侧重实例解析与科研思维能力培养的《材料分析测试技术》教学改革与实践*

杨 康 吴 锋

（西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）

1 课程教学改革的必要性

资源循环科学与工程专业是我国为了适应战略新兴产业需求而设立的新工科专业。作为一门多学科交叉性质的专业，其专业内容涵盖材料科学与工程、化学工程与工艺、环境科学与工程等诸多学科，目标是培养具备资源循环创新理念的复合型工程技术人才，这就要求学生具有较强的多学科交叉融合能力。《材料分析测试技术》是资源循环科学与工程为本科生开设的专业必修课与学位课，也是锻炼和培养学生多学科交叉融合能力的技术方法课，其教学内容包括各类材料的分析测试技术，综合了材料科学基础、物理化学、大学物理、高等数学等多门课程的相关内容，范围广泛、内容丰富、实用性强，在培养上述复合型工程技术人才过程中有着不可替代的作用。但从西安建筑科技大学及全国其他高校该门课程的教学内容和现状看，均存在以下几个方面的问题：

1.1 教材和教学内容过于偏重仪器理论

首先，教材和教学内容过于偏重仪器构造及其工作原理等内容的基础理论，而分析软件的使用、测试数据的分析和实验图谱的解析等应用方面的内容过于单薄。培养出的学生存在着理论脱离实际的倾向，实践动手能力较差，缺乏运用所学知识分析、解决问题的能力。整门课程学习下来，学生仅能掌握一些基本的仪器构造及其工作原理等方面的知识，背诵一些常用的公式，而缺少足够的实际仪器操作实训，也不能灵活运用测试手段分析实际中遇到的问题[1]。该门课程学习效果的好坏与学生今后的考研深造、工作学习均有较大联系并能够在毕业设计（论文）阶段体现出来，具体表现为部分学生在拿到毕业设计（论文）题目后迟迟不能进入状态，无从下手，不清楚怎样的实验测试手段能得到最好的结果，即使在老师的指导下完成实验，但在结果分析与讨论阶段仍不清楚如何分析已经得到的实验数据，或仅能对获得的结果加以简单描述无法进行深入探讨[2]。

1.2 教材内容更新缓慢，缺乏包含专业背景的教学素材

首先，随着科技的发展，对于材料结构性能的测定表征要求越来越高，新兴仪器不断涌现，对于分析测试技术的学习要求也水涨船高，但现有教材内容更新较慢，与当前分析测试技术发展的步伐不相匹配[3]。其次，掌握了材料分析测试技术的基本知识点和基本原理，并不代表能够应用该测试方法很好的分析和解决实际问题，测试方法的掌握，需要在大量的实际应用和图谱分析练习中得到提高，但目前包含资源循环科学与工程专业背景的教学案例和素材零星分散，且不成体系[4]。

1.3 课程涉及的专业面广，知识点较分散

首先，材料分析测试技术课程的特点是涉及的专业面较广，包含有光、电、磁学等理论性较强的多学科知识，部分原理学生理解起来较为困难，造成学习兴趣下降[5]；其次，每种分析方法的仪器操作又各有特点，且需要许多前期课程的基础知识和理论，如晶体学、光学、原子结构和能级方面的基本原理，这些内容很多是在大一、大二的课程中学习的，学生掌握的程度不同，但由于课程学时的限制，课堂上不可能将所有的前期知识做详细的回顾，因而会影响到学生对于本课程内容的掌握[6]。

1.4 教学手段过于单一，实践教学功能薄弱

目前，本课程的教学手段主要以课堂讲授为主，但由于课程涉及的专业面较广、知识点分散且比较枯燥、抽象、深奥，且本课程开在大四上学期，学生由于找工作、准备考研等导致其投入到本课程的精力有限，若仍然按照传统“填鸭式”的教学手段，必然无法提高学生学习的主观能动性。加之，本课程的主要目的在于让学生了解掌握材料的各种分析测试方法、测试基本原理、仪器结构、操作流程、注意事项以及结果分析。但考虑到本课程涉及的多为大型仪器，昂贵精密，大多为国外进口，损坏后不易修复，且这些仪器除了要满足本科教学还要满足繁重的科研需求，无论在成本上还是在时间上都远远不能满足每位学生参与实际操作的需要[7]。故而，目前的实验教学只能以演示性为主，在很大程度上只能给学生留下一个表观印象，影响了对仪器的深入了解和掌握。

综上所述，加快对该门课程的教育教学改革，优化传统教学内容、丰富现有教学手段、探索全新教学模式的现实需求愈加迫切。

2 课程教学改革的措施

2.1 编写着重培养学生科研思维能力的实用性教材

针对前述本课程教材内容过于偏重仪器理论和缺乏包含专业背景教学素材的问题，本教学改革项目组组织编写了《材料分析测试技术与实例解析》教材。教材在内容设置上尽可能弱化仪器构造及其工作原理等内容，省略大部分公式的变换与推导，取而代之的是大量具有本专业学科背景的最新的材料结构分析与解析实例。另外，利用影音视频传输技术，在本专业主管大型仪器的实验教师日常操作及样品制备过程中录制视频，以边操作边讲解的方式制作视频，作为课后学习素材上传至本专业网站，并以二维码的形式嵌入教材各章节，供学生课后观看。着重培养学生的仪器操作能力、数据分析能力及图谱解析能力，加快创新型人才培养与“一流专业”建设。

