航空特色微课在材料测试技术教学中的应用与实践

于占军，李明玉，袁庆新，卫萌，曾凡光，崔节虎

（郑州航空工业管理学院 材料学院，河南郑州 450046）

随着科学技术的发展，材料在日常生活、国防建设及科学研究中的地位日趋重要，人们对材料组成、微观结构与性能之间的构效关系越来越关注。材料测试技术是主要介绍用于材料表征的各种仪器分析的基本原理、试验方法及应用的一门课程，是材料类本科生的专业核心课程之一[1-2]。该课程具有多学科知识的交叉性和技术的实用性，能为学生将来读研及工作奠定良好的基础。材料测试技术课程的教学目标是学生通过学习X 射线衍射分析、光谱分析（例如激光拉曼、紫外可见、红外、核磁共振、荧光等光谱）和各种电子显微镜等的仪器原理、 测试过程及采样数据处理方法，能够根据材料特点及表征目的，选择正确的材料分析研究方法，对材料的微观本征信息进行表征，为揭示材料结构与性能之间的构效关系提供有力证据[3]。但该课程涉及的表征仪器多，仪器原理及测试方法理论性强，教学内容难度大，导致部分学生学习难度较大。

微课是围绕教材中的某个重点、难点或疑点等知识点进行讲解的教学短视频，具有目标明确、层次清晰、语言简练、内容翔实和效果较好等特点[4-5]。其以网络为平台，学生可利用手机、电脑或PAD 随时随地学习，突破了时间与地点的限制，操作简单方便，适合网络时代大学生的生活与学习[6-8]。此外，通过微课视频，学生课前可结合教材对理论和实践内容进行预习，对预习中的疑难点通过课堂听讲或与同学、任课教师讨论得以解决；课后可对重要知识点进行巩固和拓展，课前与课后反复学习的方式可使学生牢固掌握课程的核心内容。微课不但改变了单一的传统教学模式，为学生独立自主学习提供了条件，而且提高了学生的学习积极性和学习效果[9-12]。

郑州航空工业管理学院是一所具有航空航天特色的综合性大学，将学校的航空特色、微课和材料测试技术课程教学有机融合，紧密联系航空航天现代化工业及科技发展的实际需求，体现材料测试与航空工业技术之间的桥梁作用，是课程思政贯穿材料测试技术教学过程的具体体现。本文初步探索在材料测试技术教学过程中结合航空特色微课使学生加强对基本理论的掌握，使专业教学和思想政治教育同向同行，实现育人和育才相统一[13-14]，并激发学生对材料测试技术学习的兴趣和积极性，提升教学质量。

1 材料测试技术教学存在的问题

1.1 学情分析

郑州航空工业管理学院材料成型及控制专业、材料科学与工程专业、应用物理学及功能材料专业学生均需要学习材料测试技术课程，每届学生约300 人。根据材料测试技术课程性质，一般安排在其他基础课学习后的大三开设，分为理论与实践两个部分。依据每学年的期末考试统计分析，发现每学年需补考或重修的学生占该课程学习总人数的9%左右。经过与这些学生深入交流了解到，他们认为该课程知识面广、内容分散、基础理论和物理概念多、应用性强、难懂。另外，部分学生未养成课前预习与课后复习的良好习惯，导致课堂学习效果不理想。

