余金山，劉東青，李良軍，王洪磊，周新貴

(國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073)

一、引言

2017年7月19日，習主席在新調(diào)整組建的國防科技大學成立大會上給學校的訓詞明確了學校的發(fā)展目標是“努力建成世界一流高等教育院?！?。按照這個既定的目標，國防科技大學確定了“高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)高地，國防科技自主創(chuàng)新高地”的發(fā)展定位，同時明確了“抓好通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)，加強核心關鍵技術攻關”三項使命任務[1]。具體到材料學科，聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才包括新概念武器和實驗評估兩個方向。面對學校新的使命任務，如何以能力塑造為核心培養(yǎng)適應新時期新形勢的高科技軍事人才，值得每門課程的任課教員深入思考和探討。

材料是人類所有生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎。在國防和軍事領域，材料是武器裝備及其性能的必要載體，支撐和引領國防科技與武器裝備的發(fā)展?！耙淮牧希淮b備”的提法，顯示了材料科學對武器裝備發(fā)展的重要支撐和促進作用[2-3]。隨著我軍武器裝備由“跟跑”“并跑”到“領跑”的跨越式發(fā)展，軍用新材料技術的瓶頸效應也越來越突出。例如，高超聲速飛行器、先進航空渦輪發(fā)動機和燃氣輪機、新一代戰(zhàn)機、無人作戰(zhàn)系統(tǒng)等國家和軍隊高科技武器裝備和重大型號工程對核心材料與部件提出了更輕、更強、更耐溫、多功能化等更高要求。同時，材料科學在武器裝備性能評估、失效分析及裝備維修維護等方面同樣發(fā)揮十分重要的作用。

材料科學研究的基本內(nèi)容為材料的制備與處理工藝、材料的性能測試和材料微觀結構的分析測試。材料科學研究的核心任務，就是研究材料的工藝、性能、結構之間相互關系。材料微觀結構的分析測試是研究材料的化學組成、晶體結構、微觀組織形貌及相應的分析表征方法?！安牧戏治鰷y試”在材料科學研究中的重要性體現(xiàn)在材料微觀結構對性能影響巨大，相同化學組成的材料由于制備或處理工藝不同，其性能會天差地別，原因就是不同制備和處理工藝下材料的微觀結構不同[4]。另一方面，材料的失效是武器裝備戰(zhàn)斗力下降甚至喪失的重要原因，材料失效分析對武器裝備性能評估及壽命預測具有基礎支撐作用。材料失效分析的技術基礎是材料微觀結構的表征與分析。可見，“材料分析測試”課程的開設對大力推進厚基礎、重實踐，懂材料、會指揮的新型貼近實戰(zhàn)、貼近裝備的材料專業(yè)高科技軍事人才培養(yǎng)具有重要作用。

二、“材料分析測試”課程開設現(xiàn)狀

“材料分析測試”課程系統(tǒng)講授材料科學與工程領域常用的材料微觀結構、微觀組織形貌以及微區(qū)化學成分等方面的分析測試原理與技術，是材料科學與工程本科專業(yè)的一門必修學科基礎課程。通過本課程內(nèi)容的學習，使學員熟悉與掌握材料科學各種分析測試方法的基本原理和技術，了解分析儀器構造以及在材料研究中所能解決的實際問題，初步具有材料微觀結構、微觀組織形貌、微區(qū)化學成分分析的能力，為今后在先進軍用材料的研發(fā)和武器裝備失效分析過程中正確合理選擇與綜合選用恰當?shù)姆治鰷y試方法奠定理論與實踐基礎[5-6]。

長期以來，“材料分析測試”課程的學習以課堂理論學習為主，配合少量實踐教學環(huán)節(jié)。對于每一種“材料分析測試”方法，課堂理論學習按照分析測試原理、設備構造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問題與討論的流程進行講授和學習。由于材料專業(yè)本科生開課一般在第5或第6學期，這一階段材料學科專業(yè)課剛開始學習，學員按照以上的學習流程雖然基本能理解與掌握本課程基本知識，學會各種分析測試方法基本原理，但對于整個材料學科知識群的理解不夠透徹，“材料分析測試”方法作為一門材料學科專業(yè)基礎課對學員學習材料科學基本原理的促進作用沒有完全發(fā)揮出來，無法做到融會貫通。同時由于受實驗條件的限制，實踐教學課時占總教學課時比重較小，對提高學員動手能力作用有限。

因此，在新的歷史時期面對新的歷史使命，特別是國防科技大學材料學科本科生聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)調(diào)整為新概念武器和實驗評估兩個方向，“材料分析測試”的教學方法有必要進行改革。今年以來，本科生“材料分析測試”課程的改革以案例式教學為主要改革方向，結合教學內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學科教學團隊的建設、問題導向式實踐教學改革等內(nèi)容，進行了全面的教學改革探索性實施。

