1. 引言
“材料结构表征与应用”是材料与化工专业材料工程领域的核心课程，是一门应用性很强、重要的研究生学位课。课程内容主要包括红外光谱、核磁共振波谱、X射线衍射技术及其应用、透射电子显微分析技术及其应用、扫描电子显微分析技术及其应用、电子探针分析技术及其应用等多种现代结构表征技术 [1] 。通过本课程的学习使研究生全面理解材料的结构与性能之间的关系，掌握材料结构表征的基本方法，从材料的成分分析、结构测定和形貌观察等方面出发，探寻结构与性能之间的内在关系，从而实现材料设计和研究。
随着高等教育改革的深入与发展，国家提出应用型人才培养战略，强调培养具有实践能力和创新精神的高层次人才 [2] [3] ，研究生的培养模式正逐渐转向工程应用型人才方向 [4] 。本文结合“材料结构表征与应用”课程的特点和传统实践教学方法的局限，分析教学现状，对课程理论教学和实践教学的改革进行了深入探讨。
2. “材料结构表征与应用”课程教学现状分析
“材料结构表征与应用”课程涵盖了物理学、量子力学和材料科学等多学科知识，各表征手段原理抽象、方法不同、数据分析繁琐、章节间关联度低 [5] 。课程理论性和实践性很强，知识繁杂，学生通常难以系统掌握，应用理论知识解决实际工程问题的能力尚有不足。具体体现在以下几个方面：
学生缺乏学习积极性和主动性。本课程中涉及的各种表征方法，原理抽象、理论性强，学生理解感到吃力。传统教学模式中，理论知识学习通常采用灌输式教学，教师主导，学生参与少，学生缺少学习激情，上课积极性不高，课堂气氛沉闷，教学效果不佳。
理论知识与实践环节脱节。传统教学过程主要把时间放在课程理论知识的讲解，而对实际工程问题的涉及较少，实验项目也局限于几个固定项目的测试，导致学生实践能力不足，遇到稍微复杂问题时，不知道该如何选择表征方法，如何分析问题本质，学生的综合能力培养得不到有效落实。
对材料表征仪器的认识不足。本课程所涉及的表征仪器多属于大型精密设备，例如核磁共振仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等，价值百万甚至千万，维护成本高昂，属重要科研仪器，承担日常大量科研测试任务，无法满足大量学生的上机操作。该客观因素导致课程实践环节中，学生只能参观其演示过程，仅了解表象，而不能充分掌握大型设备的使用和相关技术。
3. 实施的主要教学改革措施
3.1. 完善线下课堂教学
对于抽象、理论性强的知识点，采用启发式、探究式、参与式、课堂演示等教学方法。如傅里叶变换红外光谱仪原理、核磁共振的基本原理、应用X射线测定残余应力、衍衬的运动学和动力学理论等，弱化数学公式推导，重点讲授物理模型，深入知识本质。利用多媒体、动画演示等手段，把抽象问题具体化，将复杂问题简单化。
应用性强的知识主要采用案例教学，以工程实例为基础，引导学生运用掌握的理论分析实践。如在医学领域，中国核磁共振波谱法在研究大脑中化学物质代谢过程的应用案例；石油工业中，X射线衍射在矿物和全岩分析、粘土的种类和定量分析、粉煤灰富集、结垢和腐蚀产物分析的应用案例；工程领域中，扫描电子显微镜在各种材料的形貌、结构、界面状况、损伤机制以及材料性能预测等方面的应用案例等。通过案例的引入，可以让学生对材料结构表征在脑海中形成图谱、理清知识的内在联系，培养研究生的科研思维。
利用游戏思维辅助教学。合理的游戏行为可以培养人们的专注力和行动效率，这是有效学习的基础 [6] [7] 。课程将游戏思维与课堂学习充分融合，设计出多种结合模式，如“知识点拼图”、“术语抢答大赛”、“我是抢答王之材料分析方法选择”、“小组挑战之样品结构分析”等活动。使研究生学习方式从单一和被动转向多元和主动，激发学习动力，点燃学习热情。
3.2. 丰富线上课程任务
引导学生利用网络资源，丰富知识获取途径，拓宽知识面。通过网络学习与课堂教学的结合，充分发挥学生的主观能动性，提高学生自主学习的能力。利用雨课堂建立课外预习与课堂教学间的桥梁，将带有MOOC视频、习题、语音的课件推送到学生手机，使学生做到课前预习、课后复习；通过课堂实时答题、弹幕互动，增加与学生的互动、讨论，提高学生的学习兴趣。
作业形式网络化。课程充分利用网络优势，建设包括图片、视频、动画等形式多样的网上作业库，同时布置优质视频纪录片观看作业，丰富作业的形式，使学生获取专业知识的同时，提升创新能力和家国素养。布置开放性作业，鼓励学生浏览材料表征相关的正能量纪录片并加以评述，推动专业内容与思政的融合。
实现学习资源的趣味化。线上向学生推送大量贴近日常生活、感性、有趣的线上学习资源。比如“显微镜下的世界：颠覆你的想象”、“扫描电子显微镜下的昆虫”、“科学世界里的小美好”等。同时，向学生推送科普视频，如“世界上的神奇材料”、“天才发明——核磁共振”、“为什么说X射线是开启现代生物学的钥匙？”等，建立课程与科学前沿的联系。
