以專業人才能力培養為導向的納米材料研究方法課程教改實踐

蔡艷芝

(西安建筑科技大學 材料科學與工程學院，西安 710055)

精密儀器和先進的分析技術是研究納米材料的關鍵方法和手段，在納米科技的發展史上占有重要地位。西安建筑科技大學針對納米材料專業開設了納米材料研究方法課程，該課程是工科納米材料專業本科生及研究生開展科學研究工作重要的前置專業課程。該課程在納米材料專業學生的培養方案中舉足輕重，其對提高本科生的專業科研能力，激發創新思想發揮積極作用，對本科生畢業后從事科學研究及技術開發工作也具有重要意義。

本課程以納米材料專業人才能力培養為教學目標，具體包括：使學生掌握納米材料的研究對象(包括晶體結構、分子結構、元素成分、化學組成、微觀形貌和本征性能等)及其主要分析測試技術的基礎理論知識；掌握主要測試設備和模擬軟件的工作原理、構造和操作方法；具備設計和實施納米材料領域分析測試實驗的能力，并能夠對實驗數據進行分析與解釋，得到合理有效的結論；針對納米材料領域復雜的工程問題，能夠選擇、應用恰當的技術和工具，能夠搭建合適的實驗平臺，對其進行合理的預測和模擬。

目前，國內眾多工科院校均在本科生高年級開設關于材料現代分析方法的課程，并在優化課堂教學內容、加強理論聯系實際及突出應用技能培養方面進行了一系列教學改革與實踐。然而，該課程往往作為各專業的通識課程，針對不同專業特色性不強，而且教學方法偏傳統。在這個飛速變化的世界，科技的發展使學習方法和渠道發生了重要變革，網絡課程和在線教育等非正式教學模式對傳統的教學方法產生了沖擊，要求教學具有專業特色，能夠體現出納米材料專業人才能力培養的教學目標，且傳授知識的方式具有創新性。

筆者從事材料研究方法課程的教學近10 年，針對納米材料專業開設的研究方法課程，從以下幾方面淺談教改經驗。

一、強化專業特色

(一)授課內容體現納米材料的專業特色

人類對客觀世界的認識分為微觀領域與宏觀領域兩個層次。在這兩個領域之間，還存在著一塊介觀領域。納米體系屬于介觀領域的范疇。納米是十億分之一米，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1～100 nm)或由其作為基本單元構成的材料，這大約相當于10～100 個原子緊密排列在一起的尺度。在納米尺度范圍，材料表現出與宏觀和微觀領域不同的許多奇異、嶄新的獨特性能，如體積效應、表面效應、量子尺寸、量子隧道和介電限域，近年來引起了人們的極大興趣，成為國際國內十分活躍的前沿研究領域。這種非微觀、非宏觀的中間領域是人類認識世界的新層次，標志著人類的科學技術進入了一個新時代——納米科技時代。

對納米材料的表征方法應與其特殊的結構和性能相適應。在教學內容上要體現納米材料的專業特色，把教學重點放在納米材料的分析測試方法及其儀器上。除了常規光學顯微鏡分析、掃描電鏡和透射電鏡外，還需引入聚焦離子束掃描電鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等高分辨率電子顯微鏡；除了常規的X 射線衍射能譜分析外，還需引入X 射線光電子能譜、俄歇電子能譜和二次質譜離子分析等；光譜分析除了常規的紅外光譜和拉曼光譜外，還需引入紫外可見光譜、熒光光譜等。

(二)實驗教學體現納米材料的專業特色，使實驗技能與思維能力并重

納米材料研究方法課程的學習一方面包含范圍很廣的知識的學習；另一方面，也包括很強的技術和實踐能力，必須使知識與實踐技能配合起來，在實踐中發揮知識的功能。每一章節都要有配套實驗，實驗室除了配備常規測試儀器外，還需配備一些專門的納米材料測試儀器，即使個別實驗因缺少相關設備，也應有相應的虛擬仿真實驗，使學生在親身實踐中體會納米材料結構與性能的特殊性。

