应用为导向的“材料分析方法”课程教改中的探索

摘 要：材料分析方法是关于材料分析测试理论及技术的一门课程。因此，本科阶段开展“材料分析方法”的教学对于提高学生科研素养和掌握材料分析的方法非常重要。本文以应用目标为导向，探索性地提出将科研工作成果引入教学的实例介绍，有助于深化学生对材料表征及分析相关理论知识的理解，同时促进学生理论转化为实践的能力以及对科研的创新探索能力，助力应用型、创新型人才的培养。

关键词：材料分析方法；科教融合；材料表征；教学改革

中图分类号：G642  文献标识码：A

Abstract：Material analysis methods is a course on the theory and technology of material analysis testing.Therefore，conducting the teaching of "Materials Analysis Methods" during the undergraduate stage is very important for improving students' scientific research literacy and mastering the methods of material analysis.This article is guided by application goals and explores the introduction of scientific research examples into teaching，which helps deepen students' understanding of theoretical knowledge，enhance their scientific research innovation and practical application abilities，furthermore improve the level of cultivating applied and innovative talents.

Keywords：analysis methods of materials；integration of science and education；material characterization；teaching reform

随着科学技术的不断进步以及人们对材料认识和分析的不断深化，新材料的研究和应用越来越广泛，对材料分析方法的要求也相应提高。“材料分析方法”是材料化学专业本科生的一门重要的必修课程，主要介绍了材料表征仪器的常用技术手段和基本构造、分析检测的基本原理和主要应用领域，目的是使大学生通过该门课的学习，能够良好掌握借助先进仪器设备分析测试所研究的材料的成分、组织和结构的方法，并剖析材料结构等因素与性能的关系以及产生的影响，对于切实提升大学生的综合素质和实践能力具有重要的意义［1］ 。《材料分析分法》以材料结构分析层次为线索，掌握组织形貌、物相组成、成分与价键和分子结构四大类分析方法的基本原理、谱图解析和功能应用，加强材料结构基础理论和前沿分析技术学习，拓宽学生在材料化学专业的知识视野。能够针对实际案例，制订合理的研究方案，提出有效的测试表征技术，准确分析数据并得到有效结论，使学生在运用材料表征方法的基础上，有效搭建起学生在材料研究过程的一般性思维与方法，从而为学生具备解决材料领域中复杂综合工程问题的能力奠定良好的基础。

然而，目前传统的授课方式仍以教师为主导，进行口头和书面的知识传授，对于强调实践和应用的教学目标的实现是不利的，不符合新工科背景下教育方式的转变。在教学过程中，学生普遍反映教学内容较为抽象，涉及领域广泛，纯理论和口述的方式对于艰深晦涩的知识内容的理解极为困难，学生学习兴趣容易受到影响，难以体会学习本课程的根本目的和实际作用，从而加大本课程教师的教学难度［24］ 。尤其对于行业特色鲜明的高校，教学内容与行业容易脱节，教师难以满足当下行业和社会对自主创新人才的培养需求。因此，本文探讨了应用为导向的“材料分析方法”课程教改中的一些措施，旨在提高学生的学习效果和实践能力。

一、课程目标的重新定义

应用为导向是课程教学的重要方向之一。以“材料之基”助“国之重基”以育“行业英才”。教育教学的目的是提高学生的综合素质和创新能力，而本课程的目标是要求学生具备一定的知识储备和实验技能，能够适应社会的发展需要。我们需要重新定义课程目标，使其更加注重应用和实践。我们的课程对接新工科建设要求，强化“产教融合、科教融汇”的培养模式，教学内容应注重更新，教学方法应注重互动，考核方式应注重多元［5］ 。具体来说，我们可以把课程目标分为三个方面：知识目标、应用目标和价值目标。知识目标包括课程内容的掌握和理解，例如材料分析仪器的基本原理和特点、材料分析的方法和技术等；应用目标则是把所学知识应用到实际中，例如在材料分析实验中正确操作仪器，分析材料的组成和性质等。通过重新定义课程目标，可以使学生更加清晰地了解课程的意义和目的，从而更加积极地参与到学习中来。价值目标是指在課程中深度挖掘课程中的思政元素，将社会责任感和历史使命感等融入学生心灵。

二、以应用为导向的实践教学的加强

分析方法是研究人员探索材料内部结构的眼睛和耳朵，这门课程内容丰富，形式多样，不仅可以在课上系统地学习多种材料研究方法的原理，还可通过实践操作具体地学习各种仪器的使用，这些对学生之后的学习和研究工作有巨大的帮助作用。然而，传统的教学过程中，理论知识的讲解和传授占了很大的比重，极易忽略实践教学在学生知识内化和应用中的重要作用和基础地位［6］ 。因此，以应用为导向，通过强化产教融合及促进科教融汇的培养模式对于提高学生的实践能力和学习效果具有重要的意义。同时，根据教学过程中学生反映的实际问题，从以下几点进行了改革及实践。具体来说，可以采取以下措施：

