《近代测试技术》在新能源材料专业中的教学改革与实践

2017-08-12，

河南化工 2017年7期

关键词：仪器新能源教学内容

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(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

•化工教育•

《近代测试技术》在新能源材料专业中的教学改革与实践

高可政，牛庆媛

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

《近代测试技术》是新能源材料专业开设的一门实用性很强的专业必修课程。基于新能源材料的专业背景，结合笔者讲授《近代测试技术》课程的教学实践与体会，针对该课程目前所存在的教学问题，通过优化教学内容、采用多媒体和网络资源教学、丰富教学案例、将科研成果带入课堂、强化实践教学等一系列措施进行了教学改革，取得了良好的教学效果。

近代测试技术；新能源材料；教学改革；实践教学

0 前言

能源是人类活动的物质基础，推动了人类社会的发展。随着社会的发展和人口的增长，资源短缺、能源危机、环境恶化等问题日益严重，传统能源材料已经很难满足人类社会的发展需求[1-3]。新能源材料的开发已成为世界各国政府和研究人员关注的焦点，新的技术和成果不断涌现。2016年11月29日，国务院印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，指出进一步发展壮大新能源、新材料、新能源汽车等战略性新兴产业。因此，中国高校迫切需要培养新能源材料方向的人才。

新能源材料的性能与其组成和结构密切相关，要提高新能源的性能，就必须要了解材料内部的组成和结构，《近代测试技术》就是为了研究新能源材料的组成和性能而开设的一门业必修课程[4]。它具有非常强的综合性、实践性、应用性和前沿性。本课程的教学目的是让学生通过学习近代测试与表征技术的基本原理及在新能源材料研究中的适用范围，掌握常用的测试方法，学会相关的图谱分析应用于新能源材料的组成和性能的研究，以便使学生在以后的科研和工作中能正确选择与使用相关的近代测试技术。为了提高该课程的教学质量和教学效果，培养学生分析解决问题的能力和实践能力，本文结合笔者讲授《近代测试技术》课程的教学经验，初步探讨了该课程的教学内容、教学方法和实践教学的优化和改革。

1 教学现状

1.1教材内容缺乏更新

随着科技水平的迅速发展，分析测试仪器发生了日新月异的变化，新仪器的自动化水平越来越高，测试手段也越来越多样化，其应用领域也在不断扩展。但是当前所使用的教材内容更新速度很缓慢，远远满足不了人们在实际测试过程中的应用。另外，传统的教学没有针对新能源材料专业对教学内容进行调整，而是偏重于测试技术的理论知识与工作原理介绍，理论性强，涉及的知识比较复杂，学生普遍学习吃力，兴趣不高。因此，教学内容需要根据本学科的前沿发展动态适时进行更新。

1.2课堂教学模式陈旧

该课程教学方式单一，主要是采用多媒体课件以“讲授式”的教学模式进行教学，无法将仪器的结构、测试原理、操作过程和数据处理等直观生动地传授给学生，导致学生学习的动力和兴趣不足，学习积极性下降，很难实现课堂互动性和良好的教学效果。因此，加快对现有教学手段的改革已刻不容缓。

1.3实践教学难以开展

《近代测试技术》是一门操作性和实践性很强的课程。历年来学生普遍反映该课程的教学内容过于理论和抽象，只能从图片中看到近代测试仪器，几乎没有实践课程，缺少相应的实用性[5]。最主要的原因就是该课程所涉及的很多分析测试需要在一些现代先进的精密测试仪器上完成。而这些大型分析表征仪器价格昂贵，例如新能源材料经常使用的X射线光电子能谱仪，其价格高达五六百万元甚至更高，所以大部分高校在配置上都非常有限[6]。因此，受到条件的限制，学生无法真正实现动手实践操作大型分析测试仪器, 大大制约了学生对仪器的感性认识和测试技能的掌握，也在一定程度上影响了学生分析解决问题的能力和实践能力的培养。

2 教学改革与实践

2.1结合新能源材料专业，优化教学内容

针对新能源材料专业的特点，以及考虑到学生未来科研或工作时会用到的表征分析方法，笔者从原理、制样技术、应用、谱图分析和数据处理等方面详细讲解了X 射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换激光拉曼光谱(FT-Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、热重分析(TGA)、差示扫描量热分析(DSC)、比表面积测试分析及电化学分析方法等近代测试分析技术，授课过程中做到重点突出和课程衔接。同时，笔者注重学科知识的拓展和实用化，选取新能源材料最新研究中所使用的测试表征方法等相关资料作为教学内容，保证该课程教学内容的科学性、新颖性与实用性。这些教学内容的拓宽与延伸不仅开拓了学生的视野，也激发了学生的学习兴趣和科研兴趣，提高了教学效果。

2.2采用多媒体与网络资源教学

近代测试技术内容繁琐、理论性强、实践操作要求高，学生在学习该课程时通常会遇到理论过于抽象难以理解的问题。因此，笔者在讲解该课程时充分利用了多媒体技术，将测试分析技术中抽象的理论、相关仪器的结构、操作、制样过程及图谱解析等通过图形、自制微视频、动画等形式进行表达，形成直观生动的教学场景，使学生有种身临其境的感觉。实践表明，多媒体的应用不仅活跃了课堂气氛，调动了学生学习的兴趣，也提高了教学质量和教学效果。

