《材料研究与测试实验》课程的教学改革与探讨*

李必慧，杨海平，倪 静，赵双琪

(湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北 孝感 432000)

随着科学技术的发展，各种新型的材料不断涌现，对这些新材料的表征离不开大型精密仪器，而大型精密仪器是高校和科研院所开展科学研究和教学工作的基础。因此，《材料研究与测试方法》及相关课程成为材料类专业本科生乃至研究生的必修课程之一[1]。该课程可以使学生了解和掌握材料成分分析和结构表征的方法，为以后学生的就业和独立开展科研工作打下坚实的基础[2]。《材料研究与测试实验》是《材料研究与测试方法》对应的实践课程，能够巩固和加深学生对所学知识的理解，训练实验操作技能，培养学生的实践能力和科学研究兴趣。本文作者结合近年来实验教学经验，指出了《材料研究与测试实验》课程中存在的问题，并有针对性地提出了教学改革措施。

1 教学现状及分析

湖北工程学院(以下简称“我校”)是一所地方性本科院校，作者所在的化学与材料科学学院目前有材料化学、材料科学与工程和高分子材料与工程三个材料类工科专业。《材料研究与测试方法》及《材料研究与测试实验》是我校材料类专业的主干课程，安排在第5学期，分别是48学时和24学时，主要介绍了X射线衍射分析、电子显微分析、综合热分析及光谱分析等仪器的原理、操作及结果分析。经过多年的发展，我校已拥有X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、热分析仪，各类光谱分析仪和色谱分析仪等大型仪器，且每台仪器有专人操作和维护，基本上涵盖了《材料研究与测试方法》课程中介绍的仪器，使得实验课能正常进行。但是在教学过程中，一直存在下面的问题：

1.1 学生课堂参与度低，学习热情不高

《材料研究与测试实验》课程一般从以上仪器中选出8台，以每次课3学时来完成学习。大型仪器价格昂贵，购买和维护成本高，因此，早期实验课以教师讲授，演示为主，少量学生作为代表简单操作仪器，课程上完后很多学生没有印象。在实验课上，学生不能动手操作，长此以往，学生对该课程会逐渐失去兴趣。

1.2 仪器台套数不足，生均学时少，实验内容少

大型仪器由于价格昂贵，很多仪器只有一台，学生必须分组并排队等候方能上机操作。由于学生人数众多，等待时间可能远大于上机时间，这样实验中落实到学生的生均实验时间很低，实验内容偏少。学生在等待操作仪器时，会小声说话，或者玩手机，课堂秩序较差。

1.3 教师负担重，疲于应付，教学效果差

大型仪器的操作比较复杂，在制样及结果分析中还需操作者具有丰富的经验。《材料研究与测试实验》课程涉及的仪器种类多，而不同的研究领域，常用的仪器不同，因此同一个教师不可能精通所有仪器。由一个教师单独上该课程，教师在课前要花大量的时间熟悉仪器，在讲授过程中又由于平时应用不多而缺乏实例，不仅教师负担重，而且教学效果也不佳。

2 课程改革与措施

作者结合多年的教学经验，针对本校《材料研究与测试实验》课程的教与学，从以下三个方面提出改革：

2.1 小班化教学

小班化教学模式就是在控制班级人数的基础上进行教学[3]。这种教学模式具有优于大班教学的时空及资源条件，提高了学生学习的主观能动性，增加了师生比例，且教师有足够时间对学生进行个别指导[4]。

本校考虑学生的人数和专业，将其分为8组，每组人数在15～20人之间，进行小班化教学。每次课同时开设8台仪器的实验，每位老师只需负责一台仪器的教学，学生每次进不同的实验室上课，每周依次循环来完成学习。如果遇到非通用仪器，学生循环和仪器会稍作调整。另外，针对不同的专业，每台仪器对应的具体实验内容会根据专业特点稍作调整。如对于实验《X射线衍射定性分析》，关于仪器的原理和操作方法的讲解每组都相同，但在具体测试中会考虑专业特点分别提供无机或聚合物样品给学生测试。在结果分析部分，会依据峰形和峰位进行分析，确定样品的物相。最后与学生一起总结无机材料或高分子材料的X射线衍射图谱的特点。

