基于OBE理念的“材料分析测试技术”教学改革的思考

卞刘振，胡艳宏，彭继华，谢敏，包金小

（内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头）

教育部推出的《工程教育专业认证》是以建设一流本科专业为根本目的，旨在提高工程教育质量，促进工程教育与工业界的联系，进一步提高我国工程技术人才的国际竞争力。成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）是“以学生为中心”的先进教育理念，其强调学生通过学习过程感受到的理解能力、应用能力、创造能力得到切实提升后的科学精神和人文精神同步提升，目前已被欧美等许多国家高等教育工程专业所推崇[1-2]。

工程认证毕业要求通用标准强调要使用现代工具对复杂工程问题的预测，同时要求学生能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究。《材料分析测试技术》是高等学校材料类专业重要的专业必修课，课程涉及晶体学、缺陷化学、数学、物理等学科，属于多学科交叉课程[3-4]。课程主要涉及X射线衍射技术（XRD）、电子显微分析、热分析、电子能谱分析和光谱分析等相关理论和仪器的教学。该课程的教学目标是培养材料类学生掌握多种现代分析测试技术方法的原理和结构，实际使用仪器的能力以及对测试数据解析的能力。最终能够正确运用现代分析技术解决材料科学与工程领域相关的科学与工程问题，为学生毕业后走上工作岗位以及继续深造奠定扎实的基础[5]。

一 材料分析测试技术课程当前存在的问题

《材料分析测试技术》是我校无机非金属材料科学与工程专业的专业必修课，该课程在专业课中仅次于无机材料科学基础，足见其重要程度。作者在承担该课程教学工作时发现课程教学存在诸多问题，导致学生学习兴趣严重下滑，挂科现象突出，严重影响到学生的毕业。同时理论学习与实践严重脱钩，学生无法将所学的理论知识应用到实践中，在后续工作中还学要重新再学习。主要存在以下问题：

1.部分理论知识较为抽象，理论与行业实际应用之间相脱离，导致学生学习兴趣逐渐下滑。《材料分析测试技术》属于多学科交叉学科，该部分内容的学习必须建立在先修课程《高等数学》《大学物理》《无机化学》《物理化学》《材料科学基础》等基础理论课之上，如果前期学生在先修课程中存在薄弱环节，本门课的学习会遇到困难，不能深入理解相关的理论知识，进而导致学习兴趣下滑。课堂教学主要针对理论内容的学习，专业相关的实践内容较少，这也增加了学生的学习难度。比如：在教学过程中发现由于先前基本理论知识的不扎实，学生普遍感觉倒易点阵、复杂晶体衍射、衍射衬度理论等理论教学较难。课堂教学仅仅是基本理论的学习，授课过程中没有结合实际生产的例子，导致学生对知识点的理解比较肤浅。

2.现代分析测试仪器更新换代较快，现用的教材缺乏很多先进的测试技术方法，或者新的测试技术及方法与实际应用结合不紧密，不能满足时代的需要。比如多晶体分析方法目前主要采用测试简单并且精度高的X射线衍射分析方法，而传统的德拜－谢乐法、对称聚焦照相法等古老的分析方法基本都被淘汰，相关的仪器基本也很难见到。但是教学大纲中规定了该部分的教学内，导致占用了大量的授课时间，挤压了其他授课内容。随着科技的进步以及科学研究的深入，X射线光电子能谱（XPS）、光谱、色谱及质谱等测试分析方法在实际生产过程中使用越来越普遍，但是该部分的教学仅仅侧重基本的理论的简单介绍，其在实际生产中的应用研究讲解却很少，导致学生在后续工作中仍然需要自学，浪费大量的精力。

3.理论学习与实践脱钩，学生不会运用所学基本理论对测试数据进行分析，导致后续工作和深造时需要重新学习。由于学时的限制，本课程的教学主要以理论教学为主，实践教学相对匮乏。主要是受限于大型的相关测试设备，虽然开设了6学时的实践教学，但是学生基本是10人一组，实验过程中也只是走马观花地看一下仪器，很难掌握仪器的基本构造和使用方法。同时相关仪器的软件以及分析软件都没有时间介绍，导致学生在获得实验数据后仍然不知道怎么分析，感到迷茫。比如学生学完课程后不会使用常用的X-Ray Diffractomer（XRD）分析软件（如Jade）对XRD数据进行分析和结构解析，不会结合实际应用选取相应的分析测试方法。