三、以面向應用的案例式改革為主要方向的課程教學改革

案例式教學是近年來快速發(fā)展的一種先進教學方法。案例式教學通過篩選適當?shù)墓こ添椖炕驅(qū)嶒瀸嵗?，然后進行加工和制作，提取其中的科學問題，使之從具體問題抽象成為課程教學的案例，從案例模型出發(fā)推導出解決問題的辦法。案例式教學通過將實踐教學融入課堂教學，有助于培養(yǎng)學員創(chuàng)新思維，提高學員解決實際工程問題能力，實現(xiàn)理論教學與實踐教學的完美結合[7-10]。作為一種新型教學模式和理念，案例式教學施教過程中強調(diào)應用、注重體驗，對于激發(fā)學員學習興趣、培養(yǎng)學習能力有非常積極的作用?？梢?，案例式教學是一種以培養(yǎng)學員解決實際問題能力為核心的新型教學方法，近年來越來越受到學生和教師的歡迎。

1.面向應用的“材料分析測試”教學案例收集與制作

“材料分析測試”課程是一門實踐性很強的課程，非常適合開展案例式教學的改革。國防科技大學自建校開始就建有金相教研室，多年來一直開展材料學科教學和科研工作，成果斐然，在以往的研究工作中積累了豐富的“材料分析測試”方面的案例可供教學使用和參考。

通過廣泛與國防科技大學材料學科各位教員和研究生進行溝通交流，收集各個課題組與“材料分析測試”緊密相關的科學成果和最新研究進展，對收集的科研成果和研究進展按照應用的不同“材料分析測試”方法進行分門別類，在此基礎上進行提煉和加工，制作教學案例。案例制作過程中注意區(qū)分不同“材料分析測試”方法的特點、適用范圍和誤差分析等。

下面通過一個實例介紹面向應用的教學案例收集與制作過程。該實例是采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，簡稱SEM)低電壓觀察法觀察非導電樣品表面微觀形貌。SEM是非常重要的“材料分析測試”方法。在材料微觀組織結構形貌觀察、材料表面微區(qū)化學成分檢測與分析、工程材料的失效分析等方面應用廣泛。SEM對樣品的基本要求是導電，如果樣品不導電，則電子束在樣品表面掃描過程中由于電子在樣品中累積從而改變樣品表面電場分布，嚴重影響SEM的分辨率和襯度，樣品荷電嚴重時SEM無法正常工作。為了應用SEM觀察不導電的樣品，傳統(tǒng)的方法是在樣品表面做噴金處理，使樣品具有導電性，但這種處理會改變樣品表面化學成分，嚴重干擾表面微區(qū)化學成分分析結果。近年來隨著SEM技術的發(fā)展，通過降低電子束加速電壓，減輕樣品表面荷電程度，可以在不鍍金情況下直接觀察不導電樣品。SEM低電壓觀察是教學過程中的一個難點，對于初學者比較難理解，因為以往的教學中已經(jīng)形成了電子束加速電壓越高，則電子束越容易會聚成小尺寸，從而分辨率越高的印象。而將電子束加速電壓降低，觀察不導電樣品形貌細節(jié)會更清楚，這種現(xiàn)象與以往學習的原理相悖。

本案例的選取源自一位研究生學員的薄膜樣品。該樣品由于厚度太薄沒有連續(xù)成膜所以導致導電性很差，直接SEM觀察無法看到表面微觀形貌細節(jié)，而鍍金處理會嚴重影響表面微區(qū)化學成分分析結果。通過文獻調(diào)研以及與電鏡銷售公司技術人員探討確定了低電壓觀察方案，將電子束加速電壓從15KV降到0.8KV，成功觀察到了樣品表面非常微觀的形貌細節(jié)。將該樣品所有實驗細節(jié)和表面觀察結果進行整理，制作成一個完美的SEM低電壓觀察案例，供課堂講授使用。同時，在實踐教學環(huán)節(jié)，實驗方案設計中預先準備鍍金和未鍍金的兩種不導電樣品，讓學員同時做表面形貌觀察和成分分析，找出存在的問題，討論解決的方法。然后演示低電壓觀察的結果，講解低電壓觀察的原理和優(yōu)缺點。通過這樣的學習過程，學員能完全理解SEM低電壓觀察的原理和必要性。同時，由于該案例來源于真實的材料研究過程中的實例，讓尚未參與材料研究過程的學員直接面向低電壓觀察的應用實例，有助于學員加強理論與實際的結合，促進學員對材料科學基本原理的理解。

2.面向應用的案例式教學探索性教學實施

課堂案例式教學實施過程中，打破原來按照分析測試方法原理、設備構造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問題與討論進行講授和學習的固定流程，而以案例中材料研制過程中對分析測試的需求和應用為牽引提出問題，圍繞這些問題設置討論內(nèi)容，引導學員思考和提出問題，探討解決問題的途徑和方法。通過這些案例和討論內(nèi)容激發(fā)學員興趣，鼓勵學員提出解決問題的方案。在這個過程引出新的“材料分析測試”方法，講解該方法原理，學習樣品制備和數(shù)據(jù)處理方法，最后通過實踐教學環(huán)節(jié)讓學員親自動手參與到實驗過程來，完成整個教學過程。

