材料组织结构表征课程学习兴趣探索

刘梅帅，何博

（1.上海工程技术大学 高温合金精密成型研究中心，上海 201620；2.上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）

材料科学与工程专业酝酿于20 世纪50 年代末，创建于60 年代初，已历经半个世纪。材料科学是以物理、化学为基础，结合冶金、机械和陶瓷等学科，以求探讨材料的内在规律，研究材料的成分、组织、性能与合成加工关系的多学科交叉学科。在材料学科的发展过程中，为提高材料性能、改善材料质量和扩大材料种类，必须通过现代科学理论和实验手段，从宏观现象到微观结构测试分析，以加深对材料本质的认知，从而使得材料科学理论和实验表征手段飞速发展。根据材料科学与工程学科的发展需求，基于新经济形势下工业和经济发展对人才的培养需求，以及新工科教学改革的契机，本校特开设了材料组织结构表征课程，以期为学生研究科学问题奠定理论基础，同时也为高等院校的相关课程提供一定的参考。

一、教学现状

材料组织结构表征课程是上海工程技术大学材料类专业开设的一门研究生基础课，主要详细介绍了材料的微观组织结构与显微成分的分析表征方法。材料的显微组织结构主要包括显微化学成分、晶体结构、晶体缺陷、晶粒尺寸、晶粒形貌、相含量与分布、界面特征、位相关系和内应力等内容。因此，本课程主要介绍下述表征手段以获取多尺度全方面的组织结构信息，其内容主要包括金相显微镜（OM）、X 射线衍射仪（XRD）、热分析仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）及其配备的电子背散射衍射（EBSD）装置、电子探针（EPMA）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）等几种材料表征方法的基本原理、仪器构造、检测过程、应用领域、待测样品制备技术、实验结果及其相关分析处理手段等。通过材料组织结构表征课程的系统学习，学生掌握相应的基础知识、基本技能及必要的理论基础，明确材料组织结构和性能之间的内在联系，能够合理选择适宜的表征手段开展材料组织与结构的分析测试，从而具备开展材料科学研究和解决材料科学与工程领域相关问题的能力。

材料组织结构表征作为一门承上启下的材料类基础课程，学生学习理解的程度，密切关系到学生是否能够利用所学的表征手段合理分析专业问题，解决实验过程中的疑点和难点。该课程作为一门化学、物理、冶金、晶体、材料、生命科学、精密加工与特种加工，以及纳米技术等多学科交叉的专业基础课，具有发展性、实践性和综合性强的特点。而且，材料组织结构表征课程教学内容多而繁杂，还涉及光学、物理学、波谱学、电磁学和晶体学等理论基础知识。由于该课程具有知识繁多、内容抽象、更新速度快、连贯性差和实践性差等特点，使得课程内容的教学有一定的困难，学生的学习理解也相对较难，尤其是学生对材料组织结构表征课程的学习兴趣也相对比较低。

众所周知，兴趣是最好的老师。学生只有在学习过程中体会到获取知识的乐趣，才能主动去学习、理解并掌握新知识，才会产生强烈的求知欲。因此，激发学生的学习兴趣，提高学生对课程的学习和掌握能力，是材料组织结构表征课程的教学难题之一。基于此，本文结合教学经验，初步探讨激发学生对材料组织结构表征课程学习兴趣的有效的教学方法和手段，以期培养学生的学习兴趣，进而提高学生的学习热情，同时完善学生的知识储备。

二、改革措施

基于上海工程技术大学材料组织结构表征课程的教学内容、教学现状、教学经验，以及尚存在的课程内容枯燥且学生学习兴趣较低的相关问题，本文针对性地采用了如下课程改革措施。

（一）举例论证，引入主题

材料组织结构表征课程本质即介绍分析各种材料的组织结构表征手段，如金相显微镜、X 射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等设备。然而材料又与人们的日常生活息息相关，研究材料的出发点也是提高材料的质量与性能，从而进一步改善人们的生活质量。因此，授课教师可从实际生活出发，举例论证日常生活所见材料的广泛应用及研究意义，进而引出学习各种表征材料设备的重要性与必要性，从而激发学生的学习兴趣和求知欲。

