制造专业“组织分析测试”课程教学改革探索

刘春辉 马培培

［摘 要］ 由于当前制造学科课程中关于组织分析部分的教学存在着与国家战略需求联系不紧密以及学生融会贯通能力弱的问题，因此提出将国家重大需求以案例形式融入组织分析测试专业教学，建立了与组织分析相关的典型国家重大需求案例库，探索了“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”的教学模式。教学改革提升了学生知识贯通和解决问题的创新能力，对培养具有解决问题能力和使命感强烈的工程制造专业本科生有着重要意义。

［关键词］ 组织分析；教学改革；国家需求

［基金项目］ 2022年度中南大学校级本科教改项目“面向国家重大需求的组织分析测试课程教学改革与实践”（2022jy020-2）；2020年度中南大学机电工程学院课程思政建设项目“政课互融—以卡脖子问题推动专业知识教与学”

［作者简介］ 刘春辉（1987—），男，河南驻马店人，博士，中南大学机电工程学院（轻合金研究院）副教授，博士生导师，主要从事轻质材料及构件形性协同制造研究；马培培（1989—），女，山东济南人，博士，中南大学高等研究中心实验师（通信作者），主要从事微纳制造和分析测试及教学研究。

［中圖分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）36-0063-04 ［收稿日期］ 2022-08-01

一、课程教学改革的背景和意义

在“中国制造2025”、工程教育专业认证和“双一流”建设等背景下，工程科学与技术教学体系的优化与完善是当前教学改革的重点和难点。2021年4月，习近平总书记在清华大学考察时强调，一流大学是基础研究的主力军和重大科技突破的策源地。要围绕国家重大需求打造国家战略科技力量，面向国家重大需求的内涵式教学改革有益于培养解决问题能力强和使命感强烈的工科专业本科生。

“组织分析测试”课程涉及材料晶体学、物理学、机电仪器等多学科知识，其主要教学内容是光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射技术等常见分析测试方法，以及扫描探针、离子显微镜等仪器设备的原理和应用［1-2］。该课程是材料等专业本科生和研究生的专业基础课程，也是新工科背景下制造学科的选修课程。中南大学材料和机械制造学科均属于国家重点学科，在学科评估中处于A类，拥有国家重点实验室，具有围绕国家重大需求进行科研的长期传统［3］。“组织分析测试”课程的学习是提高材料、制造学科学生专业理论知识和实践能力的重要基础，具备必要的组织分析测试能力对学生学科素养和研发能力有着重要的推动作用。微观组织分析原理、技术和应用涉及多学科的知识，对教师的理论知识、动手能力和工程经验有着较高的要求［4］。该课程具有理论和实践紧密结合的特点，将材料微观分析测试方法类课程与国家重大需求工程实际相结合，将培养学生提出、分析和解决问题的能力贯穿整个教学阶段，有利于学生工程科学素养和微观组织分析实践能力的综合提升。

目前国际竞争形势严峻，我国面临的多种“卡脖子”技术问题很多是材料和制造学科问题［5］，这为组织分析测试类课程提供了生动的素材。面向国家重大需求，结合“卡脖子”问题和国际前沿，在此前提下推动教学改革有望解决目前组织分析测试类课程的教学弊端。笔者探索了一种面向国家重大需求的内涵式教学模式，在组织分析测试类课程教学内容、课堂教学方式和课后作业等关键要素上进行改革。根据“组织分析测试”课程的基本原理，提炼材料和制造学科面临的国家重大需求问题，建立二者紧密结合的课程内容，在帮助学生理解材料、制造学科的理论课程的同时结合各种分析测试方法，使教学理论和实践与国家需求紧密结合，在提高学生知识综合运用和工程实践等方面的分析和解决问题能力的同时培养学生的爱国主义情怀。

二、制造学科“组织分析测试”课程教学现状和教学改革需求

中南大学制造学科开设有“构件组织性能与残余应力测试基础”“微纳器件测试与可靠性”等课程，教授对象包括材料—制造实验班、机械制造专业两个班和微电子科学与工程两个班学生。授课一直采用理论授课为主结合实验教学的方法，以巩固学生对课程知识的掌握和应用，但该类课程教学存在一定弊端。例如，过多依赖教材和比对答案式学习，限制了学生的思考、创新能力；与学科内其他课程及工程实际联系薄弱，在培养学生融会贯通的能力上受限；课程教学案例老旧，与国家战略需求联系不紧密，无法起到课程引领效果；课堂氛围沉闷，教学互动性和学生学习积极性低。长期以来，“组织分析测试”课程存在着与国家战略需求联系不紧密以及学生解决实际问题能力弱的问题。

