余金山，劉東青，李良軍，王洪磊，周新貴

(國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

一、引言

2017年7月19日，習(xí)主席在新調(diào)整組建的國(guó)防科技大學(xué)成立大會(huì)上給學(xué)校的訓(xùn)詞明確了學(xué)校的發(fā)展目標(biāo)是“努力建成世界一流高等教育院?！?。按照這個(gè)既定的目標(biāo)，國(guó)防科技大學(xué)確定了“高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)高地，國(guó)防科技自主創(chuàng)新高地”的發(fā)展定位，同時(shí)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(qiáng)核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”三項(xiàng)使命任務(wù)[1]。具體到材料學(xué)科，聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才包括新概念武器和實(shí)驗(yàn)評(píng)估兩個(gè)方向。面對(duì)學(xué)校新的使命任務(wù)，如何以能力塑造為核心培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)期新形勢(shì)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(chǔ)。在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，材料是武器裝備及其性能的必要載體，支撐和引領(lǐng)國(guó)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(xué)對(duì)武器裝備發(fā)展的重要支撐和促進(jìn)作用[2-3]。隨著我軍武器裝備由“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展，軍用新材料技術(shù)的瓶頸效應(yīng)也越來(lái)越突出。例如，高超聲速飛行器、先進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)、新一代戰(zhàn)機(jī)、無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)等國(guó)家和軍隊(duì)高科技武器裝備和重大型號(hào)工程對(duì)核心材料與部件提出了更輕、更強(qiáng)、更耐溫、多功能化等更高要求。同時(shí)，材料科學(xué)在武器裝備性能評(píng)估、失效分析及裝備維修維護(hù)等方面同樣發(fā)揮十分重要的作用。

材料科學(xué)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(cè)試和材料微觀結(jié)構(gòu)的分析測(cè)試。材料科學(xué)研究的核心任務(wù)，就是研究材料的工藝、性能、結(jié)構(gòu)之間相互關(guān)系。材料微觀結(jié)構(gòu)的分析測(cè)試是研究材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌及相應(yīng)的分析表征方法?！安牧戏治鰷y(cè)試”在材料科學(xué)研究中的重要性體現(xiàn)在材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性能影響巨大，相同化學(xué)組成的材料由于制備或處理工藝不同，其性能會(huì)天差地別，原因就是不同制備和處理工藝下材料的微觀結(jié)構(gòu)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(duì)武器裝備性能評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)具有基礎(chǔ)支撐作用。材料失效分析的技術(shù)基礎(chǔ)是材料微觀結(jié)構(gòu)的表征與分析。可見，“材料分析測(cè)試”課程的開設(shè)對(duì)大力推進(jìn)厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐，懂材料、會(huì)指揮的新型貼近實(shí)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(cè)試”課程開設(shè)現(xiàn)狀

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

長(zhǎng)期以來(lái)，“材料分析測(cè)試”課程的學(xué)習(xí)以課堂理論學(xué)習(xí)為主，配合少量實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。對(duì)于每一種“材料分析測(cè)試”方法，課堂理論學(xué)習(xí)按照分析測(cè)試原理、設(shè)備構(gòu)造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問(wèn)題與討論的流程進(jìn)行講授和學(xué)習(xí)。由于材料專業(yè)本科生開課一般在第5或第6學(xué)期，這一階段材料學(xué)科專業(yè)課剛開始學(xué)習(xí)，學(xué)員按照以上的學(xué)習(xí)流程雖然基本能理解與掌握本課程基本知識(shí)，學(xué)會(huì)各種分析測(cè)試方法基本原理，但對(duì)于整個(gè)材料學(xué)科知識(shí)群的理解不夠透徹，“材料分析測(cè)試”方法作為一門材料學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)材料科學(xué)基本原理的促進(jìn)作用沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，無(wú)法做到融會(huì)貫通。同時(shí)由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)踐教學(xué)課時(shí)占總教學(xué)課時(shí)比重較小，對(duì)提高學(xué)員動(dòng)手能力作用有限。