例如，从航空航天、军工武器出发，2021 年5 月15日中国航天科技集团有限公司研制的天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。那么，如何获知天问一号探测器由哪些材料、哪些成分组成呢？如何检测该探测器对自身的材料都有什么特殊要求（强度、塑性、疲劳性能和腐蚀性能等）呢？通过何种处理方法加工制备这些材料才能达标呢？又如何表征这些材料的微观组织结构及综合性能是否满足需求呢？有哪些要求达标？又有哪些要求不达标呢？基于上述一系列的问题，激发学生的求知欲、探索欲及学习兴趣。

因此，通过借助当前最新的社会新闻、社会热点或者网络头条等信息，可以很好地引起学生的关注度，激发共鸣，集中学生的注意力，把他们的思绪拉回课堂，带入课程内容。再通过这一系列问题的提出，组织学生自行查阅资料、小组讨论等，进而引发他们的求知欲及学习热情。最后再进一步结合材料组织结构表征课程内容，对上述问题进行一一阐述、解答并引深，以激发学生的学习兴趣点，从而正式引入课程主题内容。

（二）图文并茂，辅助学习

在课程学习过程中，授课教师可穿插介绍相关科研项目、科研论文及实验课题等，与学生共同分享学习，以提高学生对于课程内容的学习兴趣。通过介绍相关科研项目、前沿期刊及高水平学术论文，实时跟踪掌握最先进的材料组织结构表征手段，以激发学生对于课程内容的求知欲和学习欲，提高学生对知识点的学习能力与掌握能力，也能更简单清晰地理解不同表征设备之间的联系与区别及其应用范围。同时老师在教学过程中，还需要采用图片、动画和视频等形式丰富文字理论内容，将较抽象且难以直观描述清楚的重点和难点，演绎得更加生动形象，从而便于学生理解。

譬如，授课老师可以将自己研究的课题内容及发表的论文在课堂上与学生分享学习。在课题的研究过程中，需要解决哪些科学问题、实际应用问题或者国家发展瓶颈的问题。以该问题为出发点，都需要通过哪些表征设备获取哪些数据，具体获取的数据、使用的各个设备，以及选择每种表征设备的原因，都可以和学生一一介绍。通过展示获取的数据图片，分析解决问题，让学生进一步认识到学习并理解掌握各种表征手段的重要性，以培养学生的学习兴趣。同时，在授课过程中添加课外知识、图片数据及期刊文献，也可进一步丰富课堂内容，提高学生的专注度，辅助学生对课堂知识深入的理解，也为乏味枯燥的课堂内容学习增添一丝生机。

（三）实践操作，加深理解

材料组织结构表征课程作为一门典型的理论与实践紧密相结合的研究生课程，授课教师不仅要在课堂上对各个表征设备的基础信息、运行原理及应用领域进行详细剖析，还需要带领学生进入实验室进行动手实践操作，让学生切实地去感知、去发现和去体验课堂上抽象的理论知识。通过在该课程中加入实践操作的课程内容，将会显著提高学生的学习兴趣和学习热情，发掘学生的学习潜能，加深学生对于抽象知识的学习理解，从而也能进一步提高该课程的教学效果。

例如，在学习光学显微镜（OM）的时候，可以带领学生进入实验室，教学生亲自对样品进行砂纸打磨、机械抛光、化学腐蚀及清洗干燥，而后通过实践操作光学显微镜观察自己制备的样品的组织状态，实际观察晶粒的尺寸、位置、分布和形状等组织形貌特征，以及学会区分划痕、杂质和水渍等污染物。通过这一系列的学习及操作，不但可以激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，还可以帮助学生对该部分课堂内容更好地理解与掌握。

对于其他大型设备，例如透射电子显微镜（TEM），由于设备稀缺、操作复杂，可以直接带领学生参观透射电子显微镜实验室。以实际表征设备为基础，通过让学生近距离观察透射电子显微镜，对该设备有一个宏观的概念，同时对该设备的各个零件及其功能进行一一介绍，并对材料进行实践检测，让学生亲眼见到不同操作步骤不同条件下所观察到的材料的组织结构信息的区别。例如，通过操作透射电子显微镜的物镜光阑、选区光阑、电子束斑或者倾转样品不同角度等步骤，让学生亲眼见到衍射斑点、明场像、暗场像、等倾条纹和菊池花样等课堂上难以理解的抽象内容。通过课堂的理论学习及实践操作，帮助学生们对复杂抽象难懂内容进一步理解。同时，实践操作过程中还可以进一步带领学生更直观地认识材料中的纳米颗粒、位错、孪晶（图1）和原子等极其细小微观组织结构，加深学生对于抽象概念的认知与理解。因此，对于材料组织结构表征这门课程，通过理论教学与实践操作的共同运用，可更好地调动学生的学习积极性，激发学生的求知欲，加深学生对课堂内容的理解与掌握。