面向国家重大需求准备案例实际上是案例式和情景式教学的一种特殊形式，课程教学通常先导入案例再进行理论学习，通过综合评价效果和互换角色实现教学相长。从材料制备到构件/器件完成的过程中物质微观组织发生持续的变化，需要在不同尺度（微米、纳米和原子级）观测和分析在制备、加工及服役条件下特征组织的演变，紧密结合制造链条和国家重大需求才能准备好“组织分析测试”课程案例。2007年10月3日，美国国家科学基金会发布了名为《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育体系的重大需求》的报告，这是典型的以提升国家竞争力为目的的系统性教学改革规划。根据美国密歇根大学机械系毕业学生发展调查得出，连接式教学模式（A Model of Connected Teaching）即把教学当成团队活动而不是个别教师行为，可以显著提升学生终身发展能力。德国也对教学标准内容上采取“技术开放”策略，通过构建灵活开放、融会贯通的课程体系保持教学与不断发展需求之间的同步。2020年，习近平总书记提出，科技创新事业发展要坚持面向国家重大需求。教育部、财政部、国家发展改革委印发的《关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见》，明确要准确把握新发展阶段战略定位，全力推进“双一流”高质量建设。2021年10月，由复旦大学主办的2021年度“一流大学建设系列研讨会”在上海举行，围绕“一流大学在强化国家战略科技力量中的作用”和“提升服务国家重大战略”等主题进行了广泛讨论。华南理工大学以突破“卡脖子”技术和满足国家重大战略需求为导向提出“新工科F计划”，其中包括培养“三力”（学习力、思想力和行动力）卓越的工科领军人才。总的来说，国内外顶级大学都在尝试以国家重大需求为导向进行教学改革，但针对组织分析测试类课程的探索和实践仍较少［6-7］，无法适应新时代对“双一流”高校教学的要求。

三、课程教学改革目标与主要措施

（一）研究与改革目标

为了提高国家竞争力，国家正大力扶持和发展空天运载装备和高端芯片等战略性产业。专业人才的培养质量与我国在高科技领域的发展紧密相关，将国家重大需求以案例形式融入微观组织分析测试专业教学，挖掘课程的知识和价值引领作用，实现知识传授、能力培养和价值塑造“三位一体”的教学目标，培养专业素质和政治素质都过硬的红专人才。本文探索组织分析教学的案例化和开放式教学模式，建立与微观组织分析相关的典型国家重大需求案例库，整合理论与实践教育教学资源，形成教学资源库，探索“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”的教学模式，提升本科生知识贯通和解决问题的创新能力。

（二）解决措施

1.建立国家重大需求与微观组织分析结合的案例库。“组织分析测试”课程蕴含丰富的世界科学发展、现代高端仪器和国家发展需求等特色元素。授课过程中，将防微杜渐和见微知著等学科特色贯穿于其中，通过分析材料—制造领域国家重大需求案例，引起学生对微观组织的高度重视。融入“中国制造2025”等概念，将课程内容与重大需求恰到好处地结合，做到潜移默化。开发基于翻转课堂的信息资源，并形成不断优化的资源库。

2.挖掘组织分析类课程蕴含的价值引领元素。挖掘价值引领元素是课程教学实践改革的重点工作。要达成课程“三位一体”的教学目标，须针对课程的特点将专业知识背后的价值、精神、思想挖掘出来，渗透到学生内心。组织分析类课程与实际应用息息相关，涉及国际对我国的技术封锁和“卡脖子”问题，为了解决这些问题，挖掘了以下元素：爱国主义情怀，自信和担当；构件精细控制意识，细致入微；大国工匠精神，不断创新，攻坚克难；职业素养，团结合作。

3.研究“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”的教学模式。改革教学内容设计，将国家重大需求融入课程教学全过程，利用教学案例导入课程，通过研讨国家急需解决“卡脖子”问题背后的科学技术问题引出“组织分析测试”课程的授课内容，在讲授相关理论后通过案例或实践检验学生应用知识的能力。根据教学效果优化教学模式，实现“围绕国家重大需求”的内涵式教学改革。

4.改革考核体系，为了学生全面發展提高课程的教学效果。根据具体案例和相关知识点，课堂教学与讨论环节以学生为主体，通过QQ群和微信群等方式进行课堂讨论和案例推送。在讨论的过程中，教师积极引导，在面向国家重大需求授课的过程中提高学生融会贯通组织分析测试理论的能力和知识应用的意识。

（三）教学改革要点

教学改革关键在于将“组织分析测试”教学和国家重大需求问题真正结合起来，设计最合适的教学情境，在充分利用教学硬件设备和软件的基础上虚实有机结合，创设出恰当的教学情境。整合现存国家重大需求相关的材料和制造学科问题，打造数字案例库，开发新的基于翻转课堂的信息资源，并形成不断优化的资源库。根据数字化课程资源共建共享的策略，组织全校相关师生共建和更新。通过案例研讨式教学，建立“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”教学模式。整合、优化教学内容，循序渐进地设计典型案例和学习任务，利用虚实结合的教学方法，实现高水平的“教、学、用”一体化。改变学生被动接受学习微观分析测试原理以及具体操作过程的方式，在研讨中提升兴趣并培养利用微观组织分析方法和知识解决工程实际问题的能力。形成新教学评估方法，遵循学生学习能力培养的基本规律，以研讨、学习和应用过程为依据，在具体的实施过程中，探索同时重视理解知识和运用知识的评估方案。