（一）实验操作的引导

在实验操作中，教师应该对学生进行引导和指导，帮助学生正确操作仪器，分析材料的组成和性质。同时，注重理论与实践的结合，通过大量的实验或大型表征仪器的操作演示，让学生对各种分析测试方法有更直观的认识和深入理解。其中，充分重视并科学讲解各种分析测试方法所对应的基本原理，联系物理、化学、材料相关的理论知识，从而能够从本质上认识目前各种先进的测试技术，有助于与之后的科学研究和生产实践工作高效结合［7］ 。为了更好地切实推进应用为导向的教学实践项目的进行，我们购置和搭建了一批满足基本教学实践和科研需求的仪器装置，并设立了仪器分析表征教学专用实验室。在教学改革深化开展的同时，将进一步强化学生实践能力，着重培养学生的实践能力和动手操作能力，建立相应的训练项目，细分难度递进式的实践教学体系，模块化学习。此外，我们也开放了实验项目受众群体，使其他专业有兴趣的学生也能够较早参与到科学研究中，提升科研能力。比如，在对样品进行透射电子显微镜表征时，需要对其提前制样，而制样的好坏直接影响成像的好坏。但其根本原因，即使研究生阶段，很多学生也只是一知半解，从而忽视了制样的重要性。通过课程的学习，学生了解到电子束本身穿透能力较低，所以使用透射电子显微镜分析样品时要保证材料非常薄而通过电子。根据原子序数大小的不同，一般在5～500nm之間。基于此，需要采用一些特殊的方法制成薄样品。其中，复型法就是其中之一。而能采用此方法的材料又需要具备如下条件：（1）复型材料本身必须是非晶材料。而通过X射线衍射相关内容的学习，我们知道晶体在电子束的照射下，某些镜面将发生布拉格衍射，衍射产生的衬度会对复型表面形貌的分析产生干扰。由此也可以看出，课程的各章节内容相互紧密联系，环环相扣。（2）复型材料的粒子尺寸必须很小。复型材料的粒子越小，分辨率就会越高。如用碳作为复型材料时，分辨率可达2nm左右。如用橡胶作复型材料时，由于粒子直径比碳大很多，所以只能分辨到10～20nm以上的形貌细节［89］ 。（3）复型材料应具备耐电子轰击的性能，即在电子束照射下能保持稳定，不发生分解和破坏。这是在我们直接运用仪器表征分析材料之前所需掌握的基本要求。在科研及生产实践的实际研究过程中，存在相当一部分研究人员，缺乏对分析测试技术的理论学习，直接进行分析表征，就导致观测过程中难以得到满意结果或误差较大。可见，加强专业基础对材料专业学生实际应用和发展的重要性。

（二）实践案例的引入

在课程教学中可以引入实践案例使学生更加深入地了解材料分析方法的应用。例如，可以选取经典的材料分析案例进行讲解，让学生在实践中理解和应用所学知识。具体地，通过列举一些经典材料，让学生自主查阅相关文献资料，进行调研和剖析，了解分析材料的物理化学性质所需的常用表征仪器，掌握其基本原理、手段和数据结果的分析处理，在此基础上进行PPT汇报和交流讨论，完善和总结分析方法，撰写综述报告和论文。这里，如何筛选出具有代表性的实践案例是教师授课过程中需要重点思考的问题，并且应遵循所选案例应用范围广，实用性强，彼此互不重叠又相互关联，同时还能注重突出本学院的研究特色和强势学科，针对性地进行重点讲解。

本课程开课学期在第六学期，学生在“材料科学基础”和“材料化学”课程的学习后，加深了对材料的认识以及对材料分析应用的关注，并且在随后的创新能力综合实训和毕业论文环节可以加以应用。本门课程的学习可以奠定良好的材料表征分析基础，有助于学生对其研究的具体项目或者科研方向中的材料和体系选用合适的表征手段，合理深化分析材料的物理、化学性质。实验以高素质应用型人才的培养为目标，授课过程中拓展具体的实际应用案例进行材料分析测试能力的训练，其中可包括如测试表征方法的选择、样品合成制备策略和数据分析处理等相关知识［10］ 。其中，由于材料微观形貌结构的表征是材料化学专业涉及科学研究中必不可少的重要技术手段，通过结合的科研工作中研究的课题和成果，将其引入教学内容，能有效促进教学质量的提高。通过穿插实际应用案例的分析，可以将刻板生涩的知识讲解变为生动有趣的内容，启发和引导学生自主分析思考科研问题，强化科研素养，掌握正确利用分析测试方法获取微观组织结构的信息，并切身体会分析测试方法在材料相关研究中的重要性。依据本专业教师目前主要研究的课题方向，筛选二十个材料化学专业的科研课题，如环境友好功能高分子复合材料及其阻燃、自修复机理研究、纳米基有机复合材料的非线性光学性能研究、新一代高效储能结构的高效合成和规模应用、自组装薄膜的制备与产氢性能、新型多孔功能材料与应用、导电聚合物电化学传感器设计制备及表征、石墨烯复合炭气凝胶作为电容器电极材料的应用等供学生根据兴趣及指导教师介绍选择一个，了解课题的研究背景，调研近几年国内外研究现状，进行实验方案设计，锻炼实验技术、理论应用及明确发展方向等，最终提交一份完整的实验报告，也能进一步提升学生信息检索、应用及写作能力。通过这种安排，高效解决了检索方法、实验技能、写作素养、学时限制及学生期望值等的不协调问题。经过这种改革方式，实践效果表明，学生及指导教师均反馈良好，避免学生在大四毕业设计进实验室后再进行材料制备和表征分析技能的培养而占用过多的时间，有更多空间和机会做实验、思考问题，同时学生撰写论文水平及格式规范度大幅提升。

