关于《材料研究方法与测试技术》课程教学的探索与实践

＊于洋 王涛 富露祥 康海澜 李鹏 张辉

（沈阳化工大学材料科学与工程学院 辽宁 110142）

《材料研究方法与测试技术》是材料类专业的核心课程。本课程是我院在原高分子材料与工程专业的《高分子材料剖析》、材料化学专业的《材料测试与研究方法》、无机非金属材料工程专业的《材料现代分析方法》三门专业课的基础上进行整合优化，重新打造的一门宽口径的专业平台课程，是我院重点建设的一级学科课程之一。课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量[1]。针对该课程教学内容的特点，课程组秉承“OBE”的教学理念，以学生为中心，反向设计、整合教学内容，在教学理念、教学模式、课程评价方式方面进行积极的探索，取得了良好的教学效果和阶段性成果。2020年，本课程获校级教育教学培育工程（课程改革项目）立项资助，同年被评为校级一流本科课程，校级“课程思政”示范课程，辽宁省一流本科课程（线下课程）。

1.课程教学中存在的问题分析

(1)教学内容分散，知识点关联度低、难度大，学生参与度低

由于本课程是一门宽口径的专业平台课程，要适应不同专业的毕业要求，因此在教学内容的组织上必须根据各专业的毕业要求进行整合，满足课程目标对毕业要求的支撑。课程涉及到常用的材料分析检测技术，包括X射线衍射、电子衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、红外光谱、核磁共振波谱、热分析等。知识模块内包含各种分析检测技术的基本原理、仪器设备的结构、样品制备方法及测试条件、测试结果分析、测试结果的影响因素等。各部分内容分散性大，彼此之间没有必然的逻辑联系[2]。因此，授课教师在组织教学内容时很不方便，学生学起来通常感觉比较枯燥，严重地影响了教学效果。

(2)配套实验不足，学生实践能力无法满足

本课程的教学内容决定了它是一门理论和实践紧密结合的课程[3]，但是在当前的实物实验教学中，由于涉及到的大型分析检测仪器价格昂贵，即使部分实验教学能够利用学校及学院的分析检测设备完成，但是由于受设备管理与维护的制约，实验课主要还是以演示为主，实验指导教师也无法在实验课上看顾所有学生进行实验，更无法做到每个学生都能亲自动手操作，教学效果大打折扣。另外，由于实验项目的设置为单一测试方法，各项目之间相互独立，没有必然的联系，学生的综合实践能力无法获得。

(3)课程考核方式单一，学生学习积极性不高

课程考核是人才培养过程中一个极其重要的环节。它不仅是一种检测学生课程学习成绩及教学效果的方式，即通过课程考核，评估学生掌握所学课程知识与所具有的能力，评价教学质量，而且是课程建设水平乃至学校办学理念的体现[4]。课程评价是一个教学信息反馈圈的有机组成部分，贯穿教学全过程。传统的课程评价方式是终结性评价，即以期末一纸试卷来评定学生对课程的掌握程度。对学生来讲，通常是死记硬背，平时学习兴趣不高，期末临时抱佛脚，常常是为了考试而考试，学习积极性不高[5]。

2.课程教学改革的探索与实践

(1)基于OBE教学理念实施课程改革

成果导向（Outcome-Based Education，OBE）的教育理念是由美国教育家William G.Spady率先提出的，该理念是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。在美国、英国、加拿大等国家，OBE已经成为教育改革的主流理念，随后美国工程教育认证协会（ABET）全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终[6]。2013年6月，我国被接纳为“华盛顿协议”签约成员，越来越多的高校进行基于OBE的教育理念工程教育改革。本课程是典型的多学科综合课程，根据工程教育认证的要求，合理优化课程内容、确定课程目标，来支撑不同专业的毕业要求。课程组基于OBE的教学理念，在教学实践中，根据各专业的毕业要求，确定课程目标、教学大纲、反向设计优化教学内容。

