以实践为核心的《材料研究方法》课程改革

董伟伟，马 瑞，李海斌，冯绍杰，丁 益

(安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽 合肥 230601)

《材料研究方法》是材料类本科专业主干课程，在材料类专业中占有重要地位，是材料类专业学生必须掌握的一门工具课程。通过本课程的学习，可以使学生了解分析仪器的结构和工作原理，学会材料微观结构、成分等的测试方法。通过组织结构、 成分的观察与分析，理解性能与微观结构和成分的关系，为材料性能的优化及工程结构件的失效分析提供基本方法和实验依据，对完成后续毕业论文及研究生阶段的科研都是非常重要的。

与别的材料专业基础课相比，《材料研究方法》理论性和实用性都很强，需要学生先掌握相关测试方法的原理，再结合实践教学，充分领悟各种实验方法的功能和局限，并能在未来的CDIO和毕业论文等课程环节灵活应用。根据笔者对学生的调研，学生普遍觉得内容繁杂难懂，不知道学好这门课的意义和重要性，最重要的是无法将课本内容和实际分析高效链接在一起，因此缺乏兴趣，严重影响教学效果。特别是在大学本科阶段课时严重压缩的情况下，如何让学生短时间掌握相关材料研究方法的原理、设备、分析方法等内容已经成为材料专业教师不得不面对的一个普遍性难题。

国家教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》文件中提出要“创造条件使学生较早地参与科学研究和创新活动”[1-3]。结合安徽建筑大学无机非金属材料专业的培养目标，学生在大三上学期就开始CDIO项目。CDIO 是指构思Conceive、设计Design、实现Implement和运作Operate，是由麻省理工学院、瑞典皇家理工学院和瑞典查尔姆斯理工大学联合研究提出的一种新型工程教育模式，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行实践教学，在一定程度上较好地解决教育中理论与实践脱节的问题。通过主动的、实践的、协作式的学习，在理论知识、专业技能、创新能力、沟通表达能力和竞争意识等多个方面获得全面的训练和提高[4]。因此，笔者在第一堂课就反复强调本门课的重要性，让学生知道学好这门课一定不能通过死记硬背原理的方法学习，需要掌握材料组成、微结构等基本知识，了解材料分析方法与材料研究的关系；能够根据调研结合文献报道结果，提出材料制备和应用过程中的解决方案；能够根据需要解决的问题选择合适的测试方法，掌握不同测试方法中样品的制备方法以及如何获取正确的实验数据；掌握不同测试方法的基本原理、设备结构、检测信号的优势、特点和局限性；掌握相关软件的使用方法，能够对获得的数据进行拟合、计算、分析，给出解决办法；能够针对材料制备、设计、检测和修复等实际复杂工程问题，综合选择与使用合适的测试方法对材料组成、结构等进行分析；能够根据不同分析方法的局限性选择合适的分析方法或方法组合，测试和分析材料的性能和服役行为。根据上述众多能力要求，需要一方面通过精心设计教学内容，另一方面在专业基础实验、CDIO和毕业论文等多个环节创造条件，让学生反复使用《材料研究方法》中涉及的多种测试方法，增强他们对相关原理的理解、对数据的分析处理能力以及未来在科研和工作中的能力。在此，笔者针对教学中的具体问题所进行的相应改革做一简要的叙述，以期与国内同行交流。

1 教学内容的精心设计

《材料研究方法》这门课分别从知识目标、技能目标和能力目标三个方面设计教学内容。根据无机非金属专业的特点和培养目标，重点讲授X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子探针(能谱仪、波谱仪)、X射线光电子能谱、热分析、振动光谱等相关研究方法的设备、仪器构造以及分析测试原理。

