基于OBE理念的“材料分析測試技術”教學改革的思考

卞劉振，胡艷宏，彭繼華，謝敏，包金小

（內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭）

教育部推出的《工程教育專業認證》是以建設一流本科專業為根本目的，旨在提高工程教育質量，促進工程教育與工業界的聯系，進一步提高我國工程技術人才的國際競爭力。成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）是“以學生為中心”的先進教育理念，其強調學生通過學習過程感受到的理解能力、應用能力、創造能力得到切實提升后的科學精神和人文精神同步提升，目前已被歐美等許多國家高等教育工程專業所推崇[1-2]。

工程認證畢業要求通用標準強調要使用現代工具對復雜工程問題的預測，同時要求學生能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究。《材料分析測試技術》是高等學校材料類專業重要的專業必修課，課程涉及晶體學、缺陷化學、數學、物理等學科，屬于多學科交叉課程[3-4]。課程主要涉及X射線衍射技術（XRD）、電子顯微分析、熱分析、電子能譜分析和光譜分析等相關理論和儀器的教學。該課程的教學目標是培養材料類學生掌握多種現代分析測試技術方法的原理和結構，實際使用儀器的能力以及對測試數據解析的能力。最終能夠正確運用現代分析技術解決材料科學與工程領域相關的科學與工程問題，為學生畢業后走上工作崗位以及繼續深造奠定扎實的基礎[5]。

一 材料分析測試技術課程當前存在的問題

《材料分析測試技術》是我校無機非金屬材料科學與工程專業的專業必修課，該課程在專業課中僅次于無機材料科學基礎，足見其重要程度。作者在承擔該課程教學工作時發現課程教學存在諸多問題，導致學生學習興趣嚴重下滑，掛科現象突出，嚴重影響到學生的畢業。同時理論學習與實踐嚴重脫鉤，學生無法將所學的理論知識應用到實踐中，在后續工作中還學要重新再學習。主要存在以下問題：

1.部分理論知識較為抽象，理論與行業實際應用之間相脫離，導致學生學習興趣逐漸下滑。《材料分析測試技術》屬于多學科交叉學科，該部分內容的學習必須建立在先修課程《高等數學》《大學物理》《無機化學》《物理化學》《材料科學基礎》等基礎理論課之上，如果前期學生在先修課程中存在薄弱環節，本門課的學習會遇到困難，不能深入理解相關的理論知識，進而導致學習興趣下滑。課堂教學主要針對理論內容的學習，專業相關的實踐內容較少，這也增加了學生的學習難度。比如：在教學過程中發現由于先前基本理論知識的不扎實，學生普遍感覺倒易點陣、復雜晶體衍射、衍射襯度理論等理論教學較難。課堂教學僅僅是基本理論的學習，授課過程中沒有結合實際生產的例子，導致學生對知識點的理解比較膚淺。

2.現代分析測試儀器更新換代較快，現用的教材缺乏很多先進的測試技術方法，或者新的測試技術及方法與實際應用結合不緊密，不能滿足時代的需要。比如多晶體分析方法目前主要采用測試簡單并且精度高的X射線衍射分析方法，而傳統的德拜－謝樂法、對稱聚焦照相法等古老的分析方法基本都被淘汰，相關的儀器基本也很難見到。但是教學大綱中規定了該部分的教學內，導致占用了大量的授課時間，擠壓了其他授課內容。隨著科技的進步以及科學研究的深入，X射線光電子能譜（XPS）、光譜、色譜及質譜等測試分析方法在實際生產過程中使用越來越普遍，但是該部分的教學僅僅側重基本的理論的簡單介紹，其在實際生產中的應用研究講解卻很少，導致學生在后續工作中仍然需要自學，浪費大量的精力。

3.理論學習與實踐脫鉤，學生不會運用所學基本理論對測試數據進行分析，導致后續工作和深造時需要重新學習。由于學時的限制，本課程的教學主要以理論教學為主，實踐教學相對匱乏。主要是受限于大型的相關測試設備，雖然開設了6學時的實踐教學，但是學生基本是10人一組，實驗過程中也只是走馬觀花地看一下儀器，很難掌握儀器的基本構造和使用方法。同時相關儀器的軟件以及分析軟件都沒有時間介紹，導致學生在獲得實驗數據后仍然不知道怎么分析，感到迷茫。比如學生學完課程后不會使用常用的X-Ray Diffractomer（XRD）分析軟件（如Jade）對XRD數據進行分析和結構解析，不會結合實際應用選取相應的分析測試方法。

