應用為導向的“材料分析方法”課程教改中的探索

摘?要：材料分析方法是關于材料分析測試理論及技術的一門課程。因此，本科階段開展“材料分析方法”的教學對于提高學生科研素養和掌握材料分析的方法非常重要。本文以應用目標為導向，探索性地提出將科研工作成果引入教學的實例介紹，有助于深化學生對材料表征及分析相關理論知識的理解，同時促進學生理論轉化為實踐的能力以及對科研的創新探索能力，助力應用型、創新型人才的培養。

關鍵詞：材料分析方法；科教融合；材料表征；教學改革

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

Abstract：Material?analysis?methods?is?a?course?on?the?theory?and?technology?of?material?analysis?testing.Therefore，conducting?the?teaching?of?"Materials?Analysis?Methods"?during?the?undergraduate?stage?is?very?important?for?improving?students'?scientific?research?literacy?and?mastering?the?methods?of?material?analysis.This?article?is?guided?by?application?goals?and?explores?the?introduction?of?scientific?research?examples?into?teaching，which?helps?deepen?students'?understanding?of theoretical?knowledge，enhance?their?scientific?research?innovation?and?practical?application?abilities，furthermore?improve?the?level?of?cultivating?applied?and?innovative?talents.

Keywords：analysis?methods?of?materials；integration?of?science?and?education；material?characterization；teaching?reform

隨著科學技術的不斷進步以及人們對材料認識和分析的不斷深化，新材料的研究和應用越來越廣泛，對材料分析方法的要求也相應提高。“材料分析方法”是材料化學專業本科生的一門重要的必修課程，主要介紹了材料表征儀器的常用技術手段和基本構造、分析檢測的基本原理和主要應用領域，目的是使大學生通過該門課的學習，能夠良好掌握借助先進儀器設備分析測試所研究的材料的成分、組織和結構的方法，并剖析材料結構等因素與性能的關系以及產生的影響，對于切實提升大學生的綜合素質和實踐能力具有重要的意義［1］?。《材料分析分法》以材料結構分析層次為線索，掌握組織形貌、物相組成、成分與價鍵和分子結構四大類分析方法的基本原理、譜圖解析和功能應用，加強材料結構基礎理論和前沿分析技術學習，拓寬學生在材料化學專業的知識視野。能夠針對實際案例，制訂合理的研究方案，提出有效的測試表征技術，準確分析數據并得到有效結論，使學生在運用材料表征方法的基礎上，有效搭建起學生在材料研究過程的一般性思維與方法，從而為學生具備解決材料領域中復雜綜合工程問題的能力奠定良好的基礎。

然而，目前傳統的授課方式仍以教師為主導，進行口頭和書面的知識傳授，對于強調實踐和應用的教學目標的實現是不利的，不符合新工科背景下教育方式的轉變。在教學過程中，學生普遍反映教學內容較為抽象，涉及領域廣泛，純理論和口述的方式對于艱深晦澀的知識內容的理解極為困難，學生學習興趣容易受到影響，難以體會學習本課程的根本目的和實際作用，從而加大本課程教師的教學難度［24］?。尤其對于行業特色鮮明的高校，教學內容與行業容易脫節，教師難以滿足當下行業和社會對自主創新人才的培養需求。因此，本文探討了應用為導向的“材料分析方法”課程教改中的一些措施，旨在提高學生的學習效果和實踐能力。

一、課程目標的重新定義

應用為導向是課程教學的重要方向之一。以“材料之基”助“國之重基”以育“行業英才”。教育教學的目的是提高學生的綜合素質和創新能力，而本課程的目標是要求學生具備一定的知識儲備和實驗技能，能夠適應社會的發展需要。我們需要重新定義課程目標，使其更加注重應用和實踐。我們的課程對接新工科建設要求，強化“產教融合、科教融匯”的培養模式，教學內容應注重更新，教學方法應注重互動，考核方式應注重多元［5］?。具體來說，我們可以把課程目標分為三個方面：知識目標、應用目標和價值目標。知識目標包括課程內容的掌握和理解，例如材料分析儀器的基本原理和特點、材料分析的方法和技術等；應用目標則是把所學知識應用到實際中，例如在材料分析實驗中正確操作儀器，分析材料的組成和性質等。通過重新定義課程目標，可以使學生更加清晰地了解課程的意義和目的，從而更加積極地參與到學習中來。價值目標是指在課程中深度挖掘課程中的思政元素，將社會責任感和歷史使命感等融入學生心靈。

