基于工程认证标准的《材料结构表征》课程教学改革探索
任瑛 马秋花 王仁杰 陈倩倩 程巧换 韩平 左宏森
( 河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)
摘要：河南工业大学材料科学与工程学院开设的“材料结构表征”是学校一流课程。课程作为专业必修课程，具有师资队伍强大，教学内容模块化，考核机制多样化等特点。基于工程教育认证，以“学生”为中心，紧扣培养目标，重在应用，兼顾理论，对材料结构表征课程教学模式、教学方法以及教学内容改革进行了探索研究，旨在将此课程建设成为国家精品课程。
关键词：材料结构表征;教学改革;工程认证
中图分类号：TM93；G642.423 文献标识码：A
Teaching Reform of the Course "Characterization of Material Structure" Based on Professional Accreditation of Engineering Certification Standards
REN Ying, MA Qiuhua, WANG Renjie, CHENG Qiaohuan, CHEN Qianqian,
HAN Ping, ZUO Hongseng
( College of Materials Science and Engineering，Henan University of Technology，Henan Zhengzhou 450001，China)
Abstract: The “Material Structure Characterization” offered by the School of Materials Science and Engineering of Henan University of Technology is a first-class course in the school. As a professional compulsory course, the course has the characteristics of strong faculty, modular teaching content, and diversified assessment mechanisms. Based on professional accreditation of engineering, focusing on "students", focusing on training objectives, focusing on applications, and taking into account the theory, we have conducted an exploration of the teaching model, teaching methods, and teaching content reform of the material structure characterization course, aiming to build this course into National quality courses.
Keywords: Characterization of Material Structure; Teaching reform; Professional accreditation of engineering
引言
工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。河南工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程专业在2018年通过中国工程教育认证，有效期6年。本学院所开设的“材料结构表征”，是一门必修课，属于专业基础类课程。本课程具有理论知识多、课程内容多、概念术语多以及相关交叉学科较多的特点，需要学生先修数学、物理、材料等相关基础课程。
然而，随着科技技术的不断发展，出现了很多新型材料以及复合材料，那么材料组织与结构的分析在研究材料科学中的地位越来越重要。而以教为主体的传统教学模式已不再适合本课程，不能满足工程认证的要求。基于工程教育认证OBE理念，即以学生为中心，以产出为导向，持续改进，围绕《材料结构表征》这门课程对毕业要求及其指标点的支撑，对本课程教学进行改革。
一、探索新教学方法
本课程新的教学模式主要围绕课下学习和课上学习两大模块进行，采用“课前预习-预习测验-课堂讨论-课堂讲授-课堂勘误-效果反馈”的“六步”教学法，以“学”为中心，紧扣培养目标，突出以“实用—理论—实用”的原则实现教学目标。现以扫描电子显微镜（SEM）的原理及应用为例进行说明。
（1）课前预习
针对本章节内容，提前下发任务书，明确课前要求。任务书中详细记录课程内容的教学目标、知识点以及重难点，以及需要提前温习的内容和在规定时间内所要完成的内容。所涉及的基本知识点有SEM的构造，衬度的分类以及二次电子的定义，重点是SEM的应用，难点是SEM的工作原理。
为了提高学生兴趣，可以要求学生完成思维导图，根据思维导图进行课前预习。学生可以通过查找网上资源，包括视频、文献等多种形式，从而调动学生的积极性。同时，布置思考题，如SEM在分析泰坦尼克号沉没原因中的应用，以及新冠病毒中病毒的照片如何获得？将教师的教学活动转化为学生自动求知，自主选择，自我深化的过程。
（2）预习测验
提前建立题库，以考试或提问的形式，测验学生对扫描电子显微镜构造、衬度以及二次电子等知识点的掌握情况。为了增加学生的参与度，也可以以视频的形式，通过观看视频（扫描电子显微镜的拆分及组装，二次电子产生的动画），教师或学生自行提出问题，其他同学回答或抢答。根据学生测验反馈充分了解学生对本节知识点的掌握情况。
（3）课堂讨论
针对测验结果，让学生就预习中产生的疑问进行自由发言，充分讨论或辩论。不同学生对知识点的掌握情况不一样，思维方式以及理解能力也不同。充分了解学生对本次课程内容的理解误区和知识点的掌握程度。教师要实时地引导，也要记录学生的问题，尤其是共性问题。
