新能源科学与工程专业《材料分析方法》教学方法探究*

徐伟龙 崔爱晗 杨小雨

（常州工学院光电工程学院 江苏常州 213032）

引言

材料分析方法作为新能源专业大三下学期的专业课，学好这门课对于他们在生产实践、毕业设计、科学研究以及就业方面都有非常大的帮助。在实际教学过程中，选取了机械工业出版社周玉教授主编的《材料分析方法》教材。该书主要讲述了X射线衍射分析和材料的电子显微分析。该书简明扼要，仪器的结构原理详尽，注重实例，非常适合新能源专业开展教学工作。该课程主要是通过仪器的介绍，培养学生利用现代分析方法解决实际问题的能力[1-3]。然而，在教学过程中，该课程涉及的技术原理多，内容广泛，同时有些原理抽象，公式的推导需要较深的数学功底。因此，只讲述设备的构造及原理，学生会出现学习兴趣低，枯燥乏味的现象。针对该现象，在实际教学工作中，除了采用常规的板书、课件的教学之外，还通过发扬团队精神。针对常州工学院新能源专业办学特色，总结了一套教学方法，其中包括线上线下结合教学、案例教学法、理论实践结合法以及考核方式多样化等教学方法，提升了教学效果。以下是针对这些方面所采取的具体教学改革措施[1]。

一、线上线下结合教学

如今，线上的教学资源越来越丰富，在线开放课程建设，几乎涵盖了高校大多数门类课程，尤其是国家精品课程，学习内容丰富，教学环节科学合理。在特殊时期，大部分在线精品课程对高校学生开放，为学生学习提供了便利。如今的授课方式也越来越多，如QQ群、腾讯会议、钉钉等，可以实现屏幕共享、实时交流、答题等。根据学校疫情防控要求，在学生开学的两周内，进行线上教学，这就要求线上教学将会成为常态。在线上教学环节，除了讲授课程的知识点，还会通过介绍X射线是如何发现的，X射线在医学和安检方面应用等，来激发学生学习兴趣。授课过程中，教师通过网络平台，密切关注学生的疑问，并进行有效的沟通与点评，对于表现积极的同学进行适当表扬。虽然是线上教学，也要设计教学过程，确定教学目标，在课堂上也可以设置抢答环节，激发学生学习热情。线上教学模式为线下教学确实提供了一个载体，对线下教学提供了有效的补充。但是，从目前的信息技术水平来看，线上教学更适合单纯的知识学习和信息传递，而对于教学过程中思想碰撞、情绪互动，面对面的交流是不可替代。因此，现在多数课程都是采用线上线下相结合的授课方式。线下课堂教学环节，就可以就重点与难点进行深入讲解。比如，在X射线衍射原理中，布拉格方程是重中之重，为了了解学生掌握情况，可以让学生到黑板上进行板书，这时候学生展现出的学习效果是最真实的。学生完成之后，教师会对学生结果进行点评。这样可以实现师生、生生之间良好互动，活跃课堂氛围，同时锻炼了学生表达能力。课程结束之后，期末考试之前，可以给学生布置一个任务，让学生去总结这门课学到了哪些知识？学了这门课意义是什么？对于老师的授课方式有什么意见？有的学生可能会不敢提意见，会有心理负担，这时候就要跟学生讲清楚总结的意义是什么。第一，是对这门课的总结，有利于对该课程形成整体的认识，加深理解，同时思考该门课的应用；第二，提升教学效果，因为老师自己可能很难知道自己存在的问题，站在学生的角度可能更加直观感受到老师授课存在的不足[2]。

二、案例教学法

传统的教学方法通常只告诉学生如何做，但是其内容在实践中可能不够实用。教师得复杂的仪器工作原理以灌输式讲解，会损害学生的积极性和创造性。案例教学法则要求学生去独立思考，引导学生能力的培养，同时重视师生之间的双向交流，使得枯燥无味的内容变得生动有趣。作为常州工学院开设的新能源科学与工程专业，光伏是特色。在上课之前，教师通过精心思考和谋划，设计一些有利于培养学生自主学习能力、培养学生分析和解决问题能力的案例。例如，以如何区分单晶和多晶硅？如何得知单晶硅电池腐蚀之后的微观形貌？如何得知一个原子的大小等实际案例开展教学，让同学去探讨，发挥想象力。随后，引出所要讲授的知识点，X射线衍射仪通过判定衍射峰的位置，与PDF卡片对比，就可以得知硅的结晶特性；单晶硅太阳能电池腐蚀之后，出现金字塔的微观结构，可以通过扫描电子显微镜进行直接观察；通过给大家展示单晶硅的高倍透射电子显微镜图，就可以知道一个原子的尺寸是在埃（0.1纳米）数量级，这些问题都可以通过现代分析测试方法得到，同时也向大家展示了《材料分析方法》的重点所在。教学科研团队与光伏企业有着深入而广泛的合作，可以将取得的一些最新的科研成果，展现给学生，这样可以让学生更加直观地感受到测试分析方法的应用。扫描隧道显微镜是一种新型表面测试分析仪器，可原位观察表面原子组态，其工作的基本原理是量子隧道效应，由于学生没有学过量子力学，在讲述该原理时就会出现一些困难。这时候，教师就可以采用类比的方法，如在骑自行车上坡过程中，如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，此时再讲述恒电流恒高度工作模式，学生就比较容易所懂。在实施案例教学法过程中，大学生都能参与到讨论，活跃了课堂氛围，增强了分析以及解决问题的能力[3]。

