《材料研究与测试方法》课程教学体系优化及多元实践环节的重构与实践
摘 要：《材料研究与测试方法》课程是一门讲述材料测试仪器和方法的重要课程，是从事材料专业的专业必修课。由于《材料研究与测试方法》有很高的实践应用性，是本科生、研究生进行科学研究论文的必备技能，对该课程教学内容和教学方法的知识体系的优化，将提高学生的综合素质水平，增强学生的操作仪器和分析图谱的能力。通过多元实践教学过程的重构，可提高该课程的教学质量的同时，培养了学生的独立思考问题的能力和工程实践动手能力。
关键词：《材料研究与测试方法》;教学体系优化;重构;实践
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）05-0092-04
Abstract： "The Material Research and Testing Methods" is an important course about material testing instruments and methods. Due to "The Material Research and Testing Methods" has a high practical applicability， is indispensable skill for undergraduate and graduate students for scientific research papers， the teaching content and teaching method of optimization of knowledge system， will raise the level of the students" comprehensive quality， enhance the students" ability of operating instruments and analysis of the map. Through the reconstruction of the teaching process of multivariate practice， the teaching quality of this course can be improved， and students" ability of independent thinking and practical engineering can be cultivated.
Keywords： "the Material Research and Testing Methods"; optimization of teaching system; refactoring; practice
在今天科技信息高速發展的时代，新材料层出不穷，对材料性能的要求越来越高，而材料性能与其组成和微观结构有着致密的关系，材料的成分和微观结构所需的测试仪器更新换代也在加速，测试的方法以及功能越来越多样化。材料学科的学生的毕业研究论文和工作实践中需要很多先进的分析测试手段，如透射电镜、扫描电镜、电子探针、X射线衍射、热分析、红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等，因此通过《材料研究与测试方法》的教学，使学生了解用于结构分析、成分分析、物性测定、形貌分析等多种现代测试技术方法，包括测试仪器基本原理、结构、样品处理、图谱解析等。要求学生通过这门课程的学习，在今后的工作和科研中能正确选择分析测试手段和方法来获得所需的数据和图谱。为学生毕业后走上工作岗位以及继续深造奠定扎实的基础。优化《材料研究与测试方法》这门课程体系，让学生多元化、多方位掌握研究材料的结构、微观组织、化学成分、物相，并与材料制备工艺、材料性能间的关系紧密联系关联。针对《材料研究与测试方法》这门专业基础课的重要性，国内有许多高校对《材料研究与测试方法》进行了教学改革[1-6]，辽宁工业大学于景媛等人对现代材料测试方法课程的教与学进行探讨，洛阳理工学院李豪对《材料研究与测试方法》教学进行了改革。
一、该课程的现状
