功能材料专业《材料现代分析技术及实验》课程教学实践与探讨

＊姚霞喜 胡秀丽 王旭红 刘龙飞

（常熟理工学院材料工程学院 江苏 215500）

《材料现代分析技术及实验》是我院功能材料专业的核心课程和学位课程，本课程重点介绍与材料相关的结构表征和性质分析手段，具有多学科交叉、知识面广、实践性强的特点，与材料制备、材料性能共同构成了材料类专业的三大课程群[1]。材料性能不仅由其成分组成决定，还受到其结构的影响，材料组成与结构的精确分析是揭示结构与性能之间潜在关系的前提，对材料结构设计与性能优化有着重要的指导作用。本课程主要内容包括X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜以及X射线光电子能谱等，通过本课程的教学，使学生掌握材料分析手段的基本原理、仪器结构、应用领域，能够初步分析材料测试结果，针对具体问题能够选择适当的材料现代表征方法，为今后从事材料专业的研究和生产奠定必要的基础。为提高《材料现代分析技术及实验》课程教学质量、培养学生学习兴趣、提升学生课程参与度，在多年教学积累的基础上，探索多种教学模式，巩固知识应用，以期培养材料类分析检测的高素质应用型人才。

1.理论授课与实验教学的相辅相成

《材料现代分析技术及实验》课程理论性较强，重在让学生掌握多种仪器分析技术的原理、组成结构以及应用领域，在实际过程中能够选择正确的表征手段并能分析实验表征结果。对于未接触过实际仪器分析的同学而言，存在课堂知识接受慢、抽象难懂、知识运用迁移不足的普遍问题，教师在理论授课过程中应注意逻辑结构的梳理、思维导图的使用、背景知识的讲解、以及材料分析共同点的凝练，并通过多种形式过程性考核及时发现学生学习过程中存在的问题，利用集中复习和课后答疑消除学生遇到的学习疑点。例如，针对本课程中涉及的材料现代分析方法，可按照物相结构、微观结构、成分分析对其进行功能性分类，物相结构分析包括X射线衍射，微观结构分析包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜，成分分析包括电子探针、X射线光电子能谱。材料分析模块化教学有利于学生区分不同的测试技术、避免学生学习过程中出现知识点混淆。再者，在授课透射电子显微镜相关内容时，先介绍其发展的背景，由大家熟知的光学显微镜引申到电子显微镜，且两者在结构上有很多相通之处，背景介绍及结构类比在一定程度上可消除学生对大型仪器的陌生感。

另外，通过“N+1”考核模式（N为课程学分数）可及时掌握学生学习情况，本课程为4学分，课程教学过程中通过平时作业、讨论题、期中考试、实验考核、期末考试等5种形式考察学生学习效果，形成过程性评价机制，针对集中出现的问题可通过复习、答疑的方式有效解决。此外，实验教学是本课程不可或缺的一部分，实验教学采用分组教学通过仪器现场观摩、仪器构成介绍、样品制备、仪器测试及结果分析等过程可让学生在理论知识储备的基础上进一步分析实际问题，将知识学习、知识应用、甚至是知识迁移有机联系到一起。本课程实验教学穿插在理论课教学过程中，一般在相关理论授课结束后即安排实验教学，实验教学可培养学生动手操作能力、独立思考能力、小组协同合作能力及实际问题分析解决能力[2]。部分仪器表征可安排学生分组动手操作测试，在实际实验过程中让学生切身体会如何将理论知识应用到实践过程中。理论授课为实验教学提供理论基础，实验教学为理论授课提供应用验证，二者相辅相成，理论授课与实验教学相结合的模式是本课程教学的特色与关键（图1）。

图1 《材料现代分析技术及实验》课程教学概述

2.运用虚拟仿真实验平台巩固知识运用

本课程涉及的分析方法多为大型仪器，需经过专业培训才能上岗操作，且多种仪器外有防护罩，实验教学过程中学生对仪器内部结构感官较少，部分实验教学依然存在较为抽象、学生参与度不高的难题。针对这一问题，本课程教学过程中引入了虚拟仿真实验平台，虚拟仿真实验涉及到每位学生动手操作，包括实验准备、实验原理、样品制备、仪器操作、数据处理等，且包含仪器内部结构的动画模拟，分解清晰，弥补了大型实验仪器硬件不足及本科生无法操作的缺憾。学院目前与大连理工大学合作，引入MLabs虚拟仿真实验平台，同时结合实验空间-国家虚拟仿真实验教学课程共享平台提升学生对实验设备的认识，增强学生对材料分析技术的理解，本课程共开展了X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、以及热重六个虚拟仿真实验项目。同时，利用课程项目组可监测虚拟仿真平台学生端完成情况，起到实验考核过程性评价的作用。虚拟仿真实验具有不受场地环境限制、无需实验耗材投入、学生可反复操作、安全性高、实验效率高等优点，也可为线上实验教学提供支撑，突破了传统的实验教学模式，提升了学生参与的积极性，有效改善了实验教学效果[3]。

