功能材料專業《材料現代分析技術及實驗》課程教學實踐與探討

＊姚霞喜 胡秀麗 王旭紅 劉龍飛

（常熟理工學院材料工程學院 江蘇 215500）

《材料現代分析技術及實驗》是我院功能材料專業的核心課程和學位課程，本課程重點介紹與材料相關的結構表征和性質分析手段，具有多學科交叉、知識面廣、實踐性強的特點，與材料制備、材料性能共同構成了材料類專業的三大課程群[1]。材料性能不僅由其成分組成決定，還受到其結構的影響，材料組成與結構的精確分析是揭示結構與性能之間潛在關系的前提，對材料結構設計與性能優化有著重要的指導作用。本課程主要內容包括X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡以及X射線光電子能譜等，通過本課程的教學，使學生掌握材料分析手段的基本原理、儀器結構、應用領域，能夠初步分析材料測試結果，針對具體問題能夠選擇適當的材料現代表征方法，為今后從事材料專業的研究和生產奠定必要的基礎。為提高《材料現代分析技術及實驗》課程教學質量、培養學生學習興趣、提升學生課程參與度，在多年教學積累的基礎上，探索多種教學模式，鞏固知識應用，以期培養材料類分析檢測的高素質應用型人才。

1.理論授課與實驗教學的相輔相成

《材料現代分析技術及實驗》課程理論性較強，重在讓學生掌握多種儀器分析技術的原理、組成結構以及應用領域，在實際過程中能夠選擇正確的表征手段并能分析實驗表征結果。對于未接觸過實際儀器分析的同學而言，存在課堂知識接受慢、抽象難懂、知識運用遷移不足的普遍問題，教師在理論授課過程中應注意邏輯結構的梳理、思維導圖的使用、背景知識的講解、以及材料分析共同點的凝練，并通過多種形式過程性考核及時發現學生學習過程中存在的問題，利用集中復習和課后答疑消除學生遇到的學習疑點。例如，針對本課程中涉及的材料現代分析方法，可按照物相結構、微觀結構、成分分析對其進行功能性分類，物相結構分析包括X射線衍射，微觀結構分析包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡，成分分析包括電子探針、X射線光電子能譜。材料分析模塊化教學有利于學生區分不同的測試技術、避免學生學習過程中出現知識點混淆。再者，在授課透射電子顯微鏡相關內容時，先介紹其發展的背景，由大家熟知的光學顯微鏡引申到電子顯微鏡，且兩者在結構上有很多相通之處，背景介紹及結構類比在一定程度上可消除學生對大型儀器的陌生感。

另外，通過“N+1”考核模式（N為課程學分數）可及時掌握學生學習情況，本課程為4學分，課程教學過程中通過平時作業、討論題、期中考試、實驗考核、期末考試等5種形式考察學生學習效果，形成過程性評價機制，針對集中出現的問題可通過復習、答疑的方式有效解決。此外，實驗教學是本課程不可或缺的一部分，實驗教學采用分組教學通過儀器現場觀摩、儀器構成介紹、樣品制備、儀器測試及結果分析等過程可讓學生在理論知識儲備的基礎上進一步分析實際問題，將知識學習、知識應用、甚至是知識遷移有機聯系到一起。本課程實驗教學穿插在理論課教學過程中，一般在相關理論授課結束后即安排實驗教學，實驗教學可培養學生動手操作能力、獨立思考能力、小組協同合作能力及實際問題分析解決能力[2]。部分儀器表征可安排學生分組動手操作測試，在實際實驗過程中讓學生切身體會如何將理論知識應用到實踐過程中。理論授課為實驗教學提供理論基礎，實驗教學為理論授課提供應用驗證，二者相輔相成，理論授課與實驗教學相結合的模式是本課程教學的特色與關鍵（圖1）。

圖1 《材料現代分析技術及實驗》課程教學概述

2.運用虛擬仿真實驗平臺鞏固知識運用

本課程涉及的分析方法多為大型儀器，需經過專業培訓才能上崗操作，且多種儀器外有防護罩，實驗教學過程中學生對儀器內部結構感官較少，部分實驗教學依然存在較為抽象、學生參與度不高的難題。針對這一問題，本課程教學過程中引入了虛擬仿真實驗平臺，虛擬仿真實驗涉及到每位學生動手操作，包括實驗準備、實驗原理、樣品制備、儀器操作、數據處理等，且包含儀器內部結構的動畫模擬，分解清晰，彌補了大型實驗儀器硬件不足及本科生無法操作的缺憾。學院目前與大連理工大學合作，引入MLabs虛擬仿真實驗平臺，同時結合實驗空間-國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺提升學生對實驗設備的認識，增強學生對材料分析技術的理解，本課程共開展了X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、X射線光電子能譜、以及熱重六個虛擬仿真實驗項目。同時，利用課程項目組可監測虛擬仿真平臺學生端完成情況，起到實驗考核過程性評價的作用。虛擬仿真實驗具有不受場地環境限制、無需實驗耗材投入、學生可反復操作、安全性高、實驗效率高等優點，也可為線上實驗教學提供支撐，突破了傳統的實驗教學模式，提升了學生參與的積極性，有效改善了實驗教學效果[3]。