4.課程教學方式單一，PPT教學和板書無法提起學生的課堂參與度和活躍度。受限于老師個人科研水平以及課時量及思維模式的限制，課堂教學主要還是填鴨式的PPT理論授課和學生的被動學習為主。課堂上以老師教學為中心，課后學生完成相應課后作業的教學模式，無法激起學生的學習興趣，導致學生學習沒有目標性和活躍度，因此學生在學習過程中疲于應付。這種傳統的教學方式無法體現出以學生為中心的OBE理念。

5.課程考核方式單一。目前該課程考核評價方式還是僅僅靠平時的出勤、課后作業和期末考試組成。評價方式較為單一，沒有將教學內容和能力評價有機結合起來，不能完全評價學生學習效果和能力，也沒有體現以學生為中心的OBE的課程理念[6]。

二 材料分析測試技術課程教學改革探討

OBE理念強調以學生為中心，鼓勵師生之間密切溝通、協同合作、共同實施課程教學改革方案，最后達到提升教學目標的達成。因此在OBE理念要求下，該課程的教學要重點以學生為中心和主體。作者根據教學經驗提出認為首先對教學大綱進行修訂，其次在教學過程中采用科研反哺教學的興趣引導、混合教學和翻轉課堂等多種教學模式相結合的方法激發學生的學習熱情，調動學生的積極性、主動性、獨立性和創造性，保證學生在教學活動的參與度。最后采用更加合理的教學評價方式對學生的能力進行綜合評價，而不是簡單地以期末考試為主。

（一） 教學大綱的調整與優化

在工程認證背景下，課程教學必須要依據教學大綱，因此首先要對教學大綱進行重新修訂?；诠こ陶J證對學生能力培養的要求，根據OBE理念重新修訂教學大綱，包括教學內容，教學學時，教學方式等內容。同時結合目前行業的實際需求調整、優化授課內容，明確講授內容和課堂專題研討內容，優化課程的考核方式。

在課程大綱中適當引入課程思政教學內容，進行課堂思政教學，比如在X射線衍射布拉格方程理論教學中講述布拉格父子的故事，同時介紹我國中國科學院梁敬魁院士、梁棟材院士在晶體結構解析領域做的突出貢獻。不僅要對學生進行社會主義核心價值觀教育，還要將基本理論和基本技能的掌握同行業規范、職業道德等相結合。

（二） 科研反哺教學的教學模式

科研與相應知識點結合，調動學生的學習興趣。學院現擁有“內蒙古自治區先進陶瓷材料與器件重點實驗室”“白云鄂博共伴生礦資源高效利用省部共建協同創新中心”等9個科研教學平臺。現有的材料分析測試設備包括透射電子顯微鏡（2臺）、場發射電子顯微鏡（3臺）、X射線衍射儀（3臺）、X射線光電子能譜儀、熱分析儀、熱膨脹儀、氣相色譜與質譜聯用儀等。在理論教學過程中首先介紹科研團隊的相關研究成果以及在實際生產生活中的應用，讓學生知道相關知識點學習的重要性和應用場景，在此基礎上介紹相關科研儀器在成果中所起到的作用，讓學生理解所學測試儀器在科研中的應用，調動學生的學習興趣。隨后介紹儀器的基本原理、基本構造以及測試過程中要注意的問題，在學生興趣高漲的同時學習相關的理論知識。

前沿文獻與知識點相結合，調動學生的學習興趣。在理論內容講解前以思考題的形式調動學生的興趣和課堂參與度，比如XRD內容講授前，介紹燃料電池，太陽能電池，鋰離子電池等先進的新能源材料與器件的研究熱點，再介紹材料對性能的影響，并給出幾種不同的無機非金屬材料（如TiO2、YSZ，LiCoO2等），讓學生思考采用什么方法區分這些材料。SEM知識講解前引入不同形貌（如花狀、棒狀、納米線、核殼結構等）的粉體，并介紹形貌對材料性能的影響，調動學生的學習興趣。讓學生思考如何表征粉體的形貌。TEM教學過程中引入不同衍射花樣的點陣以及晶格條紋，讓學生思考如何獲得這些數據。選取不同空心核殼層樣品的TEM圖片，讓學生分析如何確定是不同的核殼層，通過透明程度的不同加深學生對質厚襯度的理解[7]。