图1 透射电镜观察下的孪晶

（四）辩证探讨，反客为主

通过改变传统的“填鸭式”教学模式，合理设置不同课程主题，组织学生依据个人兴趣进行分组讨论，让学生踊跃参与到教学的互动过程中来，以更生动更有趣的讨论教学方式去引导学生学习，以更简洁明快的节奏去调动学生的积极性，使学生在学习过程中逐步培养学习信心和学习兴趣。通过“翻转课堂”的教学模式，提高学生的主观能动性，在五十分钟的课堂教学过程中，让学生成为课堂教学内容的主导者，同时淡化教师角色，在课堂教学过程中扮演辅助者，帮助学生解决课堂内容中的疑难问题，把握大方向。

例如，分别设置扫描电子显微镜课题组、透射电子显微镜课题组和X 射线衍射仪课题组，让学生自主选择自己感兴趣的课题组，自行组队并查询相关课题内容资料。在资料的查阅过程中，既可培养学生的搜集信息能力，又可以加深学生对于该部分内容的理解和掌握。而后，课上不同课题组的学生再根据自己的论点，通过幻灯片的方式，为其他同学介绍自己所选的表征设备的优缺点及应用前景，同时回答来自其他不同课题组的学生的问题。通过这种分组展示、分组辩论及解答问题的方式，深化学生们对于课堂内容的理解。而教师则要在学生搜集信息、展示成果及辩论过程中为他们答疑解惑，提供帮助，同时解决学生们遇到的各种疑难问题。通过这种互动交流方式，可以更好地调动学生主动学习的积极性，给学生留出独立思考和自学的机会，进而强化学生对知识的认知。

（五）线上教学，学生主导

当今社会，随着网络媒体技术的飞速发展，学生们已经逐渐习惯性地利用网络来获取知识、学习知识并分享知识，网络化教学模式已逐渐成为当今“互联网+”时代的主流模式，线上教学也将成为大势所趋，这将是促进教育现代化发展的重要支撑，同时也是更符合新时代学生学习知识的新形势。此外，由于线上教学的特殊性、新颖性，也可以更好地培养学生的学习兴趣，还可引导学生进行自主学习和深入学习，同时也能拓展学生的知识面。

例如，线上教学可以把课前导读、课上测验、课后复习及知识点拓展等相关内容进行综合设计。由此，学生可根据自己的时间、学习进展和感兴趣点等对课程内容进行自主选择，学习时间也更加灵活。同时，教师还可以根据不同学生的学习资源时长、倾向资源类型、习题正确率、作业完成度、讨论发帖数和使用活跃度等情况，针对性地进行实时统计分析。在课堂讲授过程中，授课教师可根据学生课前学习的统计数据更清楚地了解学生学习进展，掌握学生的学习情况。进而授课教师可以学生为主体，通过针对性讲解、提问和讨论等方式帮助学生查漏补缺，全面掌握授课内容。课后，教师还可通过统计的数据，获取学生感兴趣的内容及展现方式，有针对性地在平台布置相关类型的习题作业、讨论小组等，以进一步培养学生的学习兴趣，加深学生的学习效果，引导学生们积极主动地学习。

三、结束语

本文论述了当前材料组织结构表征课程教学现状，针对教学中存在的问题，从培养学生兴趣为出发点，在提高学生的学习积极性方面开展了教学内容和教学方法的改革尝试，在激发和提高学生对该课程的学习兴趣方面效果显著。综上所述，通过举例论证切入主题、图文并茂辅助教学、实践操作深化理解、学生分组辩证讨论实现反客为主，以及线上教学引导学生自主学习等改革措施，将进一步提高材料组织结构表征课程的教学效果，激发学生的学习兴趣，加深学生对课程内容的学习理解与掌握，也为新工科教学提供新思路和新方法。