虛擬仿真實驗平臺的運用豐富了實驗教學內容，優化了實驗教學形式，可充分保證每位學生的使用，資源分配均衡，學生可準確把握儀器設備操作規程，通過反復模擬可掌握樣品測試技巧；同時，教學資源標準化、規模化，有利于系統性教學的推進和課程教學效率的提高。線下實驗教學與線上虛擬仿真平臺的有效融合可進一步弱化本課程理論性強的特點、突出本課程實踐性強的特色。多種實驗教學手段和模式的引入可對功能材料專業學生形成全方位的引導和影響，幫助學生合理利用課后時間，鞏固知識運用，突破教學重難點，增加實驗教學體驗感，不斷加深學生對本課程知識體系、教學目標、以及課程達成度的理解，對應用型人才實踐能力的培養具有重要的作用和意義。

3.金項化教學培養學生解決復雜工程問題能力

知識的學習與積累最終在于應用，本課程的應用性特點突出，材料現代分析技術貫穿于材料生產與材料研發的整過程。傳統的理論課教學停留在知識的授課階段，教師占主導作用，對學生應用能力的培養較欠缺。成果導向（OBE）的教育理念目前已成為教育改革的主流，并貫穿于工程教育認證的始終，課程教學方案和教學活動的開展圍繞培養學生預期目標來反向設計，聚焦于學生受教育后獲得的能力和對學生的培養[4]。理論課程的授課容易使學生覺得知識枯燥，造成學習興趣下降，難以形成有效的知識遷移，本課程通過項目化教學模式的引入將理論知識與實踐操作結合起來，著重培養學生解決復雜工程問題的能力。項目化教學通過教師提出企業面臨的具體實際問題，經與同學討論后制定相應的計劃，并根據具體任務完成學生分組和分工；進而，學生通過理論課程知識運用和文獻資料調研提出擬采取的解決方案并說明具體的可行性；教師根據小組匯報與討論，給出具體的指導建議與評價；最后將整個過程記錄、歸檔用作本課程過程性評價的材料之一（圖2）。項目化教學以學生為主體，教師為引導，通過小組團隊配合完成課程教學任務，既培養學生的實踐操作能力、課程知識理解能力，也培養了學生團隊協作、溝通能力。

圖2 項目化教學的實施過程

本課程項目化教學采用的一個典型案例如下：某企業以鈦鐵礦為原料，用硫酸分解，然后通過除鐵后經水解而制得白色二氧化鈦粉末，該企業現需對制得的TiO2粉末產品的物相結構、微觀結構、表面元素組成、光學性質進行表征，并判斷鐵成分是否去除干凈，要求學生根據課程內容提出可行的材料分析表征方案，并對其原理和應用作出說明。項目化教學的實施可幫助教師清晰地判斷學生對課程知識的掌握情況、課程目標的達成情況，有效地將專業知識與企業面臨的問題結合起來，學有所用，學以致用，項目化教學還可以將本課程所學多種測試方法有機地融合到一起，最終達到培養學生解決復雜工程問題的能力[5]。

4.鼓勵學生參與創新訓練，實現教學推動科研，科研促進教學

教學是科研的基礎，科研是教學的目的，二者共同發展對于教學和科研的提升具有雙重意義。本科生科研創新訓練的開展可有效提升本課程的教學效果，功能材料專業一直重視本科生創新訓練課程的開設，本科生在創新訓練過程中潛移默化地接受創新意識、科研思想的熏陶，創新能力的培養也是適應快速發展的現代化社會的需要[6]。一般安排每位專業教師指導2～3名本專業學生，大一下學期主要從事文獻調研、課題擬定工作，大二上學期制定實驗方案、并優化材料的合成工藝，大二下學期著重材料結構分析和性能測試。本課程教學設置在大二下學期，與其創新訓練進度要求保持一致。學生在學習本課程材料現代分析技術的過程中可以將多種表征手段創造性地運用到創新訓練當中，以解決課題研究過程中遇到的材料成分、物相結構、以及微觀結構分析問題；反之，學生在創新訓練過程中參與的相關材料表征、數據結果處理過程可進一步加深他們對本課程教學內容、教學目標的理解。

同時，學生在創新訓練過程中接觸到的新技術、新方法也可引入到課堂中，拓寬學生們的視野，緊跟科學前沿，不斷更新完善課程知識體系。近三年，功能材料專業學生共獲大學生創新訓練省級項目7項，校級項目31項，院級項目31項，學生參與度高，覆蓋面廣、創新成果突出，學生參與發表學術論文30余篇。創新訓練的實施有效弱化了本課程理論性強的特點，學生對知識點的理解更為透徹，課程在材料科學中的應用性目標更為明確。多次課程考核結果也說明充分參與創新訓練的同學成績較為優異，《材料現代分析技術及實驗》課程教學與本科生科研創新訓練之間的協同發展，可有效實現教學推動科研，科研促進教學的共贏效果。

5.結語

《材料現代分析技術及實驗》是本專業的核心課程，在教學過程中不斷引入新的教學模式，將理論性的知識實踐化、項目化，增加學生課程參與度，激發學習興趣，變被動接受為主動吸收。通過理論與實驗相結合、虛擬仿真平臺的引入、項目化教學案例實施、創新訓練的參與以及多模式過程性評價機制的實踐改革，教學效果和質量總體上得到大幅提升，教學內容的設計更合理地服務于課程目標的達成。教學的改革與探索對專業教師也提出了更高的要求，教師需要不斷學習新的教學方法，掌握世界材料前沿研究動態，更新課程教學內容。同時，要努力提升個人綜合素質，以身作則，踐行本科院校“立德樹人”這一根本教育任務，為培養高素質專業人才做出應有的貢獻。