因此，在新的歷史時(shí)期面對(duì)新的歷史使命，特別是國(guó)防科技大學(xué)材料學(xué)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(shí)驗(yàn)評(píng)估兩個(gè)方向，“材料分析測(cè)試”的教學(xué)方法有必要進(jìn)行改革。今年以來(lái)，本科生“材料分析測(cè)試”課程的改革以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)、問(wèn)題導(dǎo)向式實(shí)踐教學(xué)改革等內(nèi)容，進(jìn)行了全面的教學(xué)改革探索性實(shí)施。

三、以面向應(yīng)用的案例式改革為主要方向的課程教學(xué)改革

案例式教學(xué)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種先進(jìn)教學(xué)方法。案例式教學(xué)通過(guò)篩選適當(dāng)?shù)墓こ添?xiàng)目或?qū)嶒?yàn)實(shí)例，然后進(jìn)行加工和制作，提取其中的科學(xué)問(wèn)題，使之從具體問(wèn)題抽象成為課程教學(xué)的案例，從案例模型出發(fā)推導(dǎo)出解決問(wèn)題的辦法。案例式教學(xué)通過(guò)將實(shí)踐教學(xué)融入課堂教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新思維，提高學(xué)員解決實(shí)際工程問(wèn)題能力，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的完美結(jié)合[7-10]。作為一種新型教學(xué)模式和理念，案例式教學(xué)施教過(guò)程中強(qiáng)調(diào)應(yīng)用、注重體驗(yàn)，對(duì)于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力有非常積極的作用。可見，案例式教學(xué)是一種以培養(yǎng)學(xué)員解決實(shí)際問(wèn)題能力為核心的新型教學(xué)方法，近年來(lái)越來(lái)越受到學(xué)生和教師的歡迎。

1.面向應(yīng)用的“材料分析測(cè)試”教學(xué)案例收集與制作

“材料分析測(cè)試”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，非常適合開展案例式教學(xué)的改革。國(guó)防科技大學(xué)自建校開始就建有金相教研室，多年來(lái)一直開展材料學(xué)科教學(xué)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(cè)試”方面的案例可供教學(xué)使用和參考。

通過(guò)廣泛與國(guó)防科技大學(xué)材料學(xué)科各位教員和研究生進(jìn)行溝通交流，收集各個(gè)課題組與“材料分析測(cè)試”緊密相關(guān)的科學(xué)成果和最新研究進(jìn)展，對(duì)收集的科研成果和研究進(jìn)展按照應(yīng)用的不同“材料分析測(cè)試”方法進(jìn)行分門別類，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提煉和加工，制作教學(xué)案例。案例制作過(guò)程中注意區(qū)分不同“材料分析測(cè)試”方法的特點(diǎn)、適用范圍和誤差分析等。

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例介紹面向應(yīng)用的教學(xué)案例收集與制作過(guò)程。該實(shí)例是采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，簡(jiǎn)稱SEM)低電壓觀察法觀察非導(dǎo)電樣品表面微觀形貌。SEM是非常重要的“材料分析測(cè)試”方法。在材料微觀組織結(jié)構(gòu)形貌觀察、材料表面微區(qū)化學(xué)成分檢測(cè)與分析、工程材料的失效分析等方面應(yīng)用廣泛。SEM對(duì)樣品的基本要求是導(dǎo)電，如果樣品不導(dǎo)電，則電子束在樣品表面掃描過(guò)程中由于電子在樣品中累積從而改變樣品表面電場(chǎng)分布，嚴(yán)重影響SEM的分辨率和襯度，樣品荷電嚴(yán)重時(shí)SEM無(wú)法正常工作。為了應(yīng)用SEM觀察不導(dǎo)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(dǎo)電性，但這種處理會(huì)改變樣品表面化學(xué)成分，嚴(yán)重干擾表面微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果。近年來(lái)隨著SEM技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)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(dǎo)電樣品。SEM低電壓觀察是教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)于初學(xué)者比較難理解，因?yàn)橐酝慕虒W(xué)中已經(jīng)形成了電子束加速電壓越高，則電子束越容易會(huì)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(dǎo)電樣品形貌細(xì)節(jié)會(huì)更清楚，這種現(xiàn)象與以往學(xué)習(xí)的原理相悖。