对于毕业后直接就业的学生群体，我们也考虑到其工作中所应满足的基本实操素养，针对企业中高频使用的分析测试手段，结合企业的实际应用情境也开展分类的案例分析，有利于帮助学生理解分析测试在材料产业中发挥的重要作用，并且为掌握相关的仪器知识和数据分析处理方法奠定基础，从而全方位、多角度地打造以应用为导向的“材料分析方法”课程的改革和提升。

三、教学效果评价

我们以“多元考核”评价方式为导向，强化自主学习。具体来说：（1）通过科研综述的PPT汇报，提高学生的阅读能力，拓展学习的广度；（2）利用论文数据的分析，撰写完整答辩报告，提升学习的深度；（3）采用非标准化、综合性评价，提升学习的挑战度。在评定过程中，提倡教学效果定性与定量评价的有机结合，书面考查与实践能力考核展示相互印证，且更加重视过程性结果的评价。基于课程目标，从多维度、全方位来评价学生学习效果，得到基于学生应用能力的真实客观评价反馈数据，为落实教学质量的改进和优化提供依据。

经过两年的教学实践，开展对目前所授课班级同学的课下交流、座谈以及问卷调查，为本门课程的教学改革提供了建设性的建议和具有较高价值的效果评价作为参考。同学普遍反馈对于知识点讲解辅以科研及产业实例作为支持的方法非常满意，认为具有代表性的视频动态介绍和总结，高清图例、仪器实操演示，对于抽象、艰深的知识点的理解非常有帮助。此外，学生也希望将所学内容进一步延伸至宏观的应用领域。在学生参与的科创项目和企业实习中，指导教师与合作单位对学生的科研素养和操作水平均给出了较高的评价和认可。这些反馈不仅充分肯定了此次课程改革的重要性，也为下一步完善改革举措，丰富课堂内容，进行更合理的课程设计提供了思路。下一步，我们将在全面总结此次教学改革效果的基础上，进一步增大实际应用场景在教师教学过程中的占比，充分调动学生学习的兴趣和科研热情，提高学生的求知欲、积极性、主动性。

结语

应用为导向的“材料分析方法”课程教改中的探索，是一项重要的教学改革，旨在提高学生的学习效果和实践能力。通过重新定义课程的培养目标、加强实践教学所占比重、采用多元化的授课方式以及充分利用线上优质教学资源等措施，可以使学生更加深入地了解材料分析方法的应用，从而为未来的科研和工作打下坚实的基础，使学生能合理选择分析手段进行材料研究。通过个体案例分析使学生对于分析方法的应用有直接的了解，通过综合实际应用案例使学生获得材料研究的基本训练，通过“课程体系大框架下”的课程设计大作业和科研课题实验体系，让学生扎实掌握设计新材料的表征测试实验方案的能力和数据高效合理分析的技术水平。本课程将基础理论和应用结合起来，将分析方法系统地传授给学生，建立起理论和应用、材料和分析的桥梁。

参考文献：

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［2］刘小娟，吴锋景.应用型本科院校《材料现代分析测试方法》教学改革的探索［J］.广东化工，2018，45（19）：164165.

［3］杨英歌，陈飞，曾冬梅，等.“现代材料分析方法”教学改革探讨［J］.新课程研究（中旬刊），2011（08）：7576.

［4］郭锋，胡艷华，龚佩，等.工程类研究生专业课程中的案例教学方法探讨——以“现代材料分析方法”课程为例［J］.内蒙古师范大学学报：教育科学版，2015（9）：118120.

［5］梁建烈.《材料分析方法》的实验教学探讨［J］.广西民族大学学报：自然科学版，2010，16（2）：97100.

［6］曹静，于岩，李凌云，等.“材料分析方法”虚拟仿真实验教学系统建设及应用［J］.实验技术与管理，2019，36（10）：3235.

［7］刘成宝，王东田，陈志刚.“现代材料分析方法”课程教学改革初探［J］.新课程研究：中旬，2016，420（11）：5455.

［8］郭铁明，南雪丽，尹燕，等.基于OBE+新工科理念的材料分析方法教学的“两性一度”设计［J］.中国现代教育装备，2021（17）：9395.

［9］李妍，葛强.将应用实例引入无机材料分析方法课程教学实践研究［J］.广州化工，2020，48（22）：165167.

［10］邓丽萍，向红亮，江星莹，等.《材料分析方法》在材料成型及控制专业教学中的改革探讨［J］.教育教学论坛，2016（43）：112113.

作者简介：甘甜（1992— ），女，汉族，甘肃敦煌人，博士，讲师，研究方向：能量转换与存储材料及固体氧化物电池。