結構，面對新的知識點，大多數人是可以自學和掌握的。而掌握基礎知識的關鍵是設置足夠的練習，使知識點在學生頭腦中得到強化。如果在構建基礎結構的關鍵時刻減少必要的練習，人為地增加新概念擠占練習環節，實際上是把大學里的專業學習變成了網絡檢索式的一般性了解，浪費了寶貴的基礎學習階段。如果學生既沒有打好理論基礎也不能掌握基本方法，將導致學生無法深入分析實驗結果。這也猶如高樓大廈沒有地基一樣，這種教學模式達不到教育應得的效果。

在研究生學習階段，學生的學習方式發生了很大改變。與本科大面積重復的教學內容與以課題和試驗任務為主的階段主題不相配合。學生的注意力盯在實驗結果和學位論文上，很難坐下來踏踏實實地做練習。但是由于基礎知識不到位，對實驗方法和實驗結果的分析仍舊停留在模仿參考文獻的做法和說法的水平。并且，由于缺乏實驗操作的專門培訓，簡單易學的實驗自己能夠學習摸索，復雜的實驗只能委托給實驗室。這就導致在完成學位論文過程中，學生不能獨立選擇正確的分析方法，不能對實驗結果進行綜合分析，無法發現研究的新現象，無法揭示深層次的學術問題，創新性研究更無從談起。這種分析基礎和綜合分析能力的缺失，顯然沒有實現課程目標，也未對培養一流人才起到應有的支撐作用。

2 課程內容與實施

針對課程教學過程中出現的問題，教學團隊自2001年承擔教育部世行貸款項目開始，對本—碩—博的方法課進行了一體化設計和建設，包括以下幾個方面：本科階段注重基礎知識學習；碩士階段拓展知識面，培訓動手能力；博士階段則注重提高綜合分析能力。學習內容按照基礎—拓展—新進展三個層面設置，使學生在各個環節中得到不同層面的培養，打下良好基礎，形成較為完善的知識結構，全面實現課程目標。其具體模型如圖1所示。

圖1 本-碩-博課程一體化建設模型

2.1 本科生的《材料電子顯微分析》教學，注重基礎知識學習

本科階段的學習有兩個基本特點：一是本階段是學生構建專業知識結構的基礎階段。沒有好的基礎，將直接影響新知識的領會，必須充分重視；二是從大三上學期開始設置方法課，這樣學生還保持有學習慣性，能夠對基礎知識下功夫，認真練習，深刻理解基本概念。基于這兩個特點，筆者從三個方面進行課程建設。

在教材和教學方法上，筆者在本科階段的授課側重基礎理論知識的教學。在一些新版教材對分析方法面面俱到、蜻蜓點水的背景下，筆者將國內外的教材進行總結和整合，摒棄面面俱到的內容設置，細化和強調重點，參照北京科技大學、西安交通大學和上海交通大學的教材，編寫出版了同教學大綱要求完全一致的新版教材《材料電子顯微分析》[1 3]。其中。重點保留的課程內容主要有：電子的波粒二象性與磁聚焦、成像原理與傅氏轉換、倒易點陣和倒易桿、衍襯運動學、襯度原理等基本概念；強調用嘗試法標定電子衍射花樣。通過講課、練習和三級項目等教學環節進行強化；把常見的馬氏體、珠光體等常見組織的衍襯像歸類于缺陷像，總結出衍襯運動學的5張典型像，作為講解和考試的重點內容，并且強調明場—暗場—花樣相結合的基本分析方法。因此，在學時數從60學時減少到32學時的情況下，最大程度地保證了學生專業基礎知識的構建，并成功建設成為河北省《材料分析方法精品課》。此外，針對當前教學形式的多元化，教研組同時設立了課程網站，上傳教學文件和視頻資料68套，開辟了“答疑園地”，成功實現了課堂和網絡教學的結合。

在上課期間，通過三級項目開展研究型教學。設計兩類項目：一類是綜合實踐項目。全班分成鋼鐵(黑色金屬)、有色金屬、金屬斷口三個大組，實驗室提供相關試樣，要求金屬材料組從試樣的切割開始，順次完成機械減薄、電解拋光(或離子減薄)，在透射電鏡中進行電子衍射分析—電子衍襯觀察分析；斷口組進行試樣切割、清洗，在掃描電鏡中進行從低倍到高倍的斷口分析、基體和析出相(夾雜)的能譜分析。各組依據實驗結果撰寫項目報告，在班級中進行PPT匯報和討論。另一類是基礎理論項目。實驗室從典型材料的觀察中攝照電子衍射花樣，對鐵、鋁、銅、金、銀、鈦等各類合金按照不同帶軸，提供幾十個不同的衍射花樣，隨機分配給學生，要求學生獨立進行嘗試法花樣標定，并按照“物鏡成像原理與傅氏轉換—電子衍射原理—電子衍射花樣產生—嘗試法花樣標定—討論”的順序撰寫項目報告，隨機抽簽選定學生在班級中進行PPT匯報和討論。教研組每學年對學生的學習情況進行總結分析，每學年選擇學生掌握較差的內容實施一類項目。通過這種教學形式，針對重點難點深入講解，鼓勵和引導學生進行自我學習與培養。