采用小班化教学后，每位教师只用教授一台仪器对应的实验内容，可以全身心地投入，利用丰富的专业知识和经验教学；而对学生来说，在同样的时长内，每人上机时间延长了，通过对仪器及测试条件的摸索能留下更深的印象。小班化教学已在本门课程教学中实施，教学中既减轻了教师的负担，又改善了学生的学习效果。

2.2 混合式学习

混合式教学是一种将面对面的传统教学和新兴的网络化教学优势结合的一种教学模式，可以更好地发挥教师在教学中的引导、启发等主导作用，更好地发挥学生在学习过程中的主动性和积极性[5]。预习是实验课前的必要环节，由于实验和仪器场地的限制，学生没有接触仪器而使预习效果不佳。在实验的预习环节，《材料研究与测试实验》可以依托学习通与虚拟仿真实验开展线上教学，这可以作为实体实验教学的重要补充。线上以知识学习为主，仪器操作训练为辅。新课之前，教师提前在学习通中发放实验内容，包括仪器的原理和基本结构，操作方法视频等内容。学生在上机操作前必须完成上述内容的学习，这就让学生在上机等待过程中有事可做。

价格昂贵的大型仪器一般只有一台，且仪器的维修经费少、周期长。很多仪器的实验参数不能让学生改变以避免仪器的人为损坏，这就影响学生的学习效果。虚拟仿真实验可以通过计算机模拟真实的实验场景，完成一些在线下实验室不便于完成的内容。我校的“材料化学虚拟仿真实验教学中心”为省级实验教学示范中心，配备了较先进的网络设备、服务器和存储器。目前我校已与公司合作开发了“高效过滤材料设计和应用虚拟仿真实验软件”，后期经过进一步合作，可开发本课程实验所需的虚拟仿真软件。虚拟仿真实验不仅能让学生学习到仪器的原理，仪器结构等基本内容，同时设置了一些不便于调节的参数，丰富和优化实验内容。实验内容互动性较强，可选择性强，也可实时反馈输出信息，方便学生自主探索调节技术及相关的实验问题，具有一定的可延展性和可探究性。将虚拟仿真实验作为线下实验课的补充，可以丰富实验内容。

通过混合式学习的方式，合理利用学生等待上机时间，解决了大型仪器台套数不够，生均实验时间不足的问题。学生在学习通上对提前发布的内容进行预习，再利用虚拟仿真实验系统熟悉仪器的基本操作和实验参数的调节，能提高后续上机实物操作的学习效率。这种混合式学习既补充和深化了实验教学内容，又发挥了以学生为本的教育理念。

2.3 分组化数据处理与分析

学生在完成了线上学习和上机操作后，还需要对数据进行处理与分析。目前，不管是毕业论文中，还是公开发表文章，都需要将各种数据通过软件绘图，因此学生必须掌握常用软件如Jade、Origin的使用，为将来的论文及就业做好准备。为了激发学生的兴趣，采用小组比赛的形式，4～5人一组，记录小组绘图时间，评价图片效果。最后对图片进行分析和讨论，并将结果计入学生平时成绩中。学生分组后，在最短的时间内通过组内合作进行绘图和分析，组外同学通过互评和讨论发现问题，提高了学生的参与度，有利于提升学生的分析和解决问题的能力。

3 结 语

通过分析湖北工程学院材料类专业《材料研究与测试实验》课程的教学现状及存在的问题，提出了小班化教学，混合式学习，分组化数据处理和分析等基本措施，解决了学生上课积极性差，仪器台套数不足，生均上机时间短，实验内容不够饱满等问题。该课程的教学改革是一项长期的工程，我们需要结合不同时代学生具有的特点，不断开创适应性较强的教育教学新思维和新方法，逐步提高教学质量。