制造專業(yè)“組織分析測試”課程教學(xué)改革探索

劉春輝 馬培培

［摘 要］ 由于當(dāng)前制造學(xué)科課程中關(guān)于組織分析部分的教學(xué)存在著與國家戰(zhàn)略需求聯(lián)系不緊密以及學(xué)生融會(huì)貫通能力弱的問題，因此提出將國家重大需求以案例形式融入組織分析測試專業(yè)教學(xué)，建立了與組織分析相關(guān)的典型國家重大需求案例庫，探索了“國家重大需求導(dǎo)入—討論—理論教學(xué)—實(shí)踐應(yīng)用”的教學(xué)模式。教學(xué)改革提升了學(xué)生知識(shí)貫通和解決問題的創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)具有解決問題能力和使命感強(qiáng)烈的工程制造專業(yè)本科生有著重要意義。

［關(guān)鍵詞］ 組織分析；教學(xué)改革；國家需求

［基金項(xiàng)目］ 2022年度中南大學(xué)校級(jí)本科教改項(xiàng)目“面向國家重大需求的組織分析測試課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（2022jy020-2）；2020年度中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院課程思政建設(shè)項(xiàng)目“政課互融—以卡脖子問題推動(dòng)專業(yè)知識(shí)教與學(xué)”

［作者簡介］ 劉春輝（1987—），男，河南駐馬店人，博士，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（輕合金研究院）副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事輕質(zhì)材料及構(gòu)件形性協(xié)同制造研究；馬培培（1989—），女，山東濟(jì)南人，博士，中南大學(xué)高等研究中心實(shí)驗(yàn)師（通信作者），主要從事微納制造和分析測試及教學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）36-0063-04 ［收稿日期］ 2022-08-01

一、課程教學(xué)改革的背景和意義

在“中國制造2025”、工程教育專業(yè)認(rèn)證和“雙一流”建設(shè)等背景下，工程科學(xué)與技術(shù)教學(xué)體系的優(yōu)化與完善是當(dāng)前教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2021年4月，習(xí)近平總書記在清華大學(xué)考察時(shí)強(qiáng)調(diào)，一流大學(xué)是基礎(chǔ)研究的主力軍和重大科技突破的策源地。要圍繞國家重大需求打造國家戰(zhàn)略科技力量，面向國家重大需求的內(nèi)涵式教學(xué)改革有益于培養(yǎng)解決問題能力強(qiáng)和使命感強(qiáng)烈的工科專業(yè)本科生。

“組織分析測試”課程涉及材料晶體學(xué)、物理學(xué)、機(jī)電儀器等多學(xué)科知識(shí)，其主要教學(xué)內(nèi)容是光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍射技術(shù)等常見分析測試方法，以及掃描探針、離子顯微鏡等儀器設(shè)備的原理和應(yīng)用［1-2］。該課程是材料等專業(yè)本科生和研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是新工科背景下制造學(xué)科的選修課程。中南大學(xué)材料和機(jī)械制造學(xué)科均屬于國家重點(diǎn)學(xué)科，在學(xué)科評估中處于A類，擁有國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，具有圍繞國家重大需求進(jìn)行科研的長期傳統(tǒng)［3］。“組織分析測試”課程的學(xué)習(xí)是提高材料、制造學(xué)科學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐能力的重要基礎(chǔ)，具備必要的組織分析測試能力對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和研發(fā)能力有著重要的推動(dòng)作用。微觀組織分析原理、技術(shù)和應(yīng)用涉及多學(xué)科的知識(shí)，對教師的理論知識(shí)、動(dòng)手能力和工程經(jīng)驗(yàn)有著較高的要求［4］。該課程具有理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)，將材料微觀分析測試方法類課程與國家重大需求工程實(shí)際相結(jié)合，將培養(yǎng)學(xué)生提出、分析和解決問題的能力貫穿整個(gè)教學(xué)階段，有利于學(xué)生工程科學(xué)素養(yǎng)和微觀組織分析實(shí)踐能力的綜合提升。

目前國際競爭形勢嚴(yán)峻，我國面臨的多種“卡脖子”技術(shù)問題很多是材料和制造學(xué)科問題［5］，這為組織分析測試類課程提供了生動(dòng)的素材。面向國家重大需求，結(jié)合“卡脖子”問題和國際前沿，在此前提下推動(dòng)教學(xué)改革有望解決目前組織分析測試類課程的教學(xué)弊端。筆者探索了一種面向國家重大需求的內(nèi)涵式教學(xué)模式，在組織分析測試類課程教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)方式和課后作業(yè)等關(guān)鍵要素上進(jìn)行改革。根據(jù)“組織分析測試”課程的基本原理，提煉材料和制造學(xué)科面臨的國家重大需求問題，建立二者緊密結(jié)合的課程內(nèi)容，在幫助學(xué)生理解材料、制造學(xué)科的理論課程的同時(shí)結(jié)合各種分析測試方法，使教學(xué)理論和實(shí)踐與國家需求緊密結(jié)合，在提高學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用和工程實(shí)踐等方面的分析和解決問題能力的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷。