課程結束后，輔導本科生提前進入畢業設計，落實一人一題，真題真做。畢業設計期間，鼓勵學生使用大型儀器進行材料分析。經統計，本院2002～2005年四屆畢業設計論文，有91.2%的學生對文獻中材料的電子顯微分析方法、結果分析有正確理解，63.6%的學生在實驗室教師輔導下，能正確使用有關X射線衍射、電子顯微鏡分析完成畢業設計。同時，根據反饋，畢業生在考取外校研究生的復試中，對材料分析方法的問題也能正確回答。由此可見，方法課教學在本科階段取得了優良效果。

2.2 碩士研究生的《材料現代物理分析方法》課，注重深化拓展和動手能力培養

在碩士研究生階段，學生容易在承擔課題研究工作的壓力下急于求成，學習態度轉變為“有用的學，無用的不學”。因此，該階段的教學注重三方面。一是深化與應用基礎知識。系統總結電子顯微分析的重點內容，多角度強化講授。在教學環節中例舉國內外文獻中的材料分析方法，強調實際應用。專門設置“勘誤分析”環節，通過分析國內外期刊中的失誤，強化對基礎概念的理解。將期刊文獻中的失誤原文設為考試題，進一步強化基礎知識。二是將授課內容進行延伸拓展。比如，在透射電子顯微和掃描電子顯微鏡的基礎上，授課內容拓展到掃描透射模式，突出會聚束衍射和高分辨分析的相位襯度原理；并且以電子顯微分析為基礎，拓展到三維原子探針(3DAP-3D Atom Probe)、X射線光電子譜儀(XPS-X-ray Photoelectron Spectroscop)、俄歇譜儀(AES-Auger Electron Spectroscopy)、掃描隧道顯微鏡(STM-Scanning Tunnel Microscope)等其它現代分析儀器和現代分析方法，大幅度拓展學生的知識面。并且，課程案例全部取自國外最新文獻，使學生不僅更為理解科技文獻中的分析，而且為進行國際交流、培養國際視野打下基礎。三是重點培訓研究生動手能力。燕山大學材料學院建有國家重點實驗室——亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，以及省重點實驗室和國家教學示范中心等科研和教學平臺。經過多年建設，已經建成擁有50余臺套大型設備，總價值超億元的材料分析實驗基地。該基地對研究生全面免費開放，鼓勵研究生使用大型分析儀器。同時，將設備操作作為研究生培訓副課，鼓勵學生依據自己的課題研究需要選修實驗室的儀器設備培訓，學習掌握一臺以上分析設備，爭取自行完成實驗。據統計，近三年的碩士研究生參加培訓554人次，部分學生還參加了多項培訓項目，人均設備操作超過1臺套。培訓學生由實驗指導教師負責培訓和考核，均達到了獨立實驗的水平。通過培訓能熟練操作設備的同學也承擔起為課題組其他同學進行測試分析的責任；其中，優秀的學生可被材料學院實驗室按助研聘用，負責實驗室相關設備的日常值班及全院的分析工作。

2.3 博士生《材料分析方法新進展》課，注重綜合能力的培養

在博士階段，學生的專業知識結構已經形成，學習能力較強。尤其是通過網絡學習，獲取新知識的能力甚至超過教師，傳統的教學模式已經不能滿足學生需求。同時，博士生更多地表現出綜合分析能力的不足。因此，該階段的方法課，采用四種方式進行學習：(1)教師以講座形式重點講授綜合性問題和分析方法的新進展，授課時間占1/4～1/3學時。(2)教師講座結束后設閱讀課。閱讀課的設置緊貼博士研究生自學能力強、課題任務重和整段時間少的特點，集中學習方法課的重要內容。閱讀課選擇國際期刊中先進、新穎的材料分析方法內容，課程群教師通過移動端即時發送給學生，學生即時閱讀并總結。學生在閱讀總結中說明相關材料分析方法的原理、特征和應用范圍，達到系統學習分析方法重要內容的目的。同時，鼓勵學生在課程群里進行討論，教師參與點評。(3)開設博士分析方法論壇，取代課程論文。結合自己課題的文獻閱讀或所做的實驗結果，進行當前材料分析方法的述評或自己課題實驗結果的綜合分析，進行PPT講解，并開展討論。由于該部分內容同自己的科研課題相結合，因此能夠成為學位論文中文獻綜述和實驗方法的構成內容。(4)利用考試進行學習。考試題設計三類題型：第一，綜合題型，要求總結出對某一材料研究的多種分析方法或某一方法對多種材料分析的應用；第二，分析題型，選擇國際期刊近三年中材料分析案例，要求說明分析方法的原理，并對結果進行分析；第三，勘誤題型，從國外期刊文獻中選擇有分析錯誤的案例，要求對其中不準確的分析進行判定，并給出正確結果。閱讀、論壇和考試的成績以2∶4∶4的比例計入總成績。