二、以應用為導向的實踐教學的加強

分析方法是研究人員探索材料內部結構的眼睛和耳朵，這門課程內容豐富，形式多樣，不僅可以在課上系統地學習多種材料研究方法的原理，還可通過實踐操作具體地學習各種儀器的使用，這些對學生之后的學習和研究工作有巨大的幫助作用。然而，傳統的教學過程中，理論知識的講解和傳授占了很大的比重，極易忽略實踐教學在學生知識內化和應用中的重要作用和基礎地位［6］?。因此，以應用為導向，通過強化產教融合及促進科教融匯的培養模式對于提高學生的實踐能力和學習效果具有重要的意義。同時，根據教學過程中學生反映的實際問題，從以下幾點進行了改革及實踐。具體來說，可以采取以下措施：

（一）實驗操作的引導

在實驗操作中，教師應該對學生進行引導和指導，幫助學生正確操作儀器，分析材料的組成和性質。同時，注重理論與實踐的結合，通過大量的實驗或大型表征儀器的操作演示，讓學生對各種分析測試方法有更直觀的認識和深入理解。其中，充分重視并科學講解各種分析測試方法所對應的基本原理，聯系物理、化學、材料相關的理論知識，從而能夠從本質上認識目前各種先進的測試技術，有助于與之后的科學研究和生產實踐工作高效結合［7］?。為了更好地切實推進應用為導向的教學實踐項目的進行，我們購置和搭建了一批滿足基本教學實踐和科研需求的儀器裝置，并設立了儀器分析表征教學專用實驗室。在教學改革深化開展的同時，將進一步強化學生實踐能力，著重培養學生的實踐能力和動手操作能力，建立相應的訓練項目，細分難度遞進式的實踐教學體系，模塊化學習。此外，我們也開放了實驗項目受眾群體，使其他專業有興趣的學生也能夠較早參與到科學研究中，提升科研能力。比如，在對樣品進行透射電子顯微鏡表征時，需要對其提前制樣，而制樣的好壞直接影響成像的好壞。但其根本原因，即使研究生階段，很多學生也只是一知半解，從而忽視了制樣的重要性。通過課程的學習，學生了解到電子束本身穿透能力較低，所以使用透射電子顯微鏡分析樣品時要保證材料非常薄而通過電子。根據原子序數大小的不同，一般在5～500nm之間。基于此，需要采用一些特殊的方法制成薄樣品。其中，復型法就是其中之一。而能采用此方法的材料又需要具備如下條件：（1）復型材料本身必須是非晶材料。而通過X射線衍射相關內容的學習，我們知道晶體在電子束的照射下，某些鏡面將發生布拉格衍射，衍射產生的襯度會對復型表面形貌的分析產生干擾。由此也可以看出，課程的各章節內容相互緊密聯系，環環相扣。（2）復型材料的粒子尺寸必須很小。復型材料的粒子越小，分辨率就會越高。如用碳作為復型材料時，分辨率可達2nm左右。如用橡膠作復型材料時，由于粒子直徑比碳大很多，所以只能分辨到10～20nm以上的形貌細節［89］?。（3）復型材料應具備耐電子轟擊的性能，即在電子束照射下能保持穩定，不發生分解和破壞。這是在我們直接運用儀器表征分析材料之前所需掌握的基本要求。在科研及生產實踐的實際研究過程中，存在相當一部分研究人員，缺乏對分析測試技術的理論學習，直接進行分析表征，就導致觀測過程中難以得到滿意結果或誤差較大。可見，加強專業基礎對材料專業學生實際應用和發展的重要性。

（二）實踐案例的引入

在課程教學中可以引入實踐案例使學生更加深入地了解材料分析方法的應用。例如，可以選取經典的材料分析案例進行講解，讓學生在實踐中理解和應用所學知識。具體地，通過列舉一些經典材料，讓學生自主查閱相關文獻資料，進行調研和剖析，了解分析材料的物理化學性質所需的常用表征儀器，掌握其基本原理、手段和數據結果的分析處理，在此基礎上進行PPT匯報和交流討論，完善和總結分析方法，撰寫綜述報告和論文。這里，如何篩選出具有代表性的實踐案例是教師授課過程中需要重點思考的問題，并且應遵循所選案例應用范圍廣，實用性強，彼此互不重疊又相互關聯，同時還能注重突出本學院的研究特色和強勢學科，針對性地進行重點講解。

