《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)改革與探討*

李必慧，楊海平，倪 靜，趙雙琪

(湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的材料不斷涌現(xiàn)，對這些新材料的表征離不開大型精密儀器，而大型精密儀器是高校和科研院所開展科學(xué)研究和教學(xué)工作的基礎(chǔ)。因此，《材料研究與測試方法》及相關(guān)課程成為材料類專業(yè)本科生乃至研究生的必修課程之一[1]。該課程可以使學(xué)生了解和掌握材料成分分析和結(jié)構(gòu)表征的方法，為以后學(xué)生的就業(yè)和獨(dú)立開展科研工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)[2]。《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》是《材料研究與測試方法》對應(yīng)的實(shí)踐課程，能夠鞏固和加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)研究興趣。本文作者結(jié)合近年來實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，指出了《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程中存在的問題，并有針對性地提出了教學(xué)改革措施。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及分析

湖北工程學(xué)院(以下簡稱“我校”)是一所地方性本科院校，作者所在的化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院目前有材料化學(xué)、材料科學(xué)與工程和高分子材料與工程三個材料類工科專業(yè)。《材料研究與測試方法》及《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》是我校材料類專業(yè)的主干課程，安排在第5學(xué)期，分別是48學(xué)時和24學(xué)時，主要介紹了X射線衍射分析、電子顯微分析、綜合熱分析及光譜分析等儀器的原理、操作及結(jié)果分析。經(jīng)過多年的發(fā)展，我校已擁有X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、熱分析儀，各類光譜分析儀和色譜分析儀等大型儀器，且每臺儀器有專人操作和維護(hù)，基本上涵蓋了《材料研究與測試方法》課程中介紹的儀器，使得實(shí)驗(yàn)課能正常進(jìn)行。但是在教學(xué)過程中，一直存在下面的問題：

1.1 學(xué)生課堂參與度低，學(xué)習(xí)熱情不高

《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程一般從以上儀器中選出8臺，以每次課3學(xué)時來完成學(xué)習(xí)。大型儀器價格昂貴，購買和維護(hù)成本高，因此，早期實(shí)驗(yàn)課以教師講授，演示為主，少量學(xué)生作為代表簡單操作儀器，課程上完后很多學(xué)生沒有印象。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生不能動手操作，長此以往，學(xué)生對該課程會逐漸失去興趣。

1.2 儀器臺套數(shù)不足，生均學(xué)時少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少

大型儀器由于價格昂貴，很多儀器只有一臺，學(xué)生必須分組并排隊等候方能上機(jī)操作。由于學(xué)生人數(shù)眾多，等待時間可能遠(yuǎn)大于上機(jī)時間，這樣實(shí)驗(yàn)中落實(shí)到學(xué)生的生均實(shí)驗(yàn)時間很低，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏少。學(xué)生在等待操作儀器時，會小聲說話，或者玩手機(jī)，課堂秩序較差。

1.3 教師負(fù)擔(dān)重，疲于應(yīng)付，教學(xué)效果差

大型儀器的操作比較復(fù)雜，在制樣及結(jié)果分析中還需操作者具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程涉及的儀器種類多，而不同的研究領(lǐng)域，常用的儀器不同，因此同一個教師不可能精通所有儀器。由一個教師單獨(dú)上該課程，教師在課前要花大量的時間熟悉儀器，在講授過程中又由于平時應(yīng)用不多而缺乏實(shí)例，不僅教師負(fù)擔(dān)重，而且教學(xué)效果也不佳。

2 課程改革與措施

作者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對本校《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程的教與學(xué)，從以下三個方面提出改革：

2.1 小班化教學(xué)

小班化教學(xué)模式就是在控制班級人數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)[3]。這種教學(xué)模式具有優(yōu)于大班教學(xué)的時空及資源條件，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，增加了師生比例，且教師有足夠時間對學(xué)生進(jìn)行個別指導(dǎo)[4]。

本校考慮學(xué)生的人數(shù)和專業(yè)，將其分為8組，每組人數(shù)在15～20人之間，進(jìn)行小班化教學(xué)。每次課同時開設(shè)8臺儀器的實(shí)驗(yàn)，每位老師只需負(fù)責(zé)一臺儀器的教學(xué)，學(xué)生每次進(jìn)不同的實(shí)驗(yàn)室上課，每周依次循環(huán)來完成學(xué)習(xí)。如果遇到非通用儀器，學(xué)生循環(huán)和儀器會稍作調(diào)整。另外，針對不同的專業(yè)，每臺儀器對應(yīng)的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容會根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)稍作調(diào)整。如對于實(shí)驗(yàn)《X射線衍射定性分析》，關(guān)于儀器的原理和操作方法的講解每組都相同，但在具體測試中會考慮專業(yè)特點(diǎn)分別提供無機(jī)或聚合物樣品給學(xué)生測試。在結(jié)果分析部分，會依據(jù)峰形和峰位進(jìn)行分析，確定樣品的物相。最后與學(xué)生一起總結(jié)無機(jī)材料或高分子材料的X射線衍射圖譜的特點(diǎn)。