以上四種設計均是基于反復實踐嘗試后總結確定的。教師用較少學時開設講座，講課內容集中在分析方法的綜合性述評和新進展方面，有利于提高學生的綜合分析能力。閱讀課是把部分學習內容放在課堂上進行自學并且與成績掛鉤，能有效地實現對方法課程主要問題的集中梳理，使學生能夠比較系統深入地掌握重點學習內容。講壇是課程的重點，無論是講文獻閱讀還是實驗結果分析，都有很強的綜合性。講壇的“講出來”比課程論文的“寫出來”更為深刻。同時，倡導講壇內容同各自的課題研究結合起來，總結梳理自己的課題研究工作，可以推動和深化學術研究，對課題進展有顯著的幫助，同時也鍛煉了交流和表達能力，還可以開展討論集思廣益。

考試注重綜合能力考核，歷年題目均不一樣，部分題選自最新的期刊論文，采用開卷方式。可以翻閱課堂筆記，也可以上網檢索。考試題的綜合題和分析題，是對綜合能力和新方法掌握的檢驗，也是對材料分析方法的進一步學習。勘誤題的作用首先是鞏固基礎知識，通過分析概念混淆的文獻原文，加深了對基礎概念的理解和綜合分析的應用。更重要的是，通過對國際權威期刊文獻的勘誤，有助于培養 “質疑思維(skeptical thinking)”。而質疑思維“由古代向近代轉變后形成的本質屬性,決定了其在認識發展中的創新品格”[1 4]。可以說科學質疑是學術創新的出發點，是科學研究的必要素質。眾所周知，科學進步和開拓性的工作從來都離不開質疑思維，在課程建設中設置勘誤分析考題，有助于培養創新意識和創新能力。如燕山大學合成出目前最硬的納米孿晶金剛石，其硬度為金剛石的2倍[1 5]；又如經研究發現，金剛石在<111>和<110>方向上進行單軸壓縮時，塑性主要由位錯在非密排面{100}的滑移決定。這一發現改寫教科書中關于面心立方(FCC)晶體沿{111}面滑移的傳統認識[1 6]，兩篇論文的作者均為本校博士研究生，是這種教育模式的直接受益者。

這種新的教學模式受到學生的歡迎，學習效果也顯著提高。經統計，近五年通過答辯的博士學位論文中，應用近代材料分析方法的近乎100%。近五年《材料分析方法》課程試卷中的勘誤分析中，共5道題總分為67分，平均得分58分。這說明，通過整體設計，依據不同階段的學習特點來開展本—碩—博課程的一體化建設，從構建專業基礎知識結構入手，經過拓展和深化，到培養綜合分析能力，有針對性地開展教學，使學生逐步掌握現代分析方法，并啟發了質疑思維，開拓了國際視野，實現了教學目標，為培養創新性人才做出有益的探索。

2.4 外校生因人而異，個性化培養

學院不僅對本校本—碩—博學生有系統的一體化教育方案，對于外校考入本校的碩士研究生和博士研究生，由于學校教學體制和授課內容有所差異，未經過系統的本碩博一體化培養模式的培養，甚至部分學生研究生階段學習內容與本科階段不同，專業基礎薄弱。對此，材料學院調動所有指導教師，根據學生的學習基礎和特點，制定個性化的培養方案，并與學校教務處溝通，允許碩士研究生選修本科生專業基礎課，并納入學分管理。將師—生—校有機的串聯起來，經過這一環節，學生可快速對學習知識進行查缺補漏，最終實現同步提升。

3 結束語

普通高校研究型學院的教學任重道遠，不是一名教師和一門課程能夠完成的，需要對師資、平臺等眾多資源的整合。《材料分析方法》作為材料專業最重要的專業課之一，承載著提高學生學習能力，創新能力等重任。本—碩—博一體化方法課改革為新形勢下教學提供了獨創思路。同時，筆者也會逐步將本—碩—博全局的整體思維全方位應用于其他課程改革。依據不同學習階段的特點，進行學習內容的一體化設計，要有強烈教學與科研相結合的意識，從教學內容、教學方法、實驗基地建設和管理制度各個層面，把教學與科學研究緊密結合起來。既注重基礎知識的教學，也跟進科技前沿的進展。既培養綜合能力，也倡導質疑思維和國際視野。最終實現課程目標，培養創新性人才，完成高校的歷史性重任。