納米材料研究方法課程的實驗教學應從兩方面培養學生的技能，一是實驗動手能力，二是思維能力。丹麥天文學家第谷用30 年的時間精密觀察了行星的位置。第谷長于實驗觀察，卻短于理論研究。與第谷相反，德國天文學家開普勒不善觀察，卻善于理論思維。第谷與開普勒精誠合作，引導了行星運動三定律的發現，是實驗與思維相結合的典范。沒有實驗，思維將成為空想；沒有思維，實驗至多能夠積累經驗，卻無法探究事物的本質。因此，納米材料研究方法課程的實驗教學要將實驗技能與思維能力并重，既能動手，又能動腦。將學生分組，要求每組學生自行設計實驗方案，每個學生要有充分的親自動手和表現自己能力的機會，并對實驗數據作出合理分析，得出有效結論，并將實驗過程和理論分析結果整理成實驗報告和論文。在此過程中學會如何思考，并將思考變成一種習慣。

(三)需加強本課程與其他納米材料專業課程的橫向聯系

任何一門課程都是本專業課程中的一個分支，都不是孤立存在的，而是相互關聯的。授課教師通過對納米材料專業相關主干課程的梳理與總結，在教學的各環節注重建立與其他重要專業課程的有機聯系，實現融會貫通，全面提高本科生的綜合專業水平，構建完整的納米專業知識體系，達到素質教育與能力教育的目的。以納米材料研究方法與納米材料制備技術兩門課程的有機聯系為例，納米材料的組織結構及組成取決于其合成與制備技術，且決定了其性質和使用性能；反過來，性質和使用性能又能反饋指導納米材料制備理論及工藝的優化和完善。這些因素之間的相互關聯如圖1 所示。納米材料的組織結構、組成及性能的測試方法來自納米材料研究方法課程的教學內容，而其制備方法、原理及工藝設計來自于納米材料制備技術課程的授課內容。

圖1 納米材料各要素關系圖[9]

二、創新教學方法和模式

教師的課堂授課，應充分調動學生的興趣、志向、壓力和成就感等多種元素。教學過程其實是教師與學生都不斷學習和創造的過程，也是促進師生共同成長的過程，要使學習成為一種習慣和一種樂趣。

(一)教科書不應只是課程所用教材的唯一形式

李時珍是我國乃至世界上偉大的藥學家，他所著的《本草綱目》是國際上一致推崇和引用的主要藥典。李時珍的主要學習方法是“搜羅百氏”和“訪采四方”，其中“搜羅百氏”就是充分調研文獻資源，而“訪采四方”是指深入實踐。因此，本課程如前述充分重視學生的實踐能力之外，還要給學生提供教科書以外的豐富的學習資源，如網頁、電子圖書、期刊文獻、專利和學位論文等都可成為輔助教材或拓展教材，而且把典型例題及難點和重點內容講解制成微課視頻，以供學生課后學習。

買書不如借書，在寬趟明亮的教室里的學習效果反而不如鑿壁偷光的學習效果。容易失去的資源才懂得珍惜。教學資源發布后，并不是一直掛在網上，而是定期刪除并更新，這樣可激勵有惰性的學生及時學習，且可不斷滿足高效學習的學生獲取新知識的來源。

(二)給學生一定的學習壓力

建立課程學習交流群，教師定期在群里發布思考題，讓同學們通過自學或協作學習完成思考題，學生互評或教師評價學生完成思考題的情況，如果是學生互評，教師要對作出評價的學生的評價水平作出評價。不定期進行小測驗，以抽取考題并抽取考生名單的形式，現場口答，這樣所有學生在無預先通知的情況下無形中增加了學習的動力。

(三)采取研討式教學并引進翻轉課堂

學生聽講和閱讀文獻都屬于被動學習。美國緬因州國家訓練實驗室的研究表明，通過聽講獲得的學習內容平均殘留率僅為5%，通過閱讀獲得的學習內容平均殘留率也僅為10%；然而，討論和教授給他人卻是主動學習的類型，通過討論獲得的學習內容平均留存率提高到50%，而教授給他人獲得的學習內容平均留存率高達90%，屬最佳主動學習模式，如圖2 所示。

圖2 學習效果金字塔

對于一些比較重要但難度不大的知識點，教師可引導學生自學后講授給其他學生，鼓勵學生把現實生活中的納米材料及其研究方法引進課堂。學生在給他人講解明白一個知識點之后自己也會獲得成就感。使傳統“教室”變身為“會議室”，課前發布討論專題，教師授課采用課堂講授與互動討論相結合。學生在課前通過閱讀文獻資料了解專題并尋求答案，做好討論準備。課堂上師生互相討論，或學生分組互相討論，甚至是師生相互辯論或學生相互辯論，在辯論中學習。