本課程開課學期在第六學期，學生在“材料科學基礎”和“材料化學”課程的學習后，加深了對材料的認識以及對材料分析應用的關注，并且在隨后的創新能力綜合實訓和畢業論文環節可以加以應用。本門課程的學習可以奠定良好的材料表征分析基礎，有助于學生對其研究的具體項目或者科研方向中的材料和體系選用合適的表征手段，合理深化分析材料的物理、化學性質。實驗以高素質應用型人才的培養為目標，授課過程中拓展具體的實際應用案例進行材料分析測試能力的訓練，其中可包括如測試表征方法的選擇、樣品合成制備策略和數據分析處理等相關知識［10］?。其中，由于材料微觀形貌結構的表征是材料化學專業涉及科學研究中必不可少的重要技術手段，通過結合的科研工作中研究的課題和成果，將其引入教學內容，能有效促進教學質量的提高。通過穿插實際應用案例的分析，可以將刻板生澀的知識講解變為生動有趣的內容，啟發和引導學生自主分析思考科研問題，強化科研素養，掌握正確利用分析測試方法獲取微觀組織結構的信息，并切身體會分析測試方法在材料相關研究中的重要性。依據本專業教師目前主要研究的課題方向，篩選二十個材料化學專業的科研課題，如環境友好功能高分子復合材料及其阻燃、自修復機理研究、納米基有機復合材料的非線性光學性能研究、新一代高效儲能結構的高效合成和規模應用、自組裝薄膜的制備與產氫性能、新型多孔功能材料與應用、導電聚合物電化學傳感器設計制備及表征、石墨烯復合炭氣凝膠作為電容器電極材料的應用等供學生根據興趣及指導教師介紹選擇一個，了解課題的研究背景，調研近幾年國內外研究現狀，進行實驗方案設計，鍛煉實驗技術、理論應用及明確發展方向等，最終提交一份完整的實驗報告，也能進一步提升學生信息檢索、應用及寫作能力。通過這種安排，高效解決了檢索方法、實驗技能、寫作素養、學時限制及學生期望值等的不協調問題。經過這種改革方式，實踐效果表明，學生及指導教師均反饋良好，避免學生在大四畢業設計進實驗室后再進行材料制備和表征分析技能的培養而占用過多的時間，有更多空間和機會做實驗、思考問題，同時學生撰寫論文水平及格式規范度大幅提升。

對于畢業后直接就業的學生群體，我們也考慮到其工作中所應滿足的基本實操素養，針對企業中高頻使用的分析測試手段，結合企業的實際應用情境也開展分類的案例分析，有利于幫助學生理解分析測試在材料產業中發揮的重要作用，并且為掌握相關的儀器知識和數據分析處理方法奠定基礎，從而全方位、多角度地打造以應用為導向的“材料分析方法”課程的改革和提升。

三、教學效果評價

我們以“多元考核”評價方式為導向，強化自主學習。具體來說：（1）通過科研綜述的PPT匯報，提高學生的閱讀能力，拓展學習的廣度；（2）利用論文數據的分析，撰寫完整答辯報告，提升學習的深度；（3）采用非標準化、綜合性評價，提升學習的挑戰度。在評定過程中，提倡教學效果定性與定量評價的有機結合，書面考查與實踐能力考核展示相互印證，且更加重視過程性結果的評價。基于課程目標，從多維度、全方位來評價學生學習效果，得到基于學生應用能力的真實客觀評價反饋數據，為落實教學質量的改進和優化提供依據。

經過兩年的教學實踐，開展對目前所授課班級同學的課下交流、座談以及問卷調查，為本門課程的教學改革提供了建設性的建議和具有較高價值的效果評價作為參考。同學普遍反饋對于知識點講解輔以科研及產業實例作為支持的方法非常滿意，認為具有代表性的視頻動態介紹和總結，高清圖例、儀器實操演示，對于抽象、艱深的知識點的理解非常有幫助。此外，學生也希望將所學內容進一步延伸至宏觀的應用領域。在學生參與的科創項目和企業實習中，指導教師與合作單位對學生的科研素養和操作水平均給出了較高的評價和認可。這些反饋不僅充分肯定了此次課程改革的重要性，也為下一步完善改革舉措，豐富課堂內容，進行更合理的課程設計提供了思路。下一步，我們將在全面總結此次教學改革效果的基礎上，進一步增大實際應用場景在教師教學過程中的占比，充分調動學生學習的興趣和科研熱情，提高學生的求知欲、積極性、主動性。

結語

應用為導向的“材料分析方法”課程教改中的探索，是一項重要的教學改革，旨在提高學生的學習效果和實踐能力。通過重新定義課程的培養目標、加強實踐教學所占比重、采用多元化的授課方式以及充分利用線上優質教學資源等措施，可以使學生更加深入地了解材料分析方法的應用，從而為未來的科研和工作打下堅實的基礎，使學生能合理選擇分析手段進行材料研究。通過個體案例分析使學生對于分析方法的應用有直接的了解，通過綜合實際應用案例使學生獲得材料研究的基本訓練，通過“課程體系大框架下”的課程設計大作業和科研課題實驗體系，讓學生扎實掌握設計新材料的表征測試實驗方案的能力和數據高效合理分析的技術水平。本課程將基礎理論和應用結合起來，將分析方法系統地傳授給學生，建立起理論和應用、材料和分析的橋梁。

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作者簡介：甘甜（1992—?），女，漢族，甘肅敦煌人，博士，講師，研究方向：能量轉換與存儲材料及固體氧化物電池。