结合现代教育技术的“情境教学法”，通过贴近学生实际生活的案例展示导入新课，充分调动学生的学习积极性，同时引导学生对课堂内容产生思考[5-7]。整个课程的教学围绕典型的实际案例展开，提高学生分析问题、解决问题的能力。例如，在讲授X射线衍射法时，拿出事先准备好的无毒白色粉末，让学生根据已有背景知识在课堂上讨论如何快速测定粉末组分/物相，再根据学生的回答情况讲述X射线衍射法的相关内容，帮助他们加深X射线衍射法原理的理解及利用X射线衍射法进行物相快速分析的优势；在完成透射电镜讲授时，从样品制备到数据分析等方面将透射电镜和X射线衍射在物相分析中的异同进行比较；在讲授扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱的时候先讲电子和物质的相互作用原理，让学生从总体上把握上述测试方法分别利用了二次电子、背散射电子、透射电子和特征X射线与测试样品的相互作用进行样品形貌、晶格条纹及缺陷以及材料组分等的研究。

同时，考虑到教科书内容因篇幅限制，不能全面介绍材料研究方法的最新应用(如冷冻电镜等)，为了扩大学生知识面，课程紧跟专业发展最新动态，将科研工作的新进展、新发现补充进教学内容。以新鲜的课程内容、新颖的课程编排，辅以富有新意的“专业课”授课模式，使学生了解最前沿专业知识，最大程度地激发专业兴趣，如与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者的工作，历史上影响最大的10个实验之利用X射线衍射分析青霉素和维生素B12的结构、2017 年诺贝尔化学奖冷冻电镜技术等内容。在教学案例的使用上，可选择《Nature materials》、《Advanced Materials》等国际知名权威期刊上的文献，选取那些具有代表性或者和不符合平时生活经验的案例，如在X射线衍射法的应用中，通过分析不同含量锰离子掺杂氧化锌的X射线衍射数据与掺杂量的关系，判断锰离子的价态及其对ZnO结构和磁性的影响；银离子溶液为什么具有从红到黑不同的表观颜色，通过扫描电镜分析得出它们具有不同大小和形状；获2010年诺贝尔物理学奖的石墨烯与石墨、金刚石、C60等不同组成形式的碳材料性质差异巨大的原因。通过这些趣味且有针对性的学习，扩大学生的知识面，吸引他们对该门课程的兴趣。

安徽建筑大学材料与化学工程学院为了增强以实践为核心的《材料研究方法》的课程改革，每年都会由老师带领本科生开展不同形式和内容的实践环节。如针对2019级无机非金属材料专业的本科生，在大三开设的《材料科学与工程综合实践》CDIO项目中要求分组后的学生根据文献调研选择合适的材料、组分配比及制备工艺进行NTC热敏电阻陶瓷的制备及性能研究，并通过测量NTC陶瓷的标准阻值、材料常数和电阻温度系数给不同小组评比打分。在这个过程中，学生首先根据已有材料科学基础的相关背景知识讨论确定实验方案，在利用溶胶-凝胶法或者固相反应法获得不同组分的NTC热敏电阻陶瓷粉末后， 利用X射线衍射、扫描电镜、热重等材料研究方法开展材料物相、形貌、热稳定性的测试和分析。学生需要以目标为导向，在完成相关测试后，分析不同掺杂量和制备工艺对X射线衍射峰位的影响，不同热处理工艺(升温速率、热处理温度及热处理次数等)对粉末结晶度和颗粒大小的影响，并结合NTC热敏电阻陶瓷标准阻值、材料常数和电阻温度系数的结果综合分析组分、形貌、工艺对材料性能的影响机理，加深对材料分析方法与材料研究间关系的理解。通过该教学环节的改革，避免了平时教学过程中测试固定样品带来的诸多问题，如学生积极性不高，部分学生存在抄袭行为，作业完成质量不理想等。

2 教学方法的改革

2.1 改革陈旧的内容，提高多媒体教学效果

从综合应用能力培养出发，通过实例就一种测试方法讲深讲透，引导学生如何针对具体问题设计选择合适的研究方法，而不是面面俱到、浅尝辄止。对X 射线衍射分析，通过分析X射线衍射图谱的实例，将原理和实际应用有机的结合起来；对透射电镜，突出谱图分析，以衍射花样的标定为主线，组织教学内容。通过这些方法，使学生有针对性的重点掌握书本上的部分知识，同时做到理论联系实际，达到学以致用的目的。

