制造专业“组织分析测试”课程教学改革探索
刘春辉马培培
［摘要］由于当前制造学科课程中关于组织分析部分的教学存在着与国家战略需求联系不紧密以及学生融会贯通能力弱的问题，因此提出将国家重大需求以案例形式融入组织分析测试专业教学，建立了与组织分析相关的典型国家重大需求案例库，探索了“国家重大需求导入—讨论—理论教学—实践应用”的教学模式。教学改革提升了学生知识贯通和解决问题的创新能力，对培养具有解决问题能力和使命感强烈的工程制造专业本科生有着重要意义。
［关键词］组织分析；教学改革；国家需求
［基金项目］2022年度中南大学校级本科教改项目“面向国家重大需求的组织分析测试课程教学改革与实践”（2022jy020-2）；2020年度中南大学机电工程学院课程思政建设项目“政课互融—以卡脖子问题推动专业知识教与学”
［中圖分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）36-0063-04［收稿日期］2022-08-01
一、课程教学改革的背景和意义
在“中国制造2025”、工程教育专业认证和“双一流”建设等背景下，工程科学与技术教学体系的优化与完善是当前教学改革的重点和难点。2021年4月，习近平总书记在清华大学考察时强调，一流大学是基础研究的主力军和重大科技突破的策源地。要围绕国家重大需求打造国家战略科技力量，面向国家重大需求的内涵式教学改革有益于培养解决问题能力强和使命感强烈的工科专业本科生。
“组织分析测试”课程涉及材料晶体学、物理学、机电仪器等多学科知识，其主要教学内容是光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射技术等常见分析测试方法，以及扫描探针、离子显微镜等仪器设备的原理和应用［1-2］。该课程是材料等专业本科生和研究生的专业基础课程，也是新工科背景下制造学科的选修课程。中南大学材料和机械制造学科均属于国家重点学科，在学科评估中处于A类，拥有国家重点实验室，具有围绕国家重大需求进行科研的长期传统［3］。“组织分析测试”课程的学习是提高材料、制造学科学生专业理论知识和实践能力的重要基础，具备必要的组织分析测试能力对学生学科素养和研发能力有着重要的推动作用。微观组织分析原理、技术和应用涉及多学科的知识，对教师的理论知识、动手能力和工程经验有着较高的要求［4］。该课程具有理论和实践紧密结合的特点，将材料微观分析测试方法类课程与国家重大需求工程实际相结合，将培养学生提出、分析和解决问题的能力贯穿整个教学阶段，有利于学生工程科学素养和微观组织分析实践能力的综合提升。
目前国际竞争形势严峻，我国面临的多种“卡脖子”技术问题很多是材料和制造学科问题［5］，这为组织分析测试类课程提供了生动的素材。面向国家重大需求，结合“卡脖子”问题和国际前沿，在此前提下推动教学改革有望解决目前组织分析测试类课程的教学弊端。笔者探索了一种面向国家重大需求的内涵式教学模式，在组织分析测试类课程教学内容、课堂教学方式和课后作业等关键要素上进行改革。根据“组织分析测试”课程的基本原理，提炼材料和制造学科面临的国家重大需求问题，建立二者紧密结合的课程内容，在帮助学生理解材料、制造学科的理论课程的同时结合各种分析测试方法，使教学理论和实践与国家需求紧密结合，在提高学生知识综合运用和工程实践等方面的分析和解决问题能力的同时培养学生的爱国主义情怀。
二、制造学科“组织分析测试”课程教学现状和教学改革需求
中南大学制造学科开设有“构件组织性能与残余应力测试基础”“微纳器件测试与可靠性”等课程，教授对象包括材料—制造实验班、机械制造专业两个班和微电子科学与工程两个班学生。授课一直采用理论授课为主结合实验教学的方法，以巩固学生对课程知识的掌握和应用，但该类课程教学存在一定弊端。例如，过多依赖教材和比对答案式学习，限制了学生的思考、创新能力；与学科内其他课程及工程实际联系薄弱，在培养学生融会贯通的能力上受限；课程教学案例老旧，与国家战略需求联系不紧密，无法起到课程引领效果；课堂氛围沉闷，教学互动性和学生学习积极性低。长期以来，“组织分析测试”课程存在着与国家战略需求联系不紧密以及学生解决实际问题能力弱的问题。
面向国家重大需求准备案例实际上是案例式和情景式教学的一种特殊形式，课程教学通常先导入案例再进行理论学习，通过综合评价效果和互换角色实现教学相长。从材料制备到构件/器件完成的过程中物质微观组织发生持续的变化，需要在不同尺度（微米、纳米和原子级）观测和分析在制备、加工及服役条件下特征组织的演变，紧密结合制造链条和国家重大需求才能准备好“组织分析测试”课程案例。2007年10月3日，美国国家科学基金会发布了名为《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育体系的重大需求》的报告，这是典型的以提升国家竞争力为