采用小班化教學(xué)后，每位教師只用教授一臺儀器對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以全身心地投入，利用豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)教學(xué)；而對學(xué)生來說，在同樣的時長內(nèi)，每人上機(jī)時間延長了，通過對儀器及測試條件的摸索能留下更深的印象。小班化教學(xué)已在本門課程教學(xué)中實(shí)施，教學(xué)中既減輕了教師的負(fù)擔(dān)，又改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.2 混合式學(xué)習(xí)

混合式教學(xué)是一種將面對面的傳統(tǒng)教學(xué)和新興的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)優(yōu)勢結(jié)合的一種教學(xué)模式，可以更好地發(fā)揮教師在教學(xué)中的引導(dǎo)、啟發(fā)等主導(dǎo)作用，更好地發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性和積極性[5]。預(yù)習(xí)是實(shí)驗(yàn)課前的必要環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)和儀器場地的限制，學(xué)生沒有接觸儀器而使預(yù)習(xí)效果不佳。在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》可以依托學(xué)習(xí)通與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展線上教學(xué)，這可以作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。線上以知識學(xué)習(xí)為主，儀器操作訓(xùn)練為輔。新課之前，教師提前在學(xué)習(xí)通中發(fā)放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括儀器的原理和基本結(jié)構(gòu)，操作方法視頻等內(nèi)容。學(xué)生在上機(jī)操作前必須完成上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)，這就讓學(xué)生在上機(jī)等待過程中有事可做。

價格昂貴的大型儀器一般只有一臺，且儀器的維修經(jīng)費(fèi)少、周期長。很多儀器的實(shí)驗(yàn)參數(shù)不能讓學(xué)生改變以避免儀器的人為損壞，這就影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過計算機(jī)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，完成一些在線下實(shí)驗(yàn)室不便于完成的內(nèi)容。我校的“材料化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”為省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，配備了較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲器。目前我校已與公司合作開發(fā)了“高效過濾材料設(shè)計和應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件”，后期經(jīng)過進(jìn)一步合作，可開發(fā)本課程實(shí)驗(yàn)所需的虛擬仿真軟件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到儀器的原理，儀器結(jié)構(gòu)等基本內(nèi)容，同時設(shè)置了一些不便于調(diào)節(jié)的參數(shù)，豐富和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容互動性較強(qiáng)，可選擇性強(qiáng)，也可實(shí)時反饋輸出信息，方便學(xué)生自主探索調(diào)節(jié)技術(shù)及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題，具有一定的可延展性和可探究性。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為線下實(shí)驗(yàn)課的補(bǔ)充，可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

通過混合式學(xué)習(xí)的方式，合理利用學(xué)生等待上機(jī)時間，解決了大型儀器臺套數(shù)不夠，生均實(shí)驗(yàn)時間不足的問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)通上對提前發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，再利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟悉儀器的基本操作和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)，能提高后續(xù)上機(jī)實(shí)物操作的學(xué)習(xí)效率。這種混合式學(xué)習(xí)既補(bǔ)充和深化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，又發(fā)揮了以學(xué)生為本的教育理念。

2.3 分組化數(shù)據(jù)處理與分析

學(xué)生在完成了線上學(xué)習(xí)和上機(jī)操作后，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。目前，不管是畢業(yè)論文中，還是公開發(fā)表文章，都需要將各種數(shù)據(jù)通過軟件繪圖，因此學(xué)生必須掌握常用軟件如Jade、Origin的使用，為將來的論文及就業(yè)做好準(zhǔn)備。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，采用小組比賽的形式，4～5人一組，記錄小組繪圖時間，評價圖片效果。最后對圖片進(jìn)行分析和討論，并將結(jié)果計入學(xué)生平時成績中。學(xué)生分組后，在最短的時間內(nèi)通過組內(nèi)合作進(jìn)行繪圖和分析，組外同學(xué)通過互評和討論發(fā)現(xiàn)問題，提高了學(xué)生的參與度，有利于提升學(xué)生的分析和解決問題的能力。

3 結(jié) 語

通過分析湖北工程學(xué)院材料類專業(yè)《材料研究與測試實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出了小班化教學(xué)，混合式學(xué)習(xí)，分組化數(shù)據(jù)處理和分析等基本措施，解決了學(xué)生上課積極性差，儀器臺套數(shù)不足，生均上機(jī)時間短，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠飽滿等問題。該課程的教學(xué)改革是一項長期的工程，我們需要結(jié)合不同時代學(xué)生具有的特點(diǎn)，不斷開創(chuàng)適應(yīng)性較強(qiáng)的教育教學(xué)新思維和新方法，逐步提高教學(xué)質(zhì)量。