1.2 教学存在的问题

（1）教学内容琐碎，理论知识深奥。材料测试技术理论课是以材料、物理、化学、电子、光学等为基础的交叉学科，课程内容包括诸多仪器分析方法，且每章内容又可细分为较多的材料研究方法，每种仪器的概念和测试原理方法多，重要知识点既抽象深奥又零碎易混淆。多数学生难以完全理解课程的重要知识点。部分学生由于对材料测试技术原理的本质不理解，导致难以选择合适的测试技术进行材料的研究。（2）教学内容陈旧，未与时俱进。随着科技的快速发展，新型材料的出现，对新的材料表征手段的需求增加，新测试仪器或旧仪器升级改造后的新测试原理和方法不断出现，各种仪器更新换代较快，而目前大部分教材仍保持几年才更新一次，甚至内容只有小改动，难以体现现代测试技术的最新研究成果。例如，大部分教材在叙述不同仪器的测试原理及测试过程时举的例子仍然是传统材料的组成结构形貌图，且课后练习题多数是关于原理的，缺乏与现代材料工程结合的实际案例，很难激发学生对该课程的学习兴趣。（3）教学内容多，课时少，育人效果不佳。随着国家对学生素质培养要求的不断提高，学生学习的课程数目增多，该课程却由原来的48 学时缩至32 学时，理论课只有28 学时。教师需在较短时间内完成较多理论教学任务，多以知识讲授为主，较少与学生互动，导致学生对深层次的原理难以理解。同时，教师讲课期间很难有时间融入课程思政。（4）教学内容理论与实践分离，教学效果不佳。 学校一般先进行测试技术理论课的讲授，后进行实验实践课。学生在短时间内学习较多理论知识，难以理解仪器的工作原理且印象不深刻。理论课结束进行实践课时，部分学生已忘记相关理论知识，只能按照仪器说明书操作。实践课只有4 学时，学生对大部分仪器只是参观，没有机会实际动手操作。

2 航空特色微课在材料测试技术教学中的应用探索

2.1 航空特色材料测试技术微课设计

在微课内容与课件设计方面，教师要从材料测试技术课程的航空航天特色内容和特征出发，将抽象性和理论性较强的内容形象化和生动化，并将课程的内容进一步精炼、细化和分解。在内容细分过程中，教师要基于学生已掌握的知识，注意内容结构的完整和清晰，确定每一小部分的教学目标、重点和难点。一般情况下，高校材料测试技术的授课任务通常由一个教学团队担任，各授课教师擅长不同材料、不同学科的研究工作，有各自的科研领域，因而，各模块知识点的航空特色微课可以由不同教师分别讲授，取各家之长。

例如，绪论部分可从材料测试技术组织形貌分析、物相分析、成分价键分析、分子结构分析进行分类设计和制作微课。在选择微课素材时，教师可以从航空材料所需的微观组织、结构、形貌表征出发，引入当前的发展特点及现状，让学生了解我国航空航天在现代化建设中的重要作用。教师可介绍长征运载火箭、天宫空间站、神州载人飞船、天舟货运飞船、天问探测器、嫦娥探月工程等航空航天工程的成功实施，展现我国航空航天科技及综合国力的增强，这些都离不开航空航天工作者的不懈努力和辛勤工作。教师还可以向学生介绍我国航空发动机材料在世界上的地位，以及与发达国家航空发动机的差距。通过绪论的讲解，使学生在学习科学文化知识的同时增强文化自信和民族自豪感，厚植爱国情怀，激发为航空航天事业科技创新的动力及航空报国热情，树立远大的理想，使课程思政达到价值引领的效果。

2.2 航空特色微课在材料测试技术教学中的应用举例

2.2.1 利用航空航天实例，增强学生的学习动力

教师可采用航空航天材料中的一些典型案例激发学生的学习动力以及对材料测试技术课程的学习兴趣。无论是航空航天器上的螺丝钉材料，还是机身、机翼、尾翼等大部件材料，在研发航空部件时，均需要材料测试仪器作为辅助，让学生意识到材料测试技术在航空领域及国家重大科技领域发展过程中的重要作用。例如，在学生预习扫描电镜章节时，教师可提前通过微课向学生展示生活中及航天航空领域的各种轻合金及超高强度钢的有趣案例，以此导入航天航空中用的铝合金、镁合金、钛合金及超高强度钢；采用视频结合图片的形式讲解钛合金的扫描电镜表征的原理及操作过程时，可以引入我国航空钛合金奠基人颜鸣皋院士的事迹图片，介绍其在艰苦的环境下严谨的科研作风和吃苦耐劳的精神，培养学生的家国情怀、科学精神；教师还可以图片和文字的形式呈现激光钛合金增材制造专家王明华院士的事迹，让学生了解3D 打印钛合金最新工艺技术在航空航天领域的应用以及对科技进步的重要意义，激发学生科技创新；在举例航空铝合金电镜表征时，教师可以引入大国工匠毛腊生的事迹，培养学生要干一行、爱一行、专一行、精一行的职业操守观。通过一系列航空航天的应用实例，启发学生深入思考，让学生了解材料测试技术在航空航天领域中的应用及在国家科技发展过程中的意义，激发学生的学习动力。