《材料研究与测试方法》 是一门课程内容涵盖面大，实用性强，涉及知识广的核心课程，其目标是培养材料专业学生掌握科学测试仪器的原理和结构，实际使用仪器的能力，以及对测试数据和图谱的解析能力，在培养创新型材料工程人才中有着重要的地位。但在实际的课堂教学中，学生仅能掌握一些基本的仪器原理、构造方面的知识，而缺少足够的实际仪器操作，实践中不能灵活运用测试手段。针对这种状况，如何在注重理论教学的同时，改进教学方法，优化教学环节培养出既具有扎实的基础理论知识，又具有较强的实践动手能力的高素质人才，是目前我们这门课程实践教育中还待解决的问题。
《材料研究与测试方法》涉及晶体学、物理、数学、量子学等学科，概念较抽象，原理和理论知识较多样化，学生学习起来会有些无从下手的感觉。一些理论知识偏向于专业，使得学生学习后会和实际应用相脱离，需要在读研读博时重新回炉。当前的教材各个章节独立为政，一个章节介绍一种方法，彼此之间缺乏系统性，导致给学生学习带来障碍，没法将教材中相关知识和实践进行融会贯通，当遇到实际问题时，就会表现得无从下手。教学方式手段较单一，PPT教学和板书也难以将倒易点阵、复杂晶体衍射地讲清楚。PPT授课时教师时，学生很少做笔记，很快过了就忘记了，也使得学习效果不好。
在和实验联系方面，因为实验所涉及的测试设备均属于大型设备，价值均上百万，通常只有一两台，所以很难几个学生一组来操作仪器，只有让教师进行演示性实验，导致老师讲的多，学生动手少、学生滥竽充数的多，真正收获知识的少，且实验报告有抄袭现象，实验报告有雷同现象，理论和实践很难相结合，没有达到提高学生实践动手能力的效果。
二、多元化教学环节重构
为了提高《材料研究与测试方法》课程教学的效率质量，实现优化课程体系的目标，我们对教学方法、授课内容进行探索和优化。多元化全方位地重构教学方法，针对材料测试方法课程的理论知识较多较深，部分知识点偏于科学研究，且教材中知识更新不足，现代仪器更新换代很快的特点，调整教材内容适当增加最新的科学仪器的知识点，同时注意结合学生参与的大学生导师制指导的课题，将具体的科研论文中所需的相关测试仪器和研究方法融入课堂教学中，我们建立了案例法、试题库、网上SPOC 共享课程法相结合的多元化的教学体系。讲课做到轻重分明、详略得当，重点突出，清理知识点的内在多元联系，每章后留习题等。如：
案例1：某学生的大学生创新项目是热电材料方钴矿粉体的制备，粉体制备后，如何对粉体的形貌特性进行表征呢？
通过材料测试方法的知识，我们指导学生来思考，纳米颗粒首先考虑是通过透射电镜或是扫描电镜来对它的形貌特征进行分析观察，确定纳米颗粒的尺寸大小和形状、分布状况、轮廓清晰度等。由于理论课上所学的知识告诉学生们透射电镜放大倍数更高，分辨率更好，只是透射电镜制样麻烦，但我们是粉末样品，在碳加强支持膜上可采用超声波分散，透射电镜还可根据象的透明程度的衬度来估计粉末颗粒是实心或空心，并采用选区电子衍射对晶体材料的物相和晶体取向进行分析探讨，所以即可观察形貌又可对微观结构有些了解。通过这些课堂实例讲授，让学生将所学的理论知识应用到今后要应用的测试实验中，使学生感到兴趣盎然，这样把材料学科和测试技术的发展最前沿的新信息、发展趋势和会遇到的实际问题融于课堂教学中，大大提高了理论教学和实际应用之间的相互性，做到了学以致用。
三、优化知识框架体系，培养学生解决实际问题的综合能力
针对学生对材料测试方法的理论和实践应用脱节的现象，我们优化了传统授课方式，结合MOOC+SPOC以及实验课，建立新的纲领性课程知识体系。通过课堂的授课，网络慕课以及实验课三位一体的教学模式，让学生学会提出问题、再想什么办法来解决问题、以及最后采用何种措施来处理实际应用问题的應变能力。要做到不仅知其然还要知其所以然，在授课时，教师首先介绍各章节的主要提纲，使学生明白本章节学习的学习目的和主要内容，了解该章与前面章节有什么样的联系和区别。每次讲课都要将本节课的关键知识点（或提纲）写在黑板书，讲课最后对所有知识点进行总结回顾，并阐述或以提问的方式理清仪器之间的逻辑关系，让教学以仪器为主到以材料为主，这样做到授课内容和其他所学的材料知识相结合，相得益彰。每章授课后会和学生一起回顾内容，建立知识点框架图（ 如案例2），好让学生明白各各种测试方法既是独立的也是相互联系的，它们往往会相互验证。如学习红外光谱时，我们讲解官能团时，就可以和学生举列在鉴别尼龙6和尼龙66时，即可用红外仪鉴别官能团又可采用热分析DSC鉴别熔点的不同，来更好地区分这两种材料。因为一种检测方法很难给出确定的结果，结合实际案例，更好地解决实际问题，提高学生解决测试实际所遇问题的能力（如案例3）。