（四）实施方案

笔者通过深度分析“组织分析测试”课程知识点和国家重大需求的关联，在建构主义和混合式学习理论的指导下，采用虚实结合的基本原则，借鉴信息化和研讨式、案例式教学设计方法，探索基于典型案例和知识融合的情景式教学模式，实现“教、学、用”一体化教学设计，培养学生利用专业知识分析和解决问题的能力。该模式由“案例导入”“开放讨论”“理论学习”和“应用及评估”四个环节组成，其中对国家重大需求案例采用虚实结合的方式贯穿所有环节。在“案例导入”环节，按照研讨式教学模式进行课堂教学，借助虚实结合的案例平台，导入国家重大需求案例进行讨论，让学生对案例有一个直观认识。利用多媒体平台，让学生明确自己在案例讨论中的任务。在“开放讨论”环节，学生通过自主学习、小组协作学习等方式，对案例进行分析，充分应用掌握的已有知识进行讨论，教师通过合理方式往课程内容方向引导。本着教师为主导、学生为主体的原则，有步骤、有计划地完成案例的讨论。在“理论学习”环节，以学生为中心创设问题和情境，激发学生探索知识和获取知识的主动性，培养应用知识解决问题的意识及创新能力。采用课内与课外结合、教学与研究结合的理念，进行教学内容的取舍，深入系统讲述理论知识。在“应用及评估”环节，按照适合协作学习的分组办法对学生进行分组，学生在数字资源库里抽取相应题目，在展示思路和解决方案后接受同学评价和教师反馈。学生在汇报、听取和讨论时，在对比和思考中发散思维，在反思中提高运用知识的能力。深入分析授课情况和教学效果，边教学、边总结、边改进，最终得出较为合理的教学方案。笔者在教学实践的过程中发现教学改革的重点和难点是：（1）根据课程大纲，深度分析“组织分析测试”课程知识点和国家重大需求的关联，设计出恰当的案例和单元式教学情境及研讨方法；（2）创建案例数字资源，结合具体的教学过程与学习效果优化案例和教学方法。

结语

随着制造学科前沿和国家重大需求不断变化，组织分析测试类课程教学需要与时俱进，这也要求授课教师不断学习并探索新的教学模式。通过建立材料和制造领域国家重大需求与组织分析结合的案例库，进行了“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”的教学模式探索，初步形成了“中南特色”的“组织分析测试”教学样板。进行的教学改革加强了授课与国家战略需求的联系，提升了学生学习兴趣，有助于本科生知识贯通和解决问题创新能力的培养。

参考文献

［1］赵威，邸友莹.“互联网+”背景下《现代材料分析方法》课程模式改革创新与实践［J］.教育教学论坛，2018（41）：125-126.

［2］杜三明.“材料微观分析”课程教学问题及改革初探［J］.科教导刊（上旬刊），2019（31）：104-105.

［3］薛娇.瞄准国家重大需求 产学研结合“铝”创佳绩：访2007年度国家科技进步一等奖获得者、中南大学钟掘院士［J］.中国高校科技与产业化，2008（Z1）：32-36.

［4］师瑞霞，杨中喜，陶文宏，等.基于学生创新能力培养的现代材料测试技术实验教学改革研究与探索［J］.科技视界，2014（20）：21+294.

［5］张守著.国家重大科研仪器研制项目“针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统”取得重要進展［J］.中国科学基金，2014，28（6）：418.

［6］罗勇，李敏，王庆良.新形势下的现代材料微观分析方法课程教学改革［J］.教育现代化，2017，4（21）：26-27+46.

［7］张景怀.材料微观分析测试方法类课程的教学改革探讨与实践［J］.教育教学论坛，2021（44）：62-66.

Exploration on the Teaching Reform Toward the Major National needs for Microstructural Analysis and Testing Course of Manufacturing Discipline

LIU Chun-huia， MA Pei-peib

（a. School of Mechanical and Electrical Engineering （Light Alloy Research Institute）， b. Advanced Research Center， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： In view of the weak connection with national strategic needs and students difficulty of comprehensive understanding in the teaching of microstructure analysis and testing courses in the current manufacturing curriculum， this paper proposes to integrate national major needs into the teaching of microstructure analysis and testing in the form of cases， and establish a typical national major needs case base related to microstructure analysis. The teaching mode of “introduction of national major needs-discussion-theoretical teaching-practical application” is explored. Teaching reform has improved students innovative ability to connect knowledge and practice， which is of great significance to cultivate engineering manufacturing undergraduates with strong problem-solving ability and strong sense of mission.

Key words： microstructural analysis; teaching reform; national need