三、理论实践结合法

本课程是一门注重实际应用的课程[4]，学生通过理论的学习，了解仪器的构造、工作原理和应用之后，加入教师的研究课题，通过实际操作，观察测试过程，就可以对仪器设备更加了解。比如，根据自身科研方向，让学生参与其中。在进行样品测试之前，指导老师会再次介绍仪器的硬件组成、工作原理、应用领域、样品要求、测试步骤等，对于设备容易出现的故障和原因也有必要和学生重点强调，介绍时候要详略得当，有序衔接，突出重点。比如，扫描电子显微镜是分析材料微观结构的常用测试手段，具有分辨率高、景深大、放大倍率连续可调的优点，用于观察材料的表面和截面结构，分辨率为纳米级。利用扫描电镜测试二氧化钛纳米阵列微观形态结构，在测试过程中，可以发现纳米世界的纷繁与美丽，纳米花、纳米薄片、纳米颗粒、纳米阵列等。通过X射线衍射仪测试分析二氧化钛材料，就可以知道二氧化钛的晶体结构，金红石、锐钛矿或者板钛矿，这样就可以根据晶体结构特征，在不同的领域实现应用[4]。X射线衍射仪是由X射线发生器、测角仪、辐射探测器及记录单元构成，教材上所使用的方法X射线源固定，样品和探测器联动，而实验室的设备是样品固定，X射线发生器以及探测器转动，但是工作原理相同，在以后的科研和工作中，经常会出现仪器设备构造不同，但只要原理掌握透彻，将理论知识运用到实践中，就可以解决实际问题。本科学生很少有机会接触昂贵的大型设备，通常会抱有浓厚的兴趣，因此，在给学生介绍的时候，要抓住时机展现仪器的“魅力”，激发学生学习的热情。但是，当学生真正面对和操作仪器时，会出现一定的畏缩心理。这时候，要鼓励学生，不要怕出现错误，在合理范围内让学生自己操作。在国外一些高等学校，比如墨尔本大学电镜测试中心，学员在获得独立操作资质之前，需要学习一定的理论知识，然后进行理论考试，理论考试通过之后，会在网上进行实操模拟。该模拟是针对某个特定的仪器设备的，模拟实操合格之后，再去参加工程师面对面培训，工程师根据自己的经验对学员进行考核，通过之后，就获得独立操作仪器设备资质了[5]。

四、考核方式多样化

传统的考核方式，一般由平时成绩和考试成绩两部分构成，期末考试一般会占主导地位，而平时成绩构成也相对简单，如出勤、平时作业等。因此，学生对于课堂教学没有足够的重视，通常会以速记等方式来应付期末考试，争取得到高分。考试结束之后，学生学生会忘记所学知识，学习的主动性、积极性和持续性没有得到很好发挥，不利于培养学生的创新能力，因此，过程性考核就显得格外重要。现代教育也要求，教学从传统的应试教育不断向能力培养转变，过程考核能够体现学生的综合能力，通过积极引导学生，重视学习过程中知识的积累、问题的思考和能力的创新，弱化期末考试突击的学习态度和方式。在开始上课之前，制定了“N+1”过程性考核方案，形成了成绩评定标准，其中1表示课程结束之后进行的期末考试。在期末考试的题型设计上，教学团队进行了专门的研讨，得出一致结论，就是尽量多出主观题，以此体现学生对于知识的综合运用能力，而少出选择、填空和判断题等客观题，把期末考试占总评比例定为50%。N代表着在对于过程考核的N种方式，N通常与课程的学分有关，学分越高，考核方式尽量越多。选取习题作业、专业实验、调研报告作为过程性考核材料，所有的过程性考核材料在课程结束前完成。习题作业是检查学生学习效果的有效方式，通过习题作业的练习，可以对知识点起到巩固和思考的作用，将习题作业贯穿整个教学过程，针对学生普遍出现的问题，在课堂上进行认真的点评和讲解，使学生能够更好地理解知识要点，作业成绩占总评分数的15%。专业实验通常安排在理论课之后，由于理论知识相对抽象，会对部分学生学习带来困难，而通过仪器设备的直接观察和操作就可以更好理解，同样，在充分地了解理论之后，就可以更好地操作设备，专业实验成绩占总评分数的15%。完成一份调研报告简单，但是高质量地完成一份调研报告就需要下很大功夫，需要查阅很多的文献资料，进行信息的提取和汇总，最后得出核心思想并整理成文，还要对文本排版，是一个系统工程。在这个过程中，学生的综合能力会得到体现。疫情期间，学生拥有更多的线上时间，可以查阅到丰富的资料。该部分的考核非常适合于线上线下结合的教学模式，调研报告占总评比例为20%。通过过程性考核方案实施，学生更加重视课堂学习，而不是简单的期末考试，学生的综合能力也得到培养，分析问题和解决问题能力得到明显提升[6]。

结语

针对新能源科学与工程专业特色和测试分析方法课程特征，采取了线上线下结合授课方式，线上教学可以实现单纯的知识学习和信息传递，线下教学可以实现思想碰撞，情绪互动。案例教学法可以通过讲述问题的分析和解决过程，培养学生解决问题能力；理论实践结合法，学生通过参加教师科研课题，将理论知识用于解决实际问题，而通过实践，学生又可以更好地理解理论知识，实现良性循环；考核方式多样化，重视过程性考核，避免了学生考前突击的局面，使得学生综合能力得以提升。总而言之，教学方式、教学内容的改革，其根本的目的在于转变学生被动接受知识的行为，形成主动学习，热爱学习的习惯，重点培养学生独立思考问题、分析问题和解决问题的能力。