3.3. 营造开放教学环境
导学研讨，翻转课堂。开展以兴趣导向、问题导向的研讨式教学，兼以翻转课堂的教学模式，构建开放教育环境，助力学生探索能力、创新思维的培养。以研究生科研方向为背景，结合课程知识自主选题，学生主导课堂，与大家分享材料结构表征在各种材料中的应用，课堂由教师讲的独角戏变为学生讲或学生之间交流辩论等互动形式。讨论过程，能增进学生之间的感情，拓宽知识面，培养团队精神和沟通能力，增强学生学习自主性，提高学习效果。
开展课程相关科创讲座。邀请各材料表征设备负责老师进行公开讲座，从专业角度介绍设备的基本构造、样品制备、测试、数据分析与处理、实验注意事项等内容，让学生对材料表征手段有更为具体化的了解，学生根据自身的科研方向提出问题，现场讨论，教师现场答疑。同时，邀请国内外高水平学者作学术报告，从科学研究角度，讲解材料表征技术在材料分析中的具体应用，为学生营造积极的学术氛围，激发学生的学术兴趣。
3.4. 开展多元化实践教学
理论与科研实践的相互结合。理论联系实际的能力是研究生科研能力的重要组成部分，课程基于PBL教学模式 [8] ，引导学生运用掌握的理论分析科研实践，从实践中发现新课题，在实践中发展新观点。比如，要求每名学生在中国知网、Web of Science数据库中查阅1篇近五年发表的高水平英文论文，通过精读的方式了解文献中课题的研究背景、研究意义、科学问题、为解决问题选择的表征手段、表征结果的分析和讨论、研究结论和创新点，并要求其从科学角度提出新观点、新见解，最后整理为文献分析报告。学生自主阅读、分析文献，不仅拓展和延伸了课程知识，还将所学的理论知识与科研实践相结合，提高了学生的综合科研素养。另外，教师有意识引导学生重点查阅国内学者的研究成果，让其切实感受到中国科研人员在材料领域的卓越贡献，增强学生民族文化自信，积极投身科学研究事业。
从虚拟仿真到实践演练。虚拟仿真实验能模拟待测样品从制备、测试到数据处理的全过程，具有可视化3D效果，有开放共享、便于交互等诸多优点，能弥补传统实体实验资源不足问题 [9] 。本课程依托国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，让学生在虚拟环境中自主进行实验探索，直观的认识材料表征设备的构造和工作原理，促进其对专业知识的深入理解。同时，每学期至少选取3种表征技术，学生分组现场实操，分析自己的实验样品，实现从虚拟到现实的转化，基于虚拟仿真实验的基础，实践演练过程事半功倍，效果显著，学生科研信心提升。
高校与企业的跨界融合。企业是技术创新的主体 [10] ，研究生的知识、能力与素质应与企业高新技术相对接，这要求其不仅要拥有扎实理论知识功底，还要具备解决实际问题的思维、能力和创新精神。本课程本着“将教育融于生产、将生产融于教育”的理念，深入推进学生工程实践能力培养，与企业深度合作，每学期邀请资深企业工程师为学生授课，将生产一线的先进技术引入课堂，建立生产实践与课程知识的紧密联系。此外，充分建立与企业的项目合作，培养学生解决问题的实践能力，最大限度发挥学生的主观能动性。“博士教师+企业高工”的师资组合，充分调动学生的学习兴趣，实现理论知识与工程实践的深度融合。
4. 取得的教学成效
本课程通过完善线下课堂教学、丰富线上课程任务、营造开放教学环境、开展多元化实践教学的一系列改革措施，革新了传统教学样态，激发了学生的学习动力，使研究生学习方式从单一和被动转向多元和主动，增进了学生理论知识与工程实践的贯通融合，提高了学生分析和解决复杂工程问题的实践能力。近三年来，本课程研究生成绩合格率均达100%，且平均分呈现逐年提高趋势。研究生科研能力和素养得到培养，参加本课程相关各类创新竞赛和获奖比例逐年增加，科研水平、实验动手能力提高，发表高水平学术论文比例上升。本课程的教学改革，广受学生好评，得到同行专家的一致认可，课程被评为河北省研究生示范课程，获批省级研究生精品课程建设项目。
5. 结语
研究生教育不仅仅是科学教育，也非单纯的技术教育，而是面向工程一线的卓越工程师教育，以研究生发展为中心，实现从“老师教得好”向“学生学得好”的转变是课程改革的关键。本课程经过一系列改革与实践，收获较好成效，在后续的教学工作中，仍将持续改进、不断探索和完善，以期在对研究生的实践能力和创新能力的培养方面取得更好的效果，培养出高素质应用型人才。本课程的改革措施在本校同类课程中得到推广应用，对校内外其他课程也有借鉴意义。
基金项目
本文由2023年河北省研究生精品课程建设项目“材料结构表征与应用”(KCJPX2023035)资助。