三、科學評價學生的學習效果

考核是教學的一個重要環節，可反映學生對課程的掌握效果。目前的考核形式過于單一，主要為試卷、考勤和作業相結合的形式，缺少過程考核。其次，目前該課程的考試內容主要是教材中的基本知識和基本技能，往往記憶性成分所占比重較大，而針對學生運用所學知識分析解決實際問題等綜合能力的考核比重較小。學生的成績受到考題的難易程度和個人復習范圍的影響，甚至出現成績與學習能力不對等，也與未來的科研能力不對等，不利于教學質量的真正提高，不利于培養具有創新能力的人才。

(一)加大過程考核比例，考核形式多樣化

改革考核評價形式，以“會學習、善思考、能應用、有創意”作為考核標準。本課程將加大過程考核成績所占比例，使過程考核比例達到40%～60%，考核形式更加多樣化，如圖3 所示，過程考核既包括傳統的考勤和作業成績，還包括課堂討論等階段考核成績，注重探討與互動，注重考察本科生樣品制備、數據分析與解釋等實用化知識與能力。

圖3 學習效果評價元素圖

每一章節學完后，都要設置單元測試，可采取線上測試，建立題庫，每次測試，從題庫中隨機抽題，每一道題都設有規定的答題時間。教師課堂授課時亦設置隨堂測驗題。這些平時測試的題量不宜太大，考試時間不宜太長，以10～20 分鐘為宜。課堂上的專題討論力求“活”題“活”用，根據學生的討論情況計分。課堂隨機提問，根據學生回答問題情況計分。該課程每一章節都有配套實驗，每次實驗根據學生的實驗方案設計、實驗操作技能和實驗報告撰寫情況計分。每一項分值取平均值，作為該項最終得分，然后按照每項得分乘以其在總評成績中所占比例，即得到每個學生的總評成績，作為該學生對該門課程學習效果的最終評價，如公式(1)和公式(2)所示。

總評成績=期末考試成績×期末考試成績占比%+過程考核成績×過程考核成績占比%。 (1)

過程考試成績=單元測試成績×單元測試成績占比%+隨堂測試成績×隨堂測試成績占比%+課堂考勤成績×+課堂考勤成績占比%+專題討論成績×專題討論成績占比%+作業互評成績×作業互評成績比%+課堂提問成績×課堂提問成績占比%+實驗成績×實驗成績占比% 。 (2)

(二)增加期末考試主觀題比例

該門課程的期末考試為閉卷考試。考試內容更加注重對課程知識點綜合應用能力的考核，進一步增加非標準答案試題的比例，鼓勵學生創新，通過考核最大限度地激發學生的批判思維和獨立思考能力。

四、充分研究教改對學生學習效果的影響，建立持續改進機制

為了分析教改對學生學習效果的影響，對學生的每一項測評成績分析不同學年間的漲落情況，圖4 為近幾年三項能力測評的漲落統計圖，可看出學生對基本技能的掌握程度逐年提高。并且，為了掌握每位學生針對各個教學目標的達成情況，以所有參加課程考核的學生為基準，調研每位學生對于教學目標的達成度，圖5 所示為最近某學年某班級所有學生總評成績某一教學目標達成度統計圖，表1 為最近某學年的期末考試試卷分析所獲得的教學目標達成度評價表(參數A、B、C 和D 的計算方法見公式(3)—公式(6))。這些圖表的統計數據表明教改實踐使學生的學習取得了較好的效果。教師根據達成度評價報告，進一步改進教學方法、內容和考核等環節，以便學生更好地達到教學目標。

圖4 測評成績不同學年間漲落統計圖

圖5 某學年總評成績某項教學目標達成度統計圖

表1 某學年期末考試試卷分析教學目標達成度評價表

式中：A為每一道小題的分值，m 為符合某一教學目標的小題總數量。

其中，B為第j 個同學第i 道小題的得分，n 表示抽樣的樣本總數，即學生總人數。

式中：C為第k 個教學目標的達成度，N 為教學目標個數。

五、結束語

本文以納米材料專業人才能力培養為教學目標，從強化專業特色、創新教學方法與模式、科學評價學生的學習效果和建立反饋與持續改進機制等方面對納米材料研究方法課程進行了教改探索與實踐。分析了納米材料及其研究方法相對于常規材料的特殊性，深入剖析了教與學的科學規律，提出了具體的教改思路和切實可行的實踐方法，并系統研究了教改對學生學習效果的影響。這些教改實踐激發了學生的學習興趣和潛能，獲得較高的教學目標達成度。