虚拟仿真实验平台的运用丰富了实验教学内容，优化了实验教学形式，可充分保证每位学生的使用，资源分配均衡，学生可准确把握仪器设备操作规程，通过反复模拟可掌握样品测试技巧；同时，教学资源标准化、规模化，有利于系统性教学的推进和课程教学效率的提高。线下实验教学与线上虚拟仿真平台的有效融合可进一步弱化本课程理论性强的特点、突出本课程实践性强的特色。多种实验教学手段和模式的引入可对功能材料专业学生形成全方位的引导和影响，帮助学生合理利用课后时间，巩固知识运用，突破教学重难点，增加实验教学体验感，不断加深学生对本课程知识体系、教学目标、以及课程达成度的理解，对应用型人才实践能力的培养具有重要的作用和意义。

3.金项化教学培养学生解决复杂工程问题能力

知识的学习与积累最终在于应用，本课程的应用性特点突出，材料现代分析技术贯穿于材料生产与材料研发的整过程。传统的理论课教学停留在知识的授课阶段，教师占主导作用，对学生应用能力的培养较欠缺。成果导向（OBE）的教育理念目前已成为教育改革的主流，并贯穿于工程教育认证的始终，课程教学方案和教学活动的开展围绕培养学生预期目标来反向设计，聚焦于学生受教育后获得的能力和对学生的培养[4]。理论课程的授课容易使学生觉得知识枯燥，造成学习兴趣下降，难以形成有效的知识迁移，本课程通过项目化教学模式的引入将理论知识与实践操作结合起来，着重培养学生解决复杂工程问题的能力。项目化教学通过教师提出企业面临的具体实际问题，经与同学讨论后制定相应的计划，并根据具体任务完成学生分组和分工；进而，学生通过理论课程知识运用和文献资料调研提出拟采取的解决方案并说明具体的可行性；教师根据小组汇报与讨论，给出具体的指导建议与评价；最后将整个过程记录、归档用作本课程过程性评价的材料之一（图2）。项目化教学以学生为主体，教师为引导，通过小组团队配合完成课程教学任务，既培养学生的实践操作能力、课程知识理解能力，也培养了学生团队协作、沟通能力。

图2 项目化教学的实施过程

本课程项目化教学采用的一个典型案例如下：某企业以钛铁矿为原料，用硫酸分解，然后通过除铁后经水解而制得白色二氧化钛粉末，该企业现需对制得的TiO2粉末产品的物相结构、微观结构、表面元素组成、光学性质进行表征，并判断铁成分是否去除干净，要求学生根据课程内容提出可行的材料分析表征方案，并对其原理和应用作出说明。项目化教学的实施可帮助教师清晰地判断学生对课程知识的掌握情况、课程目标的达成情况，有效地将专业知识与企业面临的问题结合起来，学有所用，学以致用，项目化教学还可以将本课程所学多种测试方法有机地融合到一起，最终达到培养学生解决复杂工程问题的能力[5]。

4.鼓励学生参与创新训练，实现教学推动科研，科研促进教学

教学是科研的基础，科研是教学的目的，二者共同发展对于教学和科研的提升具有双重意义。本科生科研创新训练的开展可有效提升本课程的教学效果，功能材料专业一直重视本科生创新训练课程的开设，本科生在创新训练过程中潜移默化地接受创新意识、科研思想的熏陶，创新能力的培养也是适应快速发展的现代化社会的需要[6]。一般安排每位专业教师指导2～3名本专业学生，大一下学期主要从事文献调研、课题拟定工作，大二上学期制定实验方案、并优化材料的合成工艺，大二下学期着重材料结构分析和性能测试。本课程教学设置在大二下学期，与其创新训练进度要求保持一致。学生在学习本课程材料现代分析技术的过程中可以将多种表征手段创造性地运用到创新训练当中，以解决课题研究过程中遇到的材料成分、物相结构、以及微观结构分析问题；反之，学生在创新训练过程中参与的相关材料表征、数据结果处理过程可进一步加深他们对本课程教学内容、教学目标的理解。

同时，学生在创新训练过程中接触到的新技术、新方法也可引入到课堂中，拓宽学生们的视野，紧跟科学前沿，不断更新完善课程知识体系。近三年，功能材料专业学生共获大学生创新训练省级项目7项，校级项目31项，院级项目31项，学生参与度高，覆盖面广、创新成果突出，学生参与发表学术论文30余篇。创新训练的实施有效弱化了本课程理论性强的特点，学生对知识点的理解更为透彻，课程在材料科学中的应用性目标更为明确。多次课程考核结果也说明充分参与创新训练的同学成绩较为优异，《材料现代分析技术及实验》课程教学与本科生科研创新训练之间的协同发展，可有效实现教学推动科研，科研促进教学的共赢效果。

5.结语

《材料现代分析技术及实验》是本专业的核心课程，在教学过程中不断引入新的教学模式，将理论性的知识实践化、项目化，增加学生课程参与度，激发学习兴趣，变被动接受为主动吸收。通过理论与实验相结合、虚拟仿真平台的引入、项目化教学案例实施、创新训练的参与以及多模式过程性评价机制的实践改革，教学效果和质量总体上得到大幅提升，教学内容的设计更合理地服务于课程目标的达成。教学的改革与探索对专业教师也提出了更高的要求，教师需要不断学习新的教学方法，掌握世界材料前沿研究动态，更新课程教学内容。同时，要努力提升个人综合素质，以身作则，践行本科院校“立德树人”这一根本教育任务，为培养高素质专业人才做出应有的贡献。