4.课程教学方式单一，PPT教学和板书无法提起学生的课堂参与度和活跃度。受限于老师个人科研水平以及课时量及思维模式的限制，课堂教学主要还是填鸭式的PPT理论授课和学生的被动学习为主。课堂上以老师教学为中心，课后学生完成相应课后作业的教学模式，无法激起学生的学习兴趣，导致学生学习没有目标性和活跃度，因此学生在学习过程中疲于应付。这种传统的教学方式无法体现出以学生为中心的OBE理念。

5.课程考核方式单一。目前该课程考核评价方式还是仅仅靠平时的出勤、课后作业和期末考试组成。评价方式较为单一，没有将教学内容和能力评价有机结合起来，不能完全评价学生学习效果和能力，也没有体现以学生为中心的OBE的课程理念[6]。

二 材料分析测试技术课程教学改革探讨

OBE理念强调以学生为中心，鼓励师生之间密切沟通、协同合作、共同实施课程教学改革方案，最后达到提升教学目标的达成。因此在OBE理念要求下，该课程的教学要重点以学生为中心和主体。作者根据教学经验提出认为首先对教学大纲进行修订，其次在教学过程中采用科研反哺教学的兴趣引导、混合教学和翻转课堂等多种教学模式相结合的方法激发学生的学习热情，调动学生的积极性、主动性、独立性和创造性，保证学生在教学活动的参与度。最后采用更加合理的教学评价方式对学生的能力进行综合评价，而不是简单地以期末考试为主。

（一） 教学大纲的调整与优化

在工程认证背景下，课程教学必须要依据教学大纲，因此首先要对教学大纲进行重新修订。基于工程认证对学生能力培养的要求，根据OBE理念重新修订教学大纲，包括教学内容，教学学时，教学方式等内容。同时结合目前行业的实际需求调整、优化授课内容，明确讲授内容和课堂专题研讨内容，优化课程的考核方式。

在课程大纲中适当引入课程思政教学内容，进行课堂思政教学，比如在X射线衍射布拉格方程理论教学中讲述布拉格父子的故事，同时介绍我国中国科学院梁敬魁院士、梁栋材院士在晶体结构解析领域做的突出贡献。不仅要对学生进行社会主义核心价值观教育，还要将基本理论和基本技能的掌握同行业规范、职业道德等相结合。

（二） 科研反哺教学的教学模式

科研与相应知识点结合，调动学生的学习兴趣。学院现拥有“内蒙古自治区先进陶瓷材料与器件重点实验室”“白云鄂博共伴生矿资源高效利用省部共建协同创新中心”等9个科研教学平台。现有的材料分析测试设备包括透射电子显微镜（2台）、场发射电子显微镜（3台）、X射线衍射仪（3台）、X射线光电子能谱仪、热分析仪、热膨胀仪、气相色谱与质谱联用仪等。在理论教学过程中首先介绍科研团队的相关研究成果以及在实际生产生活中的应用，让学生知道相关知识点学习的重要性和应用场景，在此基础上介绍相关科研仪器在成果中所起到的作用，让学生理解所学测试仪器在科研中的应用，调动学生的学习兴趣。随后介绍仪器的基本原理、基本构造以及测试过程中要注意的问题，在学生兴趣高涨的同时学习相关的理论知识。

前沿文献与知识点相结合，调动学生的学习兴趣。在理论内容讲解前以思考题的形式调动学生的兴趣和课堂参与度，比如XRD内容讲授前，介绍燃料电池，太阳能电池，锂离子电池等先进的新能源材料与器件的研究热点，再介绍材料对性能的影响，并给出几种不同的无机非金属材料（如TiO2、YSZ，LiCoO2等），让学生思考采用什么方法区分这些材料。SEM知识讲解前引入不同形貌（如花状、棒状、纳米线、核壳结构等）的粉体，并介绍形貌对材料性能的影响，调动学生的学习兴趣。让学生思考如何表征粉体的形貌。TEM教学过程中引入不同衍射花样的点阵以及晶格条纹，让学生思考如何获得这些数据。选取不同空心核壳层样品的TEM图片，让学生分析如何确定是不同的核壳层，通过透明程度的不同加深学生对质厚衬度的理解[7]。