本案例的選取源自一位研究生學(xué)員的薄膜樣品。該樣品由于厚度太薄沒(méi)有連續(xù)成膜所以導(dǎo)致導(dǎo)電性很差，直接SEM觀察無(wú)法看到表面微觀形貌細(xì)節(jié)，而鍍金處理會(huì)嚴(yán)重影響表面微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研以及與電鏡銷售公司技術(shù)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(xì)節(jié)。將該樣品所有實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和表面觀察結(jié)果進(jìn)行整理，制作成一個(gè)完美的SEM低電壓觀察案例，供課堂講授使用。同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中預(yù)先準(zhǔn)備鍍金和未鍍金的兩種不導(dǎo)電樣品，讓學(xué)員同時(shí)做表面形貌觀察和成分分析，找出存在的問(wèn)題，討論解決的方法。然后演示低電壓觀察的結(jié)果，講解低電壓觀察的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)員能完全理解SEM低電壓觀察的原理和必要性。同時(shí)，由于該案例來(lái)源于真實(shí)的材料研究過(guò)程中的實(shí)例，讓尚未參與材料研究過(guò)程的學(xué)員直接面向低電壓觀察的應(yīng)用實(shí)例，有助于學(xué)員加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合，促進(jìn)學(xué)員對(duì)材料科學(xué)基本原理的理解。

2.面向應(yīng)用的案例式教學(xué)探索性教學(xué)實(shí)施

課堂案例式教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，打破原來(lái)按照分析測(cè)試方法原理、設(shè)備構(gòu)造、樣品制備、數(shù)據(jù)處理、問(wèn)題與討論進(jìn)行講授和學(xué)習(xí)的固定流程，而以案例中材料研制過(guò)程中對(duì)分析測(cè)試的需求和應(yīng)用為牽引提出問(wèn)題，圍繞這些問(wèn)題設(shè)置討論內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)員思考和提出問(wèn)題，探討解決問(wèn)題的途徑和方法。通過(guò)這些案例和討論內(nèi)容激發(fā)學(xué)員興趣，鼓勵(lì)學(xué)員提出解決問(wèn)題的方案。在這個(gè)過(guò)程引出新的“材料分析測(cè)試”方法，講解該方法原理，學(xué)習(xí)樣品制備和數(shù)據(jù)處理方法，最后通過(guò)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)員親自動(dòng)手參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)，完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

下面以X射線衍射進(jìn)行材料物相分析的教學(xué)為例說(shuō)明面向應(yīng)用的“材料分析測(cè)試”案例式教學(xué)實(shí)施過(guò)程。X射線衍射方法是標(biāo)定物質(zhì)構(gòu)成和分析晶體結(jié)構(gòu)的重要方法，是“材料分析測(cè)試”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以往的學(xué)習(xí)通常按照晶體倒易點(diǎn)陣的概念、晶體X射線衍射的基本原理、X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù)，X射線衍射物相定性和定量分析方法、晶體點(diǎn)陣類型確定的順序來(lái)講授和學(xué)習(xí)。這種講授和學(xué)習(xí)流程的缺點(diǎn)是晶體倒易點(diǎn)陣的數(shù)學(xué)概念、晶體衍射的物理原理等比較復(fù)雜和抽象，對(duì)初學(xué)者很難理解。將這些內(nèi)容放在最前面講，需要學(xué)員花費(fèi)大量時(shí)間去學(xué)習(xí)和鉆研，后果是造成學(xué)員對(duì)X射線衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)興趣降低，影響了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