充分利用现代多媒体教学手段，解决课内课时少与教学要求高的突出矛盾。多媒体能够形象的展示教学内容，对于《材料研究方法》这样试验性和应用性强的课程，各种图谱通过多媒体播放出来，可以让学生更能深入理解所学知识。对于一些难理解的原理性内容，也可以通过观看视频或动画来增加直观性。如根据教学大纲，在讲X射线衍射前，需要讲解七大晶系以及常见的晶体结构等晶体学内容，这部分内容非常抽象，告知学生可以观察家中部分食盐颗粒是正方体的外形，原因是由于NaCl为立方结构晶体。让学生自己在网站上观看晶体生长的小视频并动手尝试生长晶体，帮助他们理解晶体学知识和晶体外形之间的关系，激发学习兴趣。

2.2 加强计算机在课程中的应用

实验教学是理论课的重要补充，而实验结束后的实验报告则是实验教学过程的一个重要环节。以往的实验课学生只考虑实验操作成功与否，是否获得理想的实验结果，实验报告书写流于形式，相互抄袭现象普遍存在。如何提高学生对实验课的兴趣，使他们主动投入到对实验方法、步骤和结果的设计与分析中，增强学生科研意识、培养科研思维，是多数教师面临的问题。

在《材料研究方法》很多实验需要利用计算机软件作图分析，如分析X射线衍射数据需要使用Jade，X射线光电子能谱需要使用XPSPEAK等。选择的教材上一般没有相关软件的使用方法和数据处理步骤，让学生在完成实验报告的过程中自己摸索软件的使用，会给学生增加太多负担，影响实验报告的完成质量，导致部分同学抄袭别人的结果。因此在上课过程中除了讲述相关研究方法的原理、仪器组成等内容以后，对软件的使用方法也进行大致的讲解，或者在实验过程中加入软件安装、使用、数据处理方法等内容，帮助学生顺利掌握数据分析处理的方法和技巧。

2.3加强教师自身素质，将国际国内研究热点带入课堂

为提高教师科研和工程实践能力，安徽建筑大学鼓励和支持青年教师出国(境)研修，参加国际/国内高水平学生会议，承担国家基金、省部级项目等各类纵向、横向科研项目。通过上述举措，可有效增强教师自身素质，更好地将教师自身的科研结果及国际国内的研究热点带入课堂，让学生切实了解学好《材料研究方法》的意义，并且可以让学生在第七或第八学期加入感兴趣老师的研究团队。

3 课程改革达到的教学效果

以实践为核心的课程改革从来就不是一蹴而就的，而应该是一个根据变化的学情分析不断改进和完善的过程。通过结合国际国内的研究热点和国家发展战略需求改革陈旧的教学内容，如在上课环节和CDIO及毕业设计环节增加新能源材料、环保节能材料、电子信息材料等的相关内容，帮助部分学生真正理解了《材料研究方法》这门课在整个培养计划中的地位和作用，用讨论代替讲述，用互动改变被动，增强了学生的主动学习行为。

在日趋严重的考研压力下，目前大部分学生普遍具有较强的主动学习意识和学习能力，因此笔者和相关课程老师通过近几年来不断的实践探索，使部分学生在完成本课程的学习后真正提高分析解决工程实践问题的综合能力及从事材料科学研究的综合素质，甚至部分本科生已初步具有独立从事科学研究的能力，为未来继续深造奠定基础。但是目前课程改革还存在一些问题，如无法照顾到全部学生特别是后20%学生的学习情况，部分学生仍存在死记硬背不同材料研究方法的特点和相互区别等问题，这也是我们未来课程实践改革的重点。

4 结 语

教师的职责不仅仅在于完成自己的教学任务，更在于怎样促使学生自主学习。教学改革是一项长期的需要不断探索、完善的工程，要培养和保持学生浓厚的学习兴趣，课堂教学手段就必须不断更新，采用灵活多样的教学方法，通过多种手段激发学生学习的热情，让学生变兴趣为参与实践的动力，使学生成为教学过程的主角。通过将CDIO教育理念和《材料研究方法》的有机结合，提出在教学内容、教学方法上的一些个人思考和做法，以期获得良好的教学效果。