课程目标1.掌握衍射分析、光谱分析、电子显微分析、热分析等方法的基本原理，能够根据需要正确选择材料分析方法、测试技术，具备专业从事材料分析测试工作的初步基础。掌握专业内容的同时融合学术志向与专业理论，积极落实立德树人的根本要求。了解科学理论的实用价值、中国优秀传统文化的智慧和力量，理解社会制度的历史性变革和国家取得的历史性成就。

课程目标2.熟悉衍射分析、光谱分析、电子显微分析、热分析等方法的仪器设备、制样方法、测试结果的影响因素，看懂或分析一般的测试结果（图谱、图像等）。正确认识材料与社会的关系，建立正确的工程伦理观念。具有追求真理、实事求是、勇于探索与实践的科学精神。

课程目标3.能够结合其他相关专业知识，选用适当的材料研究与分析方法，进行简单的实验技术路线设计，解决基本工程问题。能够与分析测试人员共同商讨有关材料分析研究的实验方案和分析较复杂的测试结果，具备通过继续学习掌握材料分析测试的新方法、新技术的能力。养成良好的自我学习和信息获取能力，创新设计能力，良好的沟通、合作、交流能力。

新的课程目标从知识、能力、素质以及思政目标四个方面对课程提出了教学要求。基于以上的课程目标，修订各专业的教学大纲，优化设计教学内容，开展相应的教学活动，帮助学生实现知识、能力、素质和思政目标。

(2)深度融合现代信息技术，建设SPOC课程

2013年，加州大学伯克利分校Armando Fox教授提出SPOC的概念。SPOC（Small Private Online Course是指“小众私密在线课程”[7]。课程组利用“超星学习通”平台，以国家级精品资源共享课作为辅助教学资源建设个性化的SPOC课程，实现优势教学资源共享。

课程组在建设SPOC课程的过程中，积极探索、整合资料，进一步完善了课程资源，在学习通平台上建设了学习资料库、作业库、试题库。任课教师根据学习任务要求，定时发布教学资料供学生自主学习，布置相应的作业和任务点。学生根据学习清单的引导，按一定的时间节点，自主选择合适的学习时间，完成视频观看、课程讨论、作业习题，章节测验等内容。SPOC课程的引入，让学生的课程学习由断点式转变为多维度、立体化、连续性的学习过程，将学习时间由线段式转变为直线式，将课下学习与课堂学习无缝链接，使学习过程贯穿整个课程。

另外，随着科学技术的发展，本课程所包括的研究方法与测试技术也在不断的更新换代，应用范围也在不断的拓宽。因此，授课教师在准备授课内容时要密切关注研究前沿，适时更新课程的时效性内容，延伸与拓展与其他学科的交叉，并适当增加课程内容的难度和广度，使学生对课程学习既有轻微的不适感即有一定的压力，同时又感觉到课程学习是有趣、有用的，充分体现课程“高阶性、创新性和挑战度”。

(3)配套实验教学，增加虚拟仿真实验

虚拟仿真实验是指借助计算机仿真技术、多媒体技术、网络技术等现代信息技术为依托，模拟出现实情境，让学生对实验场景或操作情况有直观的了解和认识，从而达到掌握基本原理或锻炼实际操作能力的教学目的[8]。如前所述，本课程是一门理论和实践紧密结合的课程。因此，实验课程的开设是对理论课程的有益补充。本课程在实验课程中设计了16学时的实验课，包括红外光谱、热重、扫描隧道显微镜、X射线衍射四个实验项目。为了更好的让学生理解材料现代研究方法与测试技术的原理、设备构造、制样方法、实验结果获取及分析，弥补由于实验仪器设备昂贵无法满足实体实验的不足，从2020年，课程组与大连理工大学合作，引入MLabs虚拟仿真教学平台开展虚拟仿真实验试点教学。借助该平台，共计发布扫描电镜、核磁共振波谱、红外光谱、原子力显微镜、X射线衍射、热重6个虚拟仿真实验项目。学生利用MLabs手机客户端（图1）在高度仿真的虚拟实验环境下进行实验，解决了硬件条件不足、时间地点受限、大型仪器安全等问题，得到了不同于传统实验室教学的收获。

