材料现代分析技术教学改革探索

黄 帅 王海欧 苏昆朋 杨得鑫 霍德璇

（杭州电子科技大学材料与环境工程学院 浙江·杭州 310018）

0 引言

在21世纪，人们的日常生活显著依赖于各种各样的材料，例如交通、住房、服装、通讯、娱乐和食品生产等方面都在某种程度上受到材料的影响。从历史上看，社会的发展和进步与社会成员生产和使用材料的能力也是密切相关的，早期的文明也是由其物质发展水平来界定的（例如，石器时代、青铜器时代、铁器时代）。当今社会，材料在所有技术变革中起着决定性的作用。由于任何材料都是由宏观、微观和纳米结构所构成的，因此掌握材料的结构和组成，并且能够实现对材料的精密分析，是获得材料最佳性能的关键。为了适应未来市场需求，培养具备从事本学科及相关领域的材料现代分析能力的专业人才，杭州电子科技大学材料系针对三年级本科生开设了《材料现代分析技术》这一专业必修课。本课程主要涉及材料的衍射分析、电子显微分析、光谱和电子能谱分析等常用表征技术的原理、应用、操作及数据处理分析方法。通过本课程的学习，要求学生能够掌握各种测试方法的原理及适用场合，能够根据不同的测试需求合理的选择测量方法，具备一定解决实际问题的能力，为今后从事材料专业的研究和生产奠定基础。在实际讲授本课程的过程中，由于教学内容覆盖的知识面较广、知识点相对分散，并且教学类实验设备受限，因此需要在传统的教学过程中增加新的教学手段来提高学生对知识的理解和掌握能力。本文分别从“思维导图”、“案例教学”、“知识点对比教学”和“回归教材、回归课堂”四个方面入手，进行了初步的教学改革探索。

1 教学改革探索

1.1 思维导图

思维导图是一种将思维形象化的方法，通过将不同的概念以放射状的形式进行逻辑关联，可以将思路变得更为条例和深入。本课程所涉及的知识领域广泛，内容抽象，不易理解与掌握。但是，通过归纳整理不难发现，同一类知识点之间的逻辑关系较为明确。因此，可以将思维导图的方法应用于课堂教学，帮助学生构建知识框架。需要说明的是我们所应用的思维导图不仅限于放射状结构，而是推广到了顺序结构或复合结构。例如，在讲授X射线的衍射强度时，由于衍射强度涉及因素较多，问题比较复杂。通过对知识点的梳理，我们可以从一个基元散射入手，先考虑一个电子对X射线的散射强度，得出X射线被一个独立的电子散射后的强度表达式，同时引出偏振因子的概念，然后扩展到一个原子的散射，进而扩展到晶胞、小晶体，最后再考虑粉末衍射的情况。这样通过层层递进，可以实现由易到难、由简单到复杂的教学思路，最终所得出的思维导图如图1所示。

图1：X射线衍射强度问题的简要处理过程

1.2 案例教学

案例教学法由美国哈弗法学院C.C.Langdel于1870年提出。案例教学法强调通过将教学主题结合具体案例来进行讲授，并通过课堂讨论、课堂展示等师生互动环节，使学生积极参与课堂教学，从而加深对知识的理解。通过对课程内容仔细分析，我们发现课程中所涉及的每一种分析测试方法，都可以单独作为一个案例进行讲授。此外，作为一名科研一线教师，在科研过程中经常会遇到各种分析测试问题。将这些问题带入具体案例进行讲授，让学生对这些问题展开思考和讨论，既能加深学生对课本内容的理解，又能提高学生分析问题的能力。以X射线衍射分析为例，重点是让学生理解X射线衍射的基本原理，学会X射线衍射的方法，并且掌握X射线衍射的应用。在具体的教学过程中，如果按照课本的教学内容依次进行知识点的讲授，不难发现这些比较枯燥的概念和原理很难激发学生学习的积极性。为此，我们首先以一个X射线衍射仪的操作视频作为教学内容的开端。由于本科生接触科研设备的机会比较少，并且学生也比较喜欢以视频的形式进行学习。通过运用这一教学手段，可以减缓学生对抽象知识的反感。在观看完操作视频后，不少同学就会主动提出一些问题。比如视频中设备的名称、设备的用处、设备的原理等等。案例教学的地点可以尝试在具体的实验室中展开，让学生能够身临其境的感受到书本知识点的具体来源。

1.3 知识点对比教学

电磁辐射或实物粒子与材料的相互作用，从而引发吸收、发射、电离、散射等物理效应，是材料现代分析方法的技术基础。在讲授各种现代分析方法之前，这些知识点需要学生提前讲授。由于这部分内容涉及到的知识点非常多，其中的物理概念非常容易混淆。为了解决这一问题，我们发现通过使用同类知识点的对比学习，可以帮助学生理清思路，从根本上理解不同的物理效应所涉及到的物理原理及与之对应发展起来的分析测试方法。例如，在讲授电子与材料相互作用产生的信号及据之发展起来的分析方法时，我们可以通过知识点的对比，来区分电子、光子、元素与材料相互作用时对应形成的物理信号及从不同的物理信号演化而来的测试方法。

1.4 回归教材，回归课堂

在当前多媒体教学手段广泛流行的环境下，课堂教学已经显著依赖于教师的电子教案。在准备电子教案时，为了凝练知识点并突出重点，电子教案的内容往往比较简略。这样一来，学生在听课或复习的过程中，就难以对所学知识形成一个整体的认识，只能掌握一些碎片化的概念。为了解决这一问题，我们首先基于学科的发展规律，及时更新了教学使用的教材，从而保证了教学内容的先进性，让学生能够有机会了解到前沿的研究进展。另外，考虑到当前学生课业负担较重，需同时学习多门课程，课余时间相对较少。因此，每次在讲授新的知识点或新的章节前，确保在课堂上拿出一定的时间来让学生通读一下将要讲授的课本内容。这样，既不会因占用学生过多的课余时间而引起学生的抵触情绪，也能使学生能够对所学知识提前有一定程度的了解。在后面的具体讲授时，只要将重点内容讲清楚，学生便能够形成整体的知识框架，且能够区分清楚哪些是需要重点学习的内容。

2 结语

教学改革的根本目的是为了让学生更好的获取关于材料现代分析测试技术的知识和技能。以上所涉及的教学改革探索，充分考虑了当前学生学习的心态、学生的有效学习时间及当前学科的发展规律，通过较为简易的教学改革手段，力图在不占用过多课余时间的前提下提高学生的学习效率，激发学生的学习兴趣，培养学生的科学创新思维，提高实际分析问题和解决问题的能力，将学生从被动接受知识转变为主动学习知识。由于上述教学改革手段实施的时间较为短暂，其实际的教学效果需要多次的教学考核结果来体现。因此，在后续的实施过程中，还需根据具体情况进行多次的优化和调整。