新工科背景下《无机材料分析方法》教学改革初探

新工科背景下《无机材料分析方法》教学改革初探

申偲伯，刘璐，王琪，刘艳平，牛奎，曹磊，赵琰

河北科技师范学院 化学工程学院 河北 秦皇岛 066004

摘要：《无机材料分析方法》以涉及多种材料表征仪器、知识点广及应用性强为特色，但其传统教学模式多侧重于仪器原理的讲解，而忽略多种分析方法在实际应用中的内在联系及学生动手实践能力的培养。为适应新工科人才培养需求，本文结合河北科技师范学院无机化学专业研究生教学实践，基于能力导向型新型教学模式设计，分别从理论知识教学方法、仪器操作教学方法和教学效果测评方法三方面提出了相应的改革措施，以期激发学生学习兴趣，提高学生培养质量，进而促进专业发展。

关键词：无机材料分析方法；课程改革；新工科

2017年以来，随着“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”新工科建设“三部曲”的奏响，适应新兴产业和新经济发展的新工科人才培养模式大讨论在全国范围展开。新工科以新材料创新、互联网革命和新技术发展等时代特征为核心，旨在培养多元化、创新性工程人才[1]。所以具备快速学习新事物能力、整合能力和实践能力的化工新材料类综合性人才培养模式探索成为新工科建设的重要组成。

《无机材料分析方法》是化学类/材料类人才解析材料微观结构及开发新材料的重要工具属性课程之一，该课程涉及无机材料成分、结构表征理论与实践操作，主要讲授无机材料的形貌、物相、成分和价键结构、分子结构等表征分析的基本原理和操作技巧[2]。传统授课模式强调单一知识灌输，通常追求多种分析方法的面面俱到，而忽略分析方法在实际运用中的内在联系；此外，传统教学多侧重于理论讲解，而忽略学生动手实践能力的培养[3,4]。为适应新工科人才培养需求，该课程的教学模式亟需优化。鉴于此，本文基于《无机材料分析方法》课程改革与实践，通过能力导向型新型教学模式设计，从理论知识教学、仪器操作教学和教学效果测评三方面提出了教学改革措施，以期实现学生掌握综合运用多种表征方法以解析材料结构的科研能力培养，搭建学生能力培养与未来职业需求的桥梁。

1. 理论知识教学方法改革

当前，开源线上学习资源日趋丰富，如MOOC、B站、公众号中的公开课，学生可根据自身基础自行学习线上资源。针对《无机材料分析方法》知识点多、课时紧的特点，指导学生利用线上资源课前预习十分重要。采用翻转课堂的教学模式，首先，将班级学生分为五组，每组学生通过课前预习基本掌握一种大型仪器的理论知识，并带着疑问走进教室；然后，学生将课前预习所学知识点通过PPT演示讲解，他组学生提问及讨论解答；下一步，教师讲解课程重难点，解答学生疑问，并对学生自学的理论知识进行拓展；课后，教师根据本节课学习情况，布置课下学习任务，指导学生利用线上教学资源自学大型仪器数据处理软件，包括Origin、Jade、Avantage、photoshop等，旨在激发学生的学习兴趣，发散思维，巩固知识，提高所学知识实践性。教师应从繁杂的线上资源中筛选出符合学生知识、能力基础的学习资源，并按照知识点的逻辑性进行编辑整理，结合知识点设定学习目标和开发配套练习题。

2. 仪器操作教学方法改革

大型仪器的操作规程和技巧是《无机材料分析方法》能力要求的核心，本部分依然使用分组教学方法，教学过程按照以下步骤进行：（I）学生根据自身研究兴趣分为五组，每组分别制备多晶试样（块材、粉末或涂层的一种）；（II）依据三类试样各自要求，指导每组学生动手进行X射线衍射仪（XRD）制样、测试并得到试验数据；（III）指导每组学生动手进行扫描电子显微镜（SEM）制样、测试并得到数据；（IV）指导每组学生动手进行傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）制样、测试并得到数据；（V）指导学生利用Jade、Origin、nanomeasurer、photoshop等软件分析得到的XRD、SEM和FTIR数据，通过综合分析得到的材料结构表征数据，包括定性和定量物相、晶粒尺寸、择优取向、材料形貌、元素含量及分布、化学键振动峰的位置及强度等，“全方位”认识材料的结构信息，通过对比不同仪器得到的同类数据，如XRD和SEM都可测量晶粒尺寸，加深对表征方法理论的理解。（VI）由于课时限制，以上步骤只选取了应用最广泛的物相分析方法、形貌分析方法和化学键分析方法中的各一种，如果学生希望进一步解析材料结构，可利用课下时间指导学生使用透射电子显微镜和X射线光电子能谱仪等进行分析；（VII）学生撰写试验报告，并论述多种分析方法联用在材料结构分析中的优势。

3. 教学效果测评方法改革

本课程学习效果的测评着重仪器操作实践和数据分析能力的掌握，因此从三方面进行总成绩评定：（I）根据学生分组讲PPT效果及课下作业完成情况，评定学生理论知识的掌握程度，该部分占总成绩的30%；（II）根据学生动手操作大型仪器的情况，评定学生操作的规范性、完整性和时效性，该部分占总成绩的40%；（III）根据学生分析数据的准确性、作图规范性、实验报告撰写的逻辑性和完整性进行评价，该部分占总成绩的30%。教师根据本课程的教学目标，制定合理的评价考核方法及评分细则，由此分析学生的学习情况。在课程考核结束后，对考核结果进行统计，根据课程目标达成度分析课程教学模式存在的问题，后期进行持续改进。

4. 结语

基于能力导向型新型教学模式设计，从理论知识教学、仪器操作教学和教学效果测评三方面实施教学方法改革，使《无机材料分析方法》的教学形式多样化，丰富了学习内容，激发学生学习兴趣，提高学生培养质量，进而促进专业发展。

参考文献

[1]冯佃臣,杨礼林,翟亭亭,等.新工科背景下金属材料工程专业培养方案及课程体系设计[J].科技风,2024,14,37-39.

[2]杨玉林,范瑞清,张立珠,等.《材料测试技术与分析方法》[M].哈尔滨工业大学出版社,2014.

[3]李艳国,张静武,于金库,等.本—硕—博课程群一体化建设的实践与思考——以燕山大学《材料分析方法》课为例[J].教学研究,2022,45(5):50-56.

[4]杨春亮,杨林,刘飞.“现代材料分析方法”虚实结合实验教学模式改革的探索与实践——以X射线衍射仪实验为例[J].广东化工,2023,15(50):223-226.

基金项目：河北科技师范学院研究生教育教学改革研究项目（编号：YJSJG202307）。

申偲伯（1988-），男，博士，副教授，研究方向：生物医用材料/新能源材料

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