学生参与教师科研项目，提高学生理论应用能力。任课教师在授课过程中介绍相关的科研项目以及课程基本理论和仪器在科研中的应用。鼓励学生参与科研项目，在老师实验室中开展一些基本的研究，同时学习部分实验仪器的操作。学生不仅仅可以拿到创新学分，还可以将自己所学的理论知识与科研项目相结合，提高学生的学习兴趣，在实践过程中增对课程理论知识的理解，同时还可以加学生的自信心和专业知识水平以及动手操作能力。

（三） 多方式相结合的混合教学模式

本课的部分理论学习较为抽象，因此在授课过程中将重难点知识点结合flash动画讲授，可以加深学生对抽象知识点的理解。通过仪器工作原理动画的播放，学生可以更清晰地理解相关分析测试技术的工作原理和仪器结构。在STM知识点讲解时通过模拟过程，加深学生对隧道电流的理解。通过flash动画动态演示探针的变化，加深学生对恒高度和恒电流两种扫描方式的理解；在讲解X射线与物质相互作用知识点时，通过flash动画形式使学生理解俄歇电子、X射线光电子和荧光辐射的产生过程；通过flash动画形式使学生理解TEM和STEM的异同。此外，仪器软件及数据分析处理软件的教学也非常重要，在每个测试技术理论学习后要增设1-2学时的数据软件学习，如Jade软件进行XRD物相分析、GSAS软件进行晶体结构精修、Digital Micrograph软件进行晶面间距标定、XPSpeak4.1软件对样品组成元素及表面元素价态分析等。课堂理论教学后以关键词的形式帮助学生复习所学知识点，分析测试技术专题内容讲授完后，以关键词形式帮助学生构建知识框架体系，加深学生理论知识的理解[8]。

（四） 以学生为中心的翻转课堂教学

在分析测试理论知识讲解后，安排2-4学时专题报告环节。学生根据所学的理论知识进行自愿组合，结合文献相关的测试表征手段，制作PPT讲解相应的测试技术在科研以及实际生产中的应用。比如分别安排XRD在无机非金属材料领域的应用、SEM在金属疲劳寿命中的应用、TEM/STEM在新能源材料领域的应用、热分析技术在玻璃领域的应用、XPS技术在催化领域的应用等专题报告内容。学生根据合作查找文献，制作PPT，然后由一人进行讲解，其他组员进行回答老师和同学提出的问题。把课堂交给学生，这样不仅增加了每个学生的参与度和主观能动性，让学生自己根据个人兴趣爱好去学习和探索，同时也加深了学生对理论知识的理解与应用能力。

（五） 考核方式的改革

工程认证背景要求对学生的能力进行多维化综合评价，而不是单单对理论知识点的片面理解。在原有的出勤+课后作业+期末考试的考核方式基础上增加课堂回答问题、课程专题讨论和课程期末论文环节，逐步加大课堂回答问题、课程专题讨论和课程期末论文的评价比例，削减出勤和期末考试的比例，通过OBE的理念真正做到以学生为中心，调动学生的学习兴趣和参与度。课程结束后以在线匿名调查问卷的形式让学生对课程的教学模式方法，评价考核办法等给出建议，对课程进行持续改进。

三 结语

OBE理念是将传统的填鸭式的以教师为中心的教学模式转向“以学生为中心”的教学模式，鼓励师生之间密切沟通、协同合作、共同实施课程教学改革方案，最后达到提升教学目标的达成。材料分析测试技术是材料类专业的重要课程，借助OBE理念通过上述课程的教学改革，激发学生的学习兴趣，提高学生的参与度，加深学生对材料分析测试技术理论知识的理解。进而提高学生独立思考、分析问题、解决问题和创新的能力，最终提高学生的就业竞争力。