2.2 用科研实践充实教学，增加实践性教学环节

我校设有资源循环科学与工程二级学科博士点和二级学科硕士点各1 个，拥有“生态建筑材料国家地方联合工程研究中心”和“中国循环经济工程技术协同创新中心”，整体科研实力与水准相对较高，近三年（2019～2021 年）承担国家级科研项目8项、省部级科研项目32项。资源循环科学与工程教研室拥有教师23 人，教研室的教师每年都要从事或开展大量的科研工作。因此，可结合实际情况，用科研实践充实教学。本教研室目前采取两种方式：其一，在教研室教师和研究生利用大型仪器设备开展科研工作或通过专业软件对数据进行分析处理的过程中，通过摄影和摄像的方式将非涉密的科研过程记录下来，然后将其剪辑编纂成教学素材，将科研过程、科研思路、科研方法及学术动态及时补充至课堂教学之中[8]；其二，增加实践性教学环节，通过设置《资源循环科学与工程创新实践》课程设计，使学生参与到教研室教师承担的科研项目中去[9]，利用课余时间和假期开展科研实训，如协助研究生制备各种分析测试所需的样品、在教师的指导下操作大型精密仪器、对实验结果进行数据分析和图谱解析等。一来，通过科研实训提高学生的专业理论水平和实验动手能力；二来，将学生的科研实训与教师的科研工作有机结合，形成相互支撑、协调一致的良性态势，可给教师的科研工作提供更多帮助，实现教师与学生的互利共赢。

2.3 制作高质量素材，丰富网络教学平台，通过“翻转课堂”延伸课外教学

首先，由于课程原有教学内容过于偏重仪器理论与公式推导，易引导学生学习过程向记忆化与形式化的方向发展。本教学改革项目组将教学中呈碎片化分布的仪器构造及其工作原理、仪器日常操作及样品制备等内容进行整合，选取主题独立、目标明确、内容完整的知识点制作成微课，并辅以微教案，在我校网络教学平台《材料分析测试技术》课程门户网站发布，微课视频及配套辅助资源的总容量控制在几十兆左右，方便学生流畅地在线观摩课例，阅读教案、课件等辅助资源，也可方便灵活的将其下载并保存到终端设备上实现移动学习，学生在课前利用多媒体终端自学微课并完成相应的作业，通过系统反馈给教师，教师则根据反馈情况有的放矢地指导学生，将传统教学模式中的课上讲授知识、课后内化的流程翻转过来，形成课前讲授知识、课上内化知识的新模式，并将仪器构造及其工作原理的授课学时控制在合理区间；其次，在网络教学平台课程门户网站上建立自带评分系统的“数据分析与图谱解析题库”，在每章课堂教学内容结束后，引导学生课后刷题，提高学生的数据分析能力、图谱解析能力；再次，在网络教学平台课程门户网站上创建讨论社区，在课堂教学结束后延伸课外教学，组织学生发帖跟帖、交流互动，并对学生的讨论过程进行正确的引导与释疑。

2.4 打破传统成绩评定模式，创新多元化考核方式

课程原有考核方式仅限于纸质卷面考试，学生更多的是对基本概念、基本原理及基础理论的死记硬背，无法真实评估学生的仪器操作能力、数据分析能力及图谱解析能力。故本教学改革项目组建立由考勤成绩、“数据分析与图谱解析自测”成绩、“翻转课堂”互动成绩及期末考试成绩共同构成的多元化课程考核形式，将期末考试成绩占总评成绩的比例压缩至40%，打破“一考定成绩”的传统评定模式。

3 课程教学改革的体会

《材料分析测试技术》是一门集综合性、实践性和实用性于一体的专业基础课程。本教学改革项目组通过重编实用性教材、增开《创新实践》课程设计、制作高质量素材充实网络教学平台、翻转课堂、创新多元化考核方式等多举措并举，在教学内容上尽量弱化抽象、枯燥、深奥的仪器理论，将上述理论知识通过课程门户网站的微课呈现；在实际教学过程中嵌入大量具有本专业学科背景的最新的材料结构分析与解析实例，并在课程门户网站建立自带评分系统的“数据分析与图谱解析题库”和课后讨论社区，将课堂教学从空间和时间两个维度延伸至课外；颠覆传统课程成绩评定模式，建立能够真实评估学生科研思维能力和仪器运用能力的多元化考核方式。

以上课程教学改革在我校资源循环科学与工程专业《材料分析测试技术》课程中已完成两个年级总计两个轮次的应用，学生在后续毕业设计（论文）过程中的科研能力显著提高，不仅能够正确选择大型精密仪器进行材料性能的表征，部分学生还能独立对实验数据和图谱进行分析与解析。本教学改革项目组将不断总结教改实践中积累的经验，以培养具备资源循环创新理念的复合型工程技术人才为目标，为专业建设和学科发展贡献力量。