學生參與教師科研項目，提高學生理論應用能力。任課教師在授課過程中介紹相關的科研項目以及課程基本理論和儀器在科研中的應用。鼓勵學生參與科研項目，在老師實驗室中開展一些基本的研究，同時學習部分實驗儀器的操作。學生不僅僅可以拿到創新學分，還可以將自己所學的理論知識與科研項目相結合，提高學生的學習興趣，在實踐過程中增對課程理論知識的理解，同時還可以加學生的自信心和專業知識水平以及動手操作能力。

（三） 多方式相結合的混合教學模式

本課的部分理論學習較為抽象，因此在授課過程中將重難點知識點結合flash動畫講授，可以加深學生對抽象知識點的理解。通過儀器工作原理動畫的播放，學生可以更清晰地理解相關分析測試技術的工作原理和儀器結構。在STM知識點講解時通過模擬過程，加深學生對隧道電流的理解。通過flash動畫動態演示探針的變化，加深學生對恒高度和恒電流兩種掃描方式的理解；在講解X射線與物質相互作用知識點時，通過flash動畫形式使學生理解俄歇電子、X射線光電子和熒光輻射的產生過程；通過flash動畫形式使學生理解TEM和STEM的異同。此外，儀器軟件及數據分析處理軟件的教學也非常重要，在每個測試技術理論學習后要增設1-2學時的數據軟件學習，如Jade軟件進行XRD物相分析、GSAS軟件進行晶體結構精修、Digital Micrograph軟件進行晶面間距標定、XPSpeak4.1軟件對樣品組成元素及表面元素價態分析等。課堂理論教學后以關鍵詞的形式幫助學生復習所學知識點，分析測試技術專題內容講授完后，以關鍵詞形式幫助學生構建知識框架體系，加深學生理論知識的理解[8]。

（四） 以學生為中心的翻轉課堂教學

在分析測試理論知識講解后，安排2-4學時專題報告環節。學生根據所學的理論知識進行自愿組合，結合文獻相關的測試表征手段，制作PPT講解相應的測試技術在科研以及實際生產中的應用。比如分別安排XRD在無機非金屬材料領域的應用、SEM在金屬疲勞壽命中的應用、TEM/STEM在新能源材料領域的應用、熱分析技術在玻璃領域的應用、XPS技術在催化領域的應用等專題報告內容。學生根據合作查找文獻，制作PPT，然后由一人進行講解，其他組員進行回答老師和同學提出的問題。把課堂交給學生，這樣不僅增加了每個學生的參與度和主觀能動性，讓學生自己根據個人興趣愛好去學習和探索，同時也加深了學生對理論知識的理解與應用能力。

（五） 考核方式的改革

工程認證背景要求對學生的能力進行多維化綜合評價，而不是單單對理論知識點的片面理解。在原有的出勤+課后作業+期末考試的考核方式基礎上增加課堂回答問題、課程專題討論和課程期末論文環節，逐步加大課堂回答問題、課程專題討論和課程期末論文的評價比例，削減出勤和期末考試的比例，通過OBE的理念真正做到以學生為中心，調動學生的學習興趣和參與度。課程結束后以在線匿名調查問卷的形式讓學生對課程的教學模式方法，評價考核辦法等給出建議，對課程進行持續改進。

三 結語

OBE理念是將傳統的填鴨式的以教師為中心的教學模式轉向“以學生為中心”的教學模式，鼓勵師生之間密切溝通、協同合作、共同實施課程教學改革方案，最后達到提升教學目標的達成。材料分析測試技術是材料類專業的重要課程，借助OBE理念通過上述課程的教學改革，激發學生的學習興趣，提高學生的參與度，加深學生對材料分析測試技術理論知識的理解。進而提高學生獨立思考、分析問題、解決問題和創新的能力，最終提高學生的就業競爭力。