随着计算机科学技术的迅速发展，网络教学应运而生。网络技术不仅为学生提供了丰富的学习资源，也拓展了学生获取知识的新途径。为了使学生有效利用网络资源，笔者鼓励学生从各种仪器的官方网站、国内外知名高校的网络课程上检索相关的分析测试仪器。此外，笔者与新能源材料专业其他老师搭建了网络自主交流平台，如微信群、QQ群、公共邮箱等。教师将微视频、课程相关材料等上传到该平台上，学生可以随时随地下载资料、及时提问等。网络平台的使用为学生的自主学习提供了有力条件，增加了师生间的互动交流，提高了教学效果。

2.3丰富教学实例，提高学生学习兴趣

由于《近代测试技术》课程内容繁琐和相对抽象，不像其它逻辑性或故事性强的课程能激发学生学习的主动性和积极性，而案例式教学可以使复杂、难以理解的教学内容变得清晰简单。因此在实际的课堂教学中，笔者结合新能源材料的特点，尽量选择贴近生活的案例。例如，从目前国际最热门的石墨烯电池和以石墨烯为基础的微型超级电容器等新能源材料的开发和使用出发，引入石墨烯常用的表征方法——X射线衍射分析(XRD)，接下来讲解X射线衍射分析的原理、仪器构造、制样过程、检测方法和测试数据的分析讨论。此外，笔者采用案例与教师的科研相结合的方法，可以培养学生的科研能力和学习兴趣。笔者所在的材料与化学工程学院有着优良的科研传统，新能源材料专业课题组的教师近3年主持国家自然科学基金7项，长期在科研第一线，掌握着新能源材料的最新研究状况。笔者利用本人及其课题组教师的科研成果作为案例，对其中关于测试技术的相关内容进行归纳整理，提炼出具有代表性的案例。如多孔纳米碳材料的分析，可以用X射线衍射和X射线能谱对其晶型和化学组成进行分析，用比表面积分析仪测试碳材料的比表面积和孔径分布，用场发射扫描电子显微镜和透射电镜对其形貌进行分析，用热重分析对热稳定性进行表征，用傅立叶变换激光拉曼光谱来确定其表面结构。实践证明，案例式教学法的应用，让学生能够更好地学以致用，充分提高学生学习的积极性和主动性，培养了学生的科研能力。

2.4实践教学

郑州轻工业学院材料与化学工程学院具有良好的科研水平和平台。目前拥有河南省表界面科学重点实验室和郑州市多尺度复合材料重点实验室。现有的大型仪器设备有X 射线衍射仪、X-射线单晶衍射仪、X射线光电子能谱仪、TG/DTA综合热分析仪、扫描电子显微镜、高解析热场发射扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、比表面积孔隙分析仪、表面增强光拉曼光谱仪、显微共焦激光拉曼光谱仪、元素分析仪、傅里叶变换红外光谱等。这些专业科研平台为本专业学生的测试分析实践教学提供了良好的硬件基础。为了加深学生对理论知识的认识、提高学生的实践能力，采取以下措施进行实践教学。

①参与教师的科研项目教师可以将自己的科研项目与学生的科技创新项目、本科毕业设计相结合，鼓励学生进入实验室从事相关测试方法的实验研究。在样品的测试分析环节，指导教师提供经费资助，学生通过参观或亲手操作相关测试仪器，进行从样品制备、测试参数设计、测试操作、数据处理、结果分析等方面的全方位训练。②重点实验室定期组织专业的工程师或实验教师开展仪器使用和操作的培训，教师及时分享消息，鼓励有兴趣或有所需要的学生参加培训。在培训中做到让每个参加培训的学生都能动手切实操作，有些操作看似很简单，但却是最容易出问题的地方，比如X射线衍射仪在开门的过程中，很多同学因为用力过大导致仪器掉高压，因此教师需要反复强调开门要小心。

2.5考核方式探索

《近代测试技术》作为一门专业必修课程，具有非常强的实践性，传统的考核方式很难培养学生的分析解决问题的能力以及学习的积极性，很难实现该课程的教学目的。改革后该门课程采用“平时成绩(20%)+小论文(30%)+期末考试(50%)”。具体实施中，平时成绩包括上课的出勤率、课堂表现、课外参与分析测试的实际表现等。小论文则是要求学生参与教师的项目后，对自己所接触的某一测试仪器，从样品制备、测试参数设计、测试操作到数据处理对所表征样品进行结果分析，在此基础上，完成小论文(字数不限，重在看学生的领悟程度)。对于期末考试的试题，尽量不要出现选择题题型，避免考试结果出现偶然性。实践表明，改革后的考核方式，培养了学生的实践能力和获取知识的能力，激发了学生对科研的兴趣，督促了学生学习，取得了良好的教学效果。