下面以X射線衍射進行材料物相分析的教學為例說明面向應用的“材料分析測試”案例式教學實施過程。X射線衍射方法是標定物質(zhì)構成和分析晶體結構的重要方法，是“材料分析測試”課程的重點和難點。以往的學習通常按照晶體倒易點陣的概念、晶體X射線衍射的基本原理、X射線粉末衍射實驗技術，X射線衍射物相定性和定量分析方法、晶體點陣類型確定的順序來講授和學習。這種講授和學習流程的缺點是晶體倒易點陣的數(shù)學概念、晶體衍射的物理原理等比較復雜和抽象，對初學者很難理解。將這些內(nèi)容放在最前面講，需要學員花費大量時間去學習和鉆研，后果是造成學員對X射線衍射實驗技術及應用的學習興趣降低，影響了學員學習的積極性。

在面向應用的“材料分析測試”課程案例式教學實施過程中，首先通過設計提問式調(diào)查：材料晶體結構與性能之間的關系？詢問學員在材料科學基礎課程中所學過的鐵碳相圖中的物相及其晶體結構。然后提出思考題：這些物相的晶體結構是怎么確定的呢？以此作為課后自學內(nèi)容，要求學員通過自學，然后用一段簡單描述性的語言說明X射線衍射標定物質(zhì)晶體結構的基本方法，但不要求說明原理和技術的各種細節(jié)。通過這種以標定物質(zhì)晶體結構為牽引的自學，可以讓學員直接面向 X射線衍射的應用領域，熟悉X射線衍射分析這部分學習內(nèi)容的大致輪廓，激發(fā)學員產(chǎn)生對X射線晶體學、晶體倒易點陣的數(shù)學概念的好奇心，增強他們學習的興趣。最后通過詳細的課堂學習和實驗室實際操作，使學員完全掌握X射線衍射方法標定物質(zhì)晶體結構的原理和方法。

3.面向應用的案例式教學效果

2019年是國防科技大學本科教育質(zhì)量年，本科生培養(yǎng)方案修訂及教學改革是本科教育質(zhì)量年重要內(nèi)容。按照新形勢下國防科技大學新的使命任務，以能力塑造為核心的人才培養(yǎng)導向正在形成。本科生“材料分析測試”課程的教學改革以案例式教學為主要改革方向，結合教學內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學科教學團隊的建設、問題導向式實踐教學改革等內(nèi)容，進行了全面的教學改革探索性實施。從教學改革實施效果來看，面向應用的案例式教學極大調(diào)動了學員學習的積極性和主動性。由于學習每種“材料分析測試”方法都以實際材料研究過程中的案例引入，讓學員直接面對以后研究工作中的實際問題，增加了學員學習理論知識的緊迫感。通過自學和文獻閱讀，讓學員大致了解該實際問題產(chǎn)生的背景及可能的解決方法。課堂學習過程中學員注意力集中度、學習參與度與活躍度相對前幾年有明顯提高。

教學效果的提升也定量的表現(xiàn)在課程考核成績上。比較2018級和2019級學員課程考核成績，在由同一人出題、題量相同、難度基本接近的情況下，考核平均成績由2018年度的78.7分提高到2019年度的80.2，提升幅度1.9%。尤其工程技術類學員課程考核成績由2018年度的77分提高到2019年度的84.9，提升幅度10.2%；優(yōu)秀率由2018年的6.7%大幅提升到2019年的42.9%，提升顯著?？梢姲咐浇虒W有效激發(fā)了工程技術類學員學習興趣，提高了學習的積極性；同時增進了學員之間互相討論和交流的積極性，使得整體優(yōu)秀率得到了大幅提升。

四、結語

據(jù)統(tǒng)計，20世紀以來到現(xiàn)在，獲得諾貝爾獎的科研成果中，有一半以上與科學儀器和實驗技術、實驗方法的創(chuàng)新有關，或者直接應用了最新的科學儀器和實驗技術。“材料分析測試”技術的發(fā)展對整個材料科學的推動作用是毋庸置疑的。在軍事和國防領域，“材料分析測試”技術對武器裝備核心材料研發(fā)、裝備失效分析等方面具有無可替代的作用。按照通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才的培養(yǎng)目標，作為軍校材料工程專業(yè)本科學員，掌握通用的“材料分析測試”技術是成為新時期合格高科技軍事人才所必需的。通過以案例式教學為主要改革方向，結合教學內(nèi)容優(yōu)化調(diào)整、跨學科教學團隊的建設、問題導向式實踐教學改革等，有望進一步提高“材料分析測試”課程教學效果，促進學員對材料學科基本原理的理解，增強學員動手能力，為學員創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高發(fā)揮重要作用。