二、制造學(xué)科“組織分析測試”課程教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)改革需求

中南大學(xué)制造學(xué)科開設(shè)有“構(gòu)件組織性能與殘余應(yīng)力測試基礎(chǔ)”“微納器件測試與可靠性”等課程，教授對象包括材料—制造實(shí)驗(yàn)班、機(jī)械制造專業(yè)兩個(gè)班和微電子科學(xué)與工程兩個(gè)班學(xué)生。授課一直采用理論授課為主結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，以鞏固學(xué)生對課程知識(shí)的掌握和應(yīng)用，但該類課程教學(xué)存在一定弊端。例如，過多依賴教材和比對答案式學(xué)習(xí)，限制了學(xué)生的思考、創(chuàng)新能力；與學(xué)科內(nèi)其他課程及工程實(shí)際聯(lián)系薄弱，在培養(yǎng)學(xué)生融會(huì)貫通的能力上受限；課程教學(xué)案例老舊，與國家戰(zhàn)略需求聯(lián)系不緊密，無法起到課程引領(lǐng)效果；課堂氛圍沉悶，教學(xué)互動(dòng)性和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低。長期以來，“組織分析測試”課程存在著與國家戰(zhàn)略需求聯(lián)系不緊密以及學(xué)生解決實(shí)際問題能力弱的問題。

面向國家重大需求準(zhǔn)備案例實(shí)際上是案例式和情景式教學(xué)的一種特殊形式，課程教學(xué)通常先導(dǎo)入案例再進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，通過綜合評價(jià)效果和互換角色實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。從材料制備到構(gòu)件/器件完成的過程中物質(zhì)微觀組織發(fā)生持續(xù)的變化，需要在不同尺度（微米、納米和原子級(jí)）觀測和分析在制備、加工及服役條件下特征組織的演變，緊密結(jié)合制造鏈條和國家重大需求才能準(zhǔn)備好“組織分析測試”課程案例。2007年10月3日，美國國家科學(xué)基金會(huì)發(fā)布了名為《國家行動(dòng)計(jì)劃：應(yīng)對美國科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育體系的重大需求》的報(bào)告，這是典型的以提升國家競爭力為目的的系統(tǒng)性教學(xué)改革規(guī)劃。根據(jù)美國密歇根大學(xué)機(jī)械系畢業(yè)學(xué)生發(fā)展調(diào)查得出，連接式教學(xué)模式（A Model of Connected Teaching）即把教學(xué)當(dāng)成團(tuán)隊(duì)活動(dòng)而不是個(gè)別教師行為，可以顯著提升學(xué)生終身發(fā)展能力。德國也對教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容上采取“技術(shù)開放”策略，通過構(gòu)建靈活開放、融會(huì)貫通的課程體系保持教學(xué)與不斷發(fā)展需求之間的同步。2020年，習(xí)近平總書記提出，科技創(chuàng)新事業(yè)發(fā)展要堅(jiān)持面向國家重大需求。教育部、財(cái)政部、國家發(fā)展改革委印發(fā)的《關(guān)于深入推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的若干意見》，明確要準(zhǔn)確把握新發(fā)展階段戰(zhàn)略定位，全力推進(jìn)“雙一流”高質(zhì)量建設(shè)。2021年10月，由復(fù)旦大學(xué)主辦的2021年度“一流大學(xué)建設(shè)系列研討會(huì)”在上海舉行，圍繞“一流大學(xué)在強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量中的作用”和“提升服務(wù)國家重大戰(zhàn)略”等主題進(jìn)行了廣泛討論。華南理工大學(xué)以突破“卡脖子”技術(shù)和滿足國家重大戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向提出“新工科F計(jì)劃”，其中包括培養(yǎng)“三力”（學(xué)習(xí)力、思想力和行動(dòng)力）卓越的工科領(lǐng)軍人才。總的來說，國內(nèi)外頂級(jí)大學(xué)都在嘗試以國家重大需求為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)改革，但針對組織分析測試類課程的探索和實(shí)踐仍較少［6-7］，無法適應(yīng)新時(shí)代對“雙一流”高校教學(xué)的要求。

三、課程教學(xué)改革目標(biāo)與主要措施

（一）研究與改革目標(biāo)

