《材料现代分析与检测技术》课程教学改革探索

杜广芬，李文娟，蔡志华，马晓伟

(石河子大学 化学化工学院，新疆 石河子 832000)

材料科学主要研究材料的结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，是一门集物理、化学、冶金学等于一体的交叉科学，主要包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等领域。在当今社会，材料科学已发展成为最为活跃学科之一，各种重要的材料，如石墨烯材料、3D打印材料、超高高温材料、人造皮肤材料、隐身材料、航空航天材料等重要功能材料被开发并迅速获得应用。目前，材料科学已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

石河子大学化学化工学院适应本地材料产业发展和本校学科建设需求，2012年在应用化学系材料专业的基础上，新分离组建了材料科学与工程系，并于当年招收本科生。材料科学与工程是涉及材料学、工程学和化学等方面的宽口径专业。该专业以材料学、化学、物理学为基础，主要研究的是材料组成、结构、加工工艺与其性能和应用。在该专业所开设的众多课程当中，《材料现代分析与检测技术》是一门极其重要的专业基础课[1-4]，该课程主要介绍了材料现代分析测试方法的基本原理、试验方法、仪器设备及其应用。课程的主要内容包括：X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析与电子探针、光电子能谱与俄歇电子能谱、热分析技术、原子发射光谱和原子吸收光谱、拉曼光谱分析、红外光谱分析、荧光光谱和磷光光谱分析等。该课程的主要特点是知识点多，应用性较强。每一种仪器都有其特有的工作原理、谱图解析方法、适用范围等，还涉及到大量重要的公式计算，知识点较为分散。另一方面，石河子大学材料科学与工程系所招收的本科生数理基础较为薄弱，且从未接触过各种材料表征仪器，采用传统的灌输式、传授式授课方式较为抽象，效果不佳。为了提高教学效果，让学生由被动接受式学习转为主动探究学习，我们进行了多方面的改革探索，学习效率明显提高。

多种教学手段相结合，变抽象为直观。除了用传统的板书讲授相关原理和公式计算外，我们结合多媒体、flash动画、视频等手段，将抽象的结构直观化，学生可以直观的观察到材料内部的结构，也可以了解各种仪器的具体组成部分。另外，我们在大学一年级第二学期开始，引导本科生分批进入科研实验室接受科研启蒙培训，作为科研助手跟研究生学习各种材料制备和表征，逐渐接触各种材料结构表征仪器和谱图解析方法。通过这种基础铺垫和实验室学习，学生接触到了多种材料结构表征仪器，并且学习了读谱解谱，对相关仪器不再陌生，这为后期的《材料现代分析与检测技术》学习打下了基础。

部分内容采用翻转课堂教学[5-6]，变被动学习为主动学习。传统的教学方式是教师主导课堂教学，采用灌输式，学生只是被动接受知识，学习积极性不高，学习效果价差。翻转课堂(Flipped Classroom或Inverted Classroom)重新调整课堂内外的时间，学生是课堂的主导，教师起引导和辅助作用，这样可以充分调动学生学习的积极主动性，提高学习兴趣和学习效率。我们将《材料现代分析与检测技术》中的X-射线衍射分析、红外光谱分析、原子光谱分析、拉曼光谱分析等抽出一部分，有学生分成小组收集材料，做成幻灯片，在课上进行讲解，这极大提高了学生的学习参与度，也提高了其他学生的听课效率。

仪器工程师授课，激发学生学习兴趣。各大仪器公司都有自己专业的工程师负责不同片区相应的仪器安装培训和后续的技术问题，这些工程师的优势在于实践经验丰富，对自己所负责仪器的构造和工作原理非常熟悉，对样品的测试流程和相应的谱图解析非常专业。石河子大学化学化工学院入选国家“双一流”学科后，大量的建设经费用于购买各种大型分析测试仪器，其中就包括了多种材料结构表征方面的先进仪器设备。为增强企业竞争力，这些大型仪器供应商都会免费委派工程师为高校客户提供相应的技术支持。基于此，我们每年都邀请这些公司的专业工程师来石河子大学为广大师生做免费培训。我们在此基础上，结合《材料现代分析与检测技术》的授课进度，一方面安排专业工程师进入本科生课堂，对不同的仪器设备的构造、原理等进行专业解析授课，另一方面安排工程师进入仪器测试实验室，当场讲解仪器的使用操作流程、样品制备方法、谱图解析方法，让本科生在学习理论知识的基础上，更加直观的了解相应的材料表征仪器。仪器工程师来自企业，带来了清新的企业文化，他们具有丰富的仪器方面的经验和较强的

工程背景，工程师的授课方式以及与学生互动交流方式与大学教师差异较大，由于其丰富的实践经验，案例更多，授课更加生动，更易于吸引学生的学习兴趣，从而大幅提高学生学习效率[7-8]。我们每学年邀请的工程师进课堂授课约12学时，实验室现场教学超过16课时。工程师涉及了X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、热重分析、拉曼光谱分析、红外光谱分析等不同大型分析测试仪器，这种邀请工程师进课堂的方式受到广大学生好评。

学生自己出题组成试卷，提高学习效率。通过自由组合，将学生分成若干学习小组。在任课教师指导下，这些学习小组负责不同章节的知识点整理并列出3～5道候选测试题目，教师选择并抽取这些题目组成考试卷，进行最后测试。通过这种方式，出题的学生会积极主动去理解相关知识，并通过小组讨论加深对知识的理解，而且不同小组之间可以通过交流讨论，学习不同的章节知识点。结果表明，十多个小组所出的30～50道题目，基本覆盖了全书的主要知识点。而全班同学通过交换学习，讨论学习等主动学习方式，基本上牢固掌握了这些重要知识点。

作为材料科学与工程专业的核心基础课，《材料现代分析与检测技术》这门课程所涉及的不同仪器都是材料学研究所必需的，学好这门课对材料专业学生今后的发展影响深远。我们经过多年的实践，对多种教学手段相结合、翻转课堂、工程师进课堂、学生自主出试卷等进行了尝试，明显提高了学生的学习积极性，这些改革措施可以作为其他同类课程改革的参考。