图1 MLabs手机客户端登录界面

(4)引入形成性评价方式

传统的以期末一纸试卷来评定学生对课程的掌握已不适应目前的教学需要，必须在评价过程中引入形成性评价，全面把握学生对课程内容的掌握。1967年，美国课程评价专家Scriven首次提出了“形成性评价”的概念[9]。美国当代著名教育家和心理学家Bloom指出：形成性评价是为了获得反馈信息、改进教学、促进学生掌握尚未掌握的内容所进行的评价[10]。形成性评价不仅能及时掌握学生的知识理论学习成绩，而且还能涉及到学生的学习态度、情感、策略、协作能力、批判性思维和创造能力等非智力因素的考核[11]。

课程组在教学实践过程中，逐步尝试改变原来由期末考试一张试卷决定最终课程成绩的评价方式，针对知识、能力、态度三个层次的教学目标，设计了一套形成性评价体系（图2）。该体系在不同学习阶段设置相应的评分点和权重，将课程教学的每一个环节和步骤都纳入评价体系，使课程评价考核更透明、清晰、科学。评价体系包括线上学习评价和线下学习评价两部分。其中线上学习评价主要包括课程视频、随堂测验、作业、小组讨论、问卷调查、签到问答等。学生在线学习情况，可以通过手机和电脑同步完成，平台系统记录学生在线学期情况，教师可以在教师端对学生的具体表现给出评价。线上学习结果由平台系统自动记录并生成成绩，客观公正。线下学习评价部分包括课程实验、期末考试、学习笔记、学案的记录等。线上学习评价一般占比30%-40%，线下学习评价占比70%-60%，其中，期末考试不低于总评成绩的50%。

图2 《材料研究方法与测试技术》课程形成性评价体系

评价方式的改变使评价更加灵活多样，与课程改革的多元目标相适应。

(5)引入“翻转课堂”教学模式，促进学习效率提高

翻转课堂的研究来源于Bloom修订的认知领域分类学理论[12]。随着“互联网+教育”的普及和教育教学改革发展，为适应新时期人才培养的需求，以及学生在线学习、个性化学习的需要，课程组在教学环节中适当引入“翻转课堂”教学模式。学生利用SPOC课程平台，通过任务点的学习完成课前学习任务，理论课前置。课上，学生带着自主学习中的疑问，完成课中消化知识点的任务。理论课程结束后，将学生分成小组，根据所学课程内容，选择某一种研究方法在材料研究中的应用或者某种材料研究中所涉及到的研究方法，查阅相关资料并在课堂讲述，教师进行总结和知识延伸的讲解。翻转课堂已经运行两个学年，学生反馈良好，提高了学习效果。

翻转课堂教学模式的引入，将教师的角色从单纯的知识传授，转变成整个课程体系的组织、设计者，更多的是起到为学生答疑解惑的作用，有利于学生自主学习习惯的养成和自主学习能力的提高。翻转课堂模式的引入，也促使本课程建立了过程性评价和终结性评价相结合的多元化考核模式。同时，由于学生课程任务是基于团队协作模式下完成的，也有效地促进了学生之间的团结协作与沟通。

3.总结与展望

课程组在《材料研究方法与测试技术》课程教学改革中进行了积极的探索与实践。整合优化课程内容，确定了支撑不同专业毕业要求的课程目标；增加实验学时比例并引入虚拟仿真实验，对提高学生实践能力起到了促进作用；设计形成性评价体系，让学生功夫用在平时，激发学习兴趣，提高教学质量。目前存在的问题是SPOC教学平台的引入对教师和学生而言提出了更高的要求，信息化教学团队的建设仍需加强，学生对学习平台还需进一步熟悉，提高线上自主学习效率。虽然引入了虚拟仿真实验，但是对于特别贵重的分析检测仪器的认识和操作仍然欠缺，还停留在图片和网络资源，需要进一步的探索和实践。