（4）课堂讲授
在课堂讨论的基础上，明确重点讲解的知识点：基本知识点、重点以及难点。通过实际案例分析，充分阐述本节知识的应用前景，使学生对于本节知识点的重要性有清醒的认识。结合思考题，引入泰坦尼克号沉没的“元凶”铆钉断面显微镜照片，新冠病毒的照片，再结合动画演示，讲解衬度的知识以及SEM工作原理。同时，将科研成果引入课堂，如多晶金刚石薄膜的表面形貌图，讲解二次电子成像机理，实现科教融合，从应用的角度出发，讲解理论的知识，然后再回归应用。
（5）课堂勘误
将预习测验结果和课堂讲授进行有效结合，对学生在预习中存在的共性问题进行着重分析，对学生在预习中存在的个性问题进行有效纠正，最终达成共识。
（6）效果反馈
考核形式多样化，充分利用网络资源，包括线上视频以及云课堂等，课堂活动（问卷、提问、抢答和讨论等）、课程视频的观看，任务点完成以及章节测验和考试等等。
总之，课堂教学的转变，先从案例出发引出理论知识，改变传统的理论知识先入为主的教学；教学方法的转变，课堂教学方法从传统的灌输式、填鸭式，转变为启发式、探究式、讨论式和案例式；教学主体的转变，课堂教学主体从传统的教师主体，转变为以学生为主体。
二、 提高实践教学
材料结构表征这门课程，作为一门分析测试课程，不仅仅需要扎实的基础理论学习，还需要过硬的实验技能训练。培养学生能够根据本专业研发与产品设计需要，选择合适的分析方法与现代工程工具，包括对本专业复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。因此，实践教学是必不可少的本课程共有5个验证性实验，共10个学时，涵盖了本课程所涉及到的大部分检测设备。
目前，我院拥有2台不同型号的X射线衍射仪（1台为进口设备，1台为国产设备），2台进口扫描电子显微镜，1台荧光X射线成分分析仪，1台进口拉曼光谱仪以及2台红外光谱仪等等，为此课程实践教学顺利进行提供了很好的平台。实践教学主要由相应实验老师负责，根据理论课程的进度，安排实验。实验老师会再次对仪器设备构造、原理以及操作步骤进行讲解，加深学生对知识点的理解。然后，老师亲自动手制备样品，操作仪器进行样品检测，所获得的实验数据由学生自行分析。最后，学生以实验报告的形式上交，其中报告数据处理和分析。
然而，设备有限且昂贵，无法实现学生亲自操作。为此，我们在实践教学环节中引入“云实验”，可以解决此问题。学生通过云平台操作，可随时随地反复地进行实验操作。
三、加强师资队伍建设
该课程最初只有1位教师授课，到目前已增加到由副教授、讲师以及高级实验师等7位教师组成的高水平教学团队，形成一课程组。本课程7位教师涉及不同领域：高分子、无机、超硬材料以及复合材料，具有博士学历者高达85%以上；知识结构和年龄结构合理，既有经验丰富的老教师，也有年富力强的中青年教师骨干。整个教学团队不断地学习，在教学方面，每年都会参加相应的教改会议，并积极申报教改项目。同时，作为兼顾理论重应用的分析测试课程，需要时刻关注前沿的内容以及检测手段的更新。主讲教师以及实验老师积极参与及主持省级教学教改项目，主持省级科技厅科技攻关项目以及参与国家青年基金项目等，发表教改论文以及高水平学术论文70多篇。
四、建设具有特色的教学内容
材料结构表征讲授材料现代分析测试方法的基本原理、试验方法、仪器设备及其应用。内容包括：X射线衍射分析原理、X射线多晶衍射方法及应用、透射电子显微分析、扫描电子显微分析与电子探针、光电子能谱与俄歇电子能谱、扫描探针显微镜及扫描隧道显微镜、红外光谱与拉曼光谱。基于OBE工程教育认证理念，计划重新修订教学大纲，增加学时，教学内容与教学目标匹配，突出应用。以物理信号为基础将教学内容分为三大模块：X射线，电子和光，涵盖了原本10章的内容。每一大模块以原理、设备和应用分成三小模块。其中X射线衍射分析技术和电子显微镜分析技术作为主要教学内容。
实践课教学主要包括5个实验项目：X射线衍射仪的结构和材料定性相分析；扫描电镜的结构及典型试样形貌观察；红外光谱法测定物质的基团结构；荧光X射线成分分析以及拉曼光谱法测定物质的结构。通过虚拟仿真平台实验以及购置大型实验检测设备，提高实践的教学质量。所设置的5个实验均配有对应的实验检测设备，其中4个实验已建立虚拟仿真平台。其任务是通过对材料测试与研究方法常用实验技术方法和主要实验仪器设备的实验操作训练，使学生进一步理解和掌握材料测试与研究方法的基本概念、基础知识、基本原理和方法，掌握材料测试与研究方法基本实验仪器设备的调试和使用方法，掌握常用实验技术方法的基本原理、实验步骤和操作要点，掌握实验数据获取与处理、实验结果分析与讨论、实验报告编写的方法和手段，培养和提高学生的实验操作能力、创新能力以及运用基本理论和方法综合分析和解决实际问题的能力。
五、完善学习效果评价机制
对此课程的评价，学生给予了肯定。考核形式多样化，包括课堂活动（问卷、提问、讨论等）、学生表现积极，讨论激烈。课程作业平均分为89，平时章节考试均分为77分。截止目前，学生综合成绩达成度为87.7%，按照本专业达成度要求为≥65%为达标。并且，相比上一期学生成绩，经过改革后本课程成绩有所提高。
以学生为中心，以培养目标和毕业要求为导向，通过足够的师资队伍和完备的支持条件保证此课程教学的有效实施，并通过完善的内、外部质量控制机制进行持续改进，最终保证学生培养质量满足要求。旨在将这门课程建设成为河南省一流课程，最终成为国家精品课程。
参考文献
[1]李伟,石海峰,王立敏,张兴祥.材料科学与研究方法课程建设与教学改革探索[J].科技信息,2012(32):510.
[2]胡文龙.工程专业认证背景下的高校教师教学发展[J].高等工程教育研究, 2015(1):73-78.
[3]姜锋,卢雅红.材料结构分析精品课程的创新性教学探索研究[J].课程教育研究,2013:24-25.
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