為了提高國家競爭力，國家正大力扶持和發(fā)展空天運(yùn)載裝備和高端芯片等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量與我國在高科技領(lǐng)域的發(fā)展緊密相關(guān)，將國家重大需求以案例形式融入微觀組織分析測試專業(yè)教學(xué)，挖掘課程的知識(shí)和價(jià)值引領(lǐng)作用，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造“三位一體”的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)和政治素質(zhì)都過硬的紅專人才。本文探索組織分析教學(xué)的案例化和開放式教學(xué)模式，建立與微觀組織分析相關(guān)的典型國家重大需求案例庫，整合理論與實(shí)踐教育教學(xué)資源，形成教學(xué)資源庫，探索“國家重大需求導(dǎo)入—討論—理論教學(xué)—實(shí)踐應(yīng)用”的教學(xué)模式，提升本科生知識(shí)貫通和解決問題的創(chuàng)新能力。

（二）解決措施

1.建立國家重大需求與微觀組織分析結(jié)合的案例庫。“組織分析測試”課程蘊(yùn)含豐富的世界科學(xué)發(fā)展、現(xiàn)代高端儀器和國家發(fā)展需求等特色元素。授課過程中，將防微杜漸和見微知著等學(xué)科特色貫穿于其中，通過分析材料—制造領(lǐng)域國家重大需求案例，引起學(xué)生對微觀組織的高度重視。融入“中國制造2025”等概念，將課程內(nèi)容與重大需求恰到好處地結(jié)合，做到潛移默化。開發(fā)基于翻轉(zhuǎn)課堂的信息資源，并形成不斷優(yōu)化的資源庫。

2.挖掘組織分析類課程蘊(yùn)含的價(jià)值引領(lǐng)元素。挖掘價(jià)值引領(lǐng)元素是課程教學(xué)實(shí)踐改革的重點(diǎn)工作。要達(dá)成課程“三位一體”的教學(xué)目標(biāo)，須針對課程的特點(diǎn)將專業(yè)知識(shí)背后的價(jià)值、精神、思想挖掘出來，滲透到學(xué)生內(nèi)心。組織分析類課程與實(shí)際應(yīng)用息息相關(guān)，涉及國際對我國的技術(shù)封鎖和“卡脖子”問題，為了解決這些問題，挖掘了以下元素：愛國主義情懷，自信和擔(dān)當(dāng)；構(gòu)件精細(xì)控制意識(shí)，細(xì)致入微；大國工匠精神，不斷創(chuàng)新，攻堅(jiān)克難；職業(yè)素養(yǎng)，團(tuán)結(jié)合作。

3.研究“國家重大需求導(dǎo)入—討論—理論教學(xué)—實(shí)踐應(yīng)用”的教學(xué)模式。改革教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，將國家重大需求融入課程教學(xué)全過程，利用教學(xué)案例導(dǎo)入課程，通過研討國家急需解決“卡脖子”問題背后的科學(xué)技術(shù)問題引出“組織分析測試”課程的授課內(nèi)容，在講授相關(guān)理論后通過案例或?qū)嵺`檢驗(yàn)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力。根據(jù)教學(xué)效果優(yōu)化教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“圍繞國家重大需求”的內(nèi)涵式教學(xué)改革。

4.改革考核體系，為了學(xué)生全面發(fā)展提高課程的教學(xué)效果。根據(jù)具體案例和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，課堂教學(xué)與討論環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，通過QQ群和微信群等方式進(jìn)行課堂討論和案例推送。在討論的過程中，教師積極引導(dǎo)，在面向國家重大需求授課的過程中提高學(xué)生融會(huì)貫通組織分析測試?yán)碚摰哪芰椭R(shí)應(yīng)用的意識(shí)。

（三）教學(xué)改革要點(diǎn)

教學(xué)改革關(guān)鍵在于將“組織分析測試”教學(xué)和國家重大需求問題真正結(jié)合起來，設(shè)計(jì)最合適的教學(xué)情境，在充分利用教學(xué)硬件設(shè)備和軟件的基礎(chǔ)上虛實(shí)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)設(shè)出恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)情境。整合現(xiàn)存國家重大需求相關(guān)的材料和制造學(xué)科問題，打造數(shù)字案例庫，開發(fā)新的基于翻轉(zhuǎn)課堂的信息資源，并形成不斷優(yōu)化的資源庫。根據(jù)數(shù)字化課程資源共建共享的策略，組織全校相關(guān)師生共建和更新。通過案例研討式教學(xué)，建立“國家重大需求導(dǎo)入—討論—理論教學(xué)—實(shí)踐應(yīng)用”教學(xué)模式。整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)典型案例和學(xué)習(xí)任務(wù)，利用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)高水平的“教、學(xué)、用”一體化。改變學(xué)生被動(dòng)接受學(xué)習(xí)微觀分析測試原理以及具體操作過程的方式，在研討中提升興趣并培養(yǎng)利用微觀組織分析方法和知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。形成新教學(xué)評估方法，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的基本規(guī)律，以研討、學(xué)習(xí)和應(yīng)用過程為依據(jù)，在具體的實(shí)施過程中，探索同時(shí)重視理解知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的評估方案。