在面向應(yīng)用的“材料分析測(cè)試”課程案例式教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，首先通過(guò)設(shè)計(jì)提問(wèn)式調(diào)查：材料晶體結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系？詢問(wèn)學(xué)員在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中所學(xué)過(guò)的鐵碳相圖中的物相及其晶體結(jié)構(gòu)。然后提出思考題：這些物相的晶體結(jié)構(gòu)是怎么確定的呢？以此作為課后自學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)員通過(guò)自學(xué)，然后用一段簡(jiǎn)單描述性的語(yǔ)言說(shuō)明X射線衍射標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的基本方法，但不要求說(shuō)明原理和技術(shù)的各種細(xì)節(jié)。通過(guò)這種以標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)為牽引的自學(xué)，可以讓學(xué)員直接面向 X射線衍射的應(yīng)用領(lǐng)域，熟悉X射線衍射分析這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的大致輪廓，激發(fā)學(xué)員產(chǎn)生對(duì)X射線晶體學(xué)、晶體倒易點(diǎn)陣的數(shù)學(xué)概念的好奇心，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的興趣。最后通過(guò)詳細(xì)的課堂學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作，使學(xué)員完全掌握X射線衍射方法標(biāo)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的原理和方法。

3.面向應(yīng)用的案例式教學(xué)效果

2019年是國(guó)防科技大學(xué)本科教育質(zhì)量年，本科生培養(yǎng)方案修訂及教學(xué)改革是本科教育質(zhì)量年重要內(nèi)容。按照新形勢(shì)下國(guó)防科技大學(xué)新的使命任務(wù)，以能力塑造為核心的人才培養(yǎng)導(dǎo)向正在形成。本科生“材料分析測(cè)試”課程的教學(xué)改革以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)、問(wèn)題導(dǎo)向式實(shí)踐教學(xué)改革等內(nèi)容，進(jìn)行了全面的教學(xué)改革探索性實(shí)施。從教學(xué)改革實(shí)施效果來(lái)看，面向應(yīng)用的案例式教學(xué)極大調(diào)動(dòng)了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。由于學(xué)習(xí)每種“材料分析測(cè)試”方法都以實(shí)際材料研究過(guò)程中的案例引入，讓學(xué)員直接面對(duì)以后研究工作中的實(shí)際問(wèn)題，增加了學(xué)員學(xué)習(xí)理論知識(shí)的緊迫感。通過(guò)自學(xué)和文獻(xiàn)閱讀，讓學(xué)員大致了解該實(shí)際問(wèn)題產(chǎn)生的背景及可能的解決方法。課堂學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)員注意力集中度、學(xué)習(xí)參與度與活躍度相對(duì)前幾年有明顯提高。

教學(xué)效果的提升也定量的表現(xiàn)在課程考核成績(jī)上。比較2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)員課程考核成績(jī)，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(jī)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(shù)類學(xué)員課程考核成績(jī)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(xué)有效激發(fā)了工程技術(shù)類學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)的積極性；同時(shí)增進(jìn)了學(xué)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(jié)語(yǔ)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)以來(lái)到現(xiàn)在，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科研成果中，有一半以上與科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新有關(guān)，或者直接應(yīng)用了最新的科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)?！安牧戏治鰷y(cè)試”技術(shù)的發(fā)展對(duì)整個(gè)材料科學(xué)的推動(dòng)作用是毋庸置疑的。在軍事和國(guó)防領(lǐng)域，“材料分析測(cè)試”技術(shù)對(duì)武器裝備核心材料研發(fā)、裝備失效分析等方面具有無(wú)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(biāo)，作為軍校材料工程專業(yè)本科學(xué)員，掌握通用的“材料分析測(cè)試”技術(shù)是成為新時(shí)期合格高科技軍事人才所必需的。通過(guò)以案例式教學(xué)為主要改革方向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化調(diào)整、跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)、問(wèn)題導(dǎo)向式實(shí)踐教學(xué)改革等，有望進(jìn)一步提高“材料分析測(cè)試”課程教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)員對(duì)材料學(xué)科基本原理的理解，增強(qiáng)學(xué)員動(dòng)手能力，為學(xué)員創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高發(fā)揮重要作用。