2.2.2 测试原理航空特色微课形象化，增强实践基础

材料测试技术课程涉及的测试方法有X 射线衍射分析、光谱分析、热分析及各种电子显微镜等。能够理解和熟练掌握每种测试技术所涉及的测试工作原理和分析过程是学习材料测试技术的关键，但是这些原理各不相同，理论性强，且枯燥易混淆，简单地以语言进行讲解，学生很难理解。若是制作微课，在讲解仪器测试原理时，依据讲解步骤配以对应的动画演示，能够使学生清晰观察到仪器各部件的作用及详细动作过程，加强对各种材料测试仪器工作原理的理解和掌握，这些动画演示可以通过动画软件制作或网络优质课资源整合获得。例如，X 射线衍射分析是将特定波长的X 射线照射到晶体材料上，该射线因材料内具有规则排列的原子或离子而发生散射，使X 射线在某些特定方向的相位加强，进而获得与该测试材料晶体结构相对应的衍射图谱。对于该原理过程，单纯的语言讲解过于抽象，学生很难真正理解，以微课配合具体测试实例动画进行讲解，则学生能直观观察其原理。实例表征航空航天用高温金属结构材料的XRD 的测试过程，通过视频或动画讲解测试过程，引入师昌绪院士的先进事迹，他解决了一系列技术难题，使我国航空发动机涡轮叶片由锻造到铸造、由实心到空心，并引领和推动了我国多个材料学科的发展，在我国的科技战略发展中作出了巨大的贡献；通过动画或视频展示测试原理和过程使学生更容易掌握仪器工作原理及分析方法，增强实践基础，并引入航空航天典型事例，对学生的价值引领及科学精神起到润物无声的作用。

2.2.3 航空特色微课辅助实验，增加实践能力

制作材料测试技术实验微课能够使学生更好地理解测试原理的本质、仪器结构、测试方法及过程，数据处理及讨论等环节，以及每种测试技术在测试过程中的注意事项。由于测试技术实验涉及的都是大型仪器，一旦损坏，不仅维修费用较高，而且也会耽误教师和研究生的科研测试。实验课的学生相对较多，难以保证每位学生都能在离仪器很近的地方观看教师操作。在材料测试技术实验前录制微课，记录大型仪器的操作步骤，配合讲解，插入启发式教学并设置问题，能够使学生加深对理论知识的理解和记忆，可以降低大型仪器的损坏概率。对于各种仪器的测试原始数据的处理，教师可将常用的材料研究方法处理数据软件的数据处理详细过程录制成短视频，通过微课的形式发送给学生进行预习，减少实验中错误的出现，并解决离仪器较远的学生看不到操作细节的问题，也解决了实验步骤较多、数据处理过程烦琐，部分学生容易忘记等问题，学生可以通过微课视频熟悉每个操作步骤。通过课堂演示与微课预习可使学生加深对实验课理论原理与操作的理解，提高实验的成功率。例如，教师在讲解透射电镜时，以具体C/C复合材料表征为例，透射电镜仪器结构复杂，原理和操作复杂，通过微课的展示，学生很容易理解；同时引入我国航空C/C 复合材料开创者和奠基人黄伯云院士的事迹，其坚忍不拔的科研精神会对学生起到很好的教育作用。通过航空特色微课使学生学会了每种仪器从原理、测试到数据处理分析的完整流程，增强了实践能力，潜移默化地使学生建立科研报国的理想信念。

3 结束语

综上所述，将航空特色微课与材料测试技术传统课堂有机融合，能够提高学生学习该课程的兴趣和积极性，加深对所学仪器的测试原理、测试过程及采样数据分析处理的理解，提升学生使用各种材料测试仪器的综合能力，提高材料测试技术课程的教学效果。教师在讲授理论知识的同时，融入航空特色思政元素，使专业知识讲解和思政元素深度融合、贯穿始终，培养学生家国情怀、责任担当、爱岗敬业、坚韧不拔、锐意创新精神。航空特色微课在材料测试技术教学中的应用与实践达到了育人育才相统一，既使学生学会了知识，掌握了材料测试技术，也使学生坚定了将所学专业技术用于国家建设的决心和信念。