案例2：在学习《材料研究与测试方法》X射线衍射一章的布拉格方程一节时，首先介绍布拉格父子的故事，让学生像了解伦琴发现X射线一样兴趣盎然，再放一些影片视频，结合网络形象地推到布拉格出方程，再逐一讲解它的三个意义，包括选择反射、衍射极限和衍射指数，最重要的布拉格方程的应用如图1所示进行总结归纳。
案例3：某学生协助导师研究硅酸盐水泥，导师希望该学生能很好地了解水泥的特性。该学生根据所掌握的知识体系，综合利用所学的电子显微镜和X射线衍射分析等知识来解决实际问题。通过电镜可以观察到硅酸二钙、硅酸三钙、游离氧化钙等，它们的外形分别为不规则形、方形、圆形。将水泥熟料加水后的水泥水化物再进行热分析和X射线衍射测试，采用所学测试知识对TG-DSC和XRD图谱进行解析，通过TG-DSC即可的检测Ca（OH）2可脱羟基分解成CaO的温度，又可知道CaO含量，通过X射线衍射测试，验证了加热前后Ca（OH）2和CaO的物相晶体结构，这样多元化的使得学生即掌握了材料的特性又理解了测试技术在材料研究中的重要性。
四、采用MOOC+SPOC灵活多变的教学模式
MOOC作为一种开放共享手段，其开放、共享特性，有利于实现学生自主学习，按需学习;SPOC是一种有效管理学生的手段，其小范围、限制性、面对面师生互动等特点，易于激发学生学习热情。《材料研究与测试方法》课程是大学生接触的基础核心课程。结合MOOC+SPOC优势，将其引入《材料研究与测试方法》课程教学中，构建了以资源为中心的混合教学设计以及混合教学实施过程并进行应用实践。近几年实践结果表明了课内课外相结合、线上线下互补的混合教学模式的有效性。MOOC+SPOC混合教学模式不仅有利于提高大学生的课程参与度和学习主动性，还有助于培养计算思维。对以前教学模式的照本宣科，导致老师讲的很费劲学生没有反应甚至不听的现象，我们采用网上共享MOOC教程（图2）、科学家研究测试仪器视频、网上做作业互评、课堂学习相结合的方式，提高学生的学习热情和课堂的授课质量。结合传统的板书式教学模式，既让学生对抽象问题有形象认识，又可保证教师对重点难点问题能进行详细讲解。采用网上慕课、案例式以及实验教学三位一体的教学模式。以学生为主，通过视频、习题、测试等手段，引导学生对知识框架和应用的理解，通过提出什么性能需要何种测试手段的方法，引发学生对学习兴趣，由学习的质变到得到知识的量变。
案例4：在讲解热分析这一章的玻璃化转变温度（Tg）的测定时，先让学生了解用差示扫描量热（DSC）的原理、仪器结构，再重点讲解图谱的解析，了解玻璃化转变温度（Tg）对材料性能的重要性，Tg测试方法除了DSC外，还有动态热机械（DMA），热机械分析仪（TMA），热膨胀仪（DIL）等，它们几种方法的不同标定法。
五、混合教学和翻转课堂实践，增强学生的动手能力和独立分析能力
由于测试仪器的贵重和数量少，导致实验课堂上大部分时间都是老师在讲，学生听得多动手机会少、有些学生滥竽充数学不到东西，我们让理论和实验混合，教师和学生翻转，实验授课前，学生动手在计算机上做模拟实验，再让学生预习讲解理论课的知识，实验教师利用提问题的方式进行教学，重点放在仪器的原理和结构介绍、样品的制备以及图谱数据的分析处理上。这样混合理论和实验课教学，学生和老师翻转角色，增强了学生的动手能力和独立分析能力。让学生自己设计综合性实验，参与到测试样品及方法的选择，试样的制备、测试条件优化等实践性强的教学中。调动学生学习的主动和兴趣。这种模式既增加了学生对实验学习内容的兴趣，又学到了很多课堂上学不到的知识和测试技巧，提高了实验教学的质量和效率，并为学生未来的学习和工作奠定扎实的基础。
案例5：在进行电子探针和拉曼分析实验时，不再采用教师独立操作的演示实验，而是要求每组学生（2-3人）预先寻找一个样品，如学生手上脖子上带的饰品（金属材料、陶瓷材料、寶石等不限制），要求学生独立自主制备样品，并学习独立进行样品的测试操作，并运用仪器软件对测试结果进行分析。通过这种训练，学生印象更深刻，兴趣更浓厚，同时结合所查阅的文献资料，选择合适的测试条件，可以独立运用软件对材料的分子结构进行分析。
六、结束语
通过对课程体系全方位的改进，我们发现大大激发了学生的学习热情，学生的独立思考、分析和解决问题的能力以及实际动手的能力都有了较大的提升。使学生从在课堂被动接受知识转化为理论和实践相结合地主动地学习知识。结合现代MOOC教学方式，教学体系的改革提高了课堂的教学质量并使得材料类专业毕业生对测试技术有了较深的认知，对学生的就业竞争力和创新能力有很大的提升。
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