（四）實(shí)施方案

筆者通過深度分析“組織分析測試”課程知識(shí)點(diǎn)和國家重大需求的關(guān)聯(lián)，在建構(gòu)主義和混合式學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，采用虛實(shí)結(jié)合的基本原則，借鑒信息化和研討式、案例式教學(xué)設(shè)計(jì)方法，探索基于典型案例和知識(shí)融合的情景式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、用”一體化教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)分析和解決問題的能力。該模式由“案例導(dǎo)入”“開放討論”“理論學(xué)習(xí)”和“應(yīng)用及評估”四個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中對國家重大需求案例采用虛實(shí)結(jié)合的方式貫穿所有環(huán)節(jié)。在“案例導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，按照研討式教學(xué)模式進(jìn)行課堂教學(xué)，借助虛實(shí)結(jié)合的案例平臺(tái)，導(dǎo)入國家重大需求案例進(jìn)行討論，讓學(xué)生對案例有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)。利用多媒體平臺(tái)，讓學(xué)生明確自己在案例討論中的任務(wù)。在“開放討論”環(huán)節(jié)，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，對案例進(jìn)行分析，充分應(yīng)用掌握的已有知識(shí)進(jìn)行討論，教師通過合理方式往課程內(nèi)容方向引導(dǎo)。本著教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的原則，有步驟、有計(jì)劃地完成案例的討論。在“理論學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)，以學(xué)生為中心創(chuàng)設(shè)問題和情境，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)和獲取知識(shí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)應(yīng)用知識(shí)解決問題的意識(shí)及創(chuàng)新能力。采用課內(nèi)與課外結(jié)合、教學(xué)與研究結(jié)合的理念，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的取舍，深入系統(tǒng)講述理論知識(shí)。在“應(yīng)用及評估”環(huán)節(jié)，按照適合協(xié)作學(xué)習(xí)的分組辦法對學(xué)生進(jìn)行分組，學(xué)生在數(shù)字資源庫里抽取相應(yīng)題目，在展示思路和解決方案后接受同學(xué)評價(jià)和教師反饋。學(xué)生在匯報(bào)、聽取和討論時(shí)，在對比和思考中發(fā)散思維，在反思中提高運(yùn)用知識(shí)的能力。深入分析授課情況和教學(xué)效果，邊教學(xué)、邊總結(jié)、邊改進(jìn)，最終得出較為合理的教學(xué)方案。筆者在教學(xué)實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：（1）根據(jù)課程大綱，深度分析“組織分析測試”課程知識(shí)點(diǎn)和國家重大需求的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)陌咐蛦卧浇虒W(xué)情境及研討方法；（2）創(chuàng)建案例數(shù)字資源，結(jié)合具體的教學(xué)過程與學(xué)習(xí)效果優(yōu)化案例和教學(xué)方法。

結(jié)語

隨著制造學(xué)科前沿和國家重大需求不斷變化，組織分析測試類課程教學(xué)需要與時(shí)俱進(jìn)，這也要求授課教師不斷學(xué)習(xí)并探索新的教學(xué)模式。通過建立材料和制造領(lǐng)域國家重大需求與組織分析結(jié)合的案例庫，進(jìn)行了“國家重大需求導(dǎo)入—討論—理論教學(xué)—實(shí)踐應(yīng)用”的教學(xué)模式探索，初步形成了“中南特色”的“組織分析測試”教學(xué)樣板。進(jìn)行的教學(xué)改革加強(qiáng)了授課與國家戰(zhàn)略需求的聯(lián)系，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有助于本科生知識(shí)貫通和解決問題創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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Exploration on the Teaching Reform Toward the Major National needs for Microstructural Analysis and Testing Course of Manufacturing Discipline

LIU Chun-huia， MA Pei-peib

（a. School of Mechanical and Electrical Engineering （Light Alloy Research Institute）， b. Advanced Research Center， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： In view of the weak connection with national strategic needs and students difficulty of comprehensive understanding in the teaching of microstructure analysis and testing courses in the current manufacturing curriculum， this paper proposes to integrate national major needs into the teaching of microstructure analysis and testing in the form of cases， and establish a typical national major needs case base related to microstructure analysis. The teaching mode of “introduction of national major needs-discussion-theoretical teaching-practical application” is explored. Teaching reform has improved students innovative ability to connect knowledge and practice， which is of great significance to cultivate engineering manufacturing undergraduates with strong problem-solving ability and strong sense of mission.

Key words： microstructural analysis; teaching reform; national need