《現(xiàn)代材料分析方法》教學(xué)改革探索

王丁　祝元坤　詹科　王現(xiàn)英

摘要：《現(xiàn)代材料分析方法》是針對上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三年級本科生所開設(shè)的一門重要的專業(yè)必修課。課程包括顯微分析、結(jié)構(gòu)分析、成分分析和性能分析四大模塊，共涉及12種重要的表征儀器。針對此課程覆蓋面廣、知識點(diǎn)分散及實驗設(shè)備受限等問題，分別采用a思維導(dǎo)圖、虛擬教學(xué)平臺、案例教學(xué)等多種教學(xué)輔助方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對儀器的動手操作能力。采用個性化的考核方式，客觀評價學(xué)生對知識的掌握程度。相關(guān)探索有助于激發(fā)學(xué)生對《現(xiàn)代材料分析方法》的學(xué)習(xí)興趣并對其他類似課程的教學(xué)實踐予以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代材料分析方法；虛擬操作平臺；教學(xué)改革；案例教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0119-02

據(jù)《中國新材料行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》分析，世界材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以每年約30%的速度增長，化工新材料、微電子、光電子、新能源成了研究最活躍、發(fā)展最快的新材料領(lǐng)域。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料逐漸趨于納米化、智能化、復(fù)合化，對其結(jié)構(gòu)和性能的研究越來越依賴于先進(jìn)的測試分析技術(shù)。為了培養(yǎng)新時代創(chuàng)新型材料學(xué)科專業(yè)人才，上海理工大學(xué)材料學(xué)院開設(shè)了《現(xiàn)代材料分析方法》專業(yè)必修課[1]，使學(xué)生了解材料結(jié)構(gòu)與性能的表征方法和相關(guān)測試儀器的結(jié)構(gòu)原理，掌握現(xiàn)代儀器分析方法涉及的制樣技術(shù)，以及圖譜解析方法和它們在材料研究領(lǐng)域中的具體應(yīng)用?！冬F(xiàn)代材料分析方法》課程的綜合性和實踐性強(qiáng)，知識領(lǐng)域廣，內(nèi)容抽象，不易理解與掌握。很多學(xué)生對其不感興趣或聽不懂，導(dǎo)致該課程的教學(xué)效果普遍不理想。針對課程特點(diǎn)，通過改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)思路，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。從思維導(dǎo)圖、虛擬操作平臺和案例教學(xué)三方面入手，輔助個性化設(shè)計的考核方式使學(xué)生較好地掌握儀器使用方法，經(jīng)過多年的探索，獲得了較好的教學(xué)效果。

一、思維導(dǎo)圖的應(yīng)用

現(xiàn)代材料分析方法種類繁多、知識面廣、內(nèi)容概念復(fù)雜，異于理論性和連貫性較強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科。因此，需要針對理科學(xué)生思維的特點(diǎn)，從不同表征方法的內(nèi)在聯(lián)系入手，借助思維導(dǎo)圖這一有利工具，把各種分析方法進(jìn)行聯(lián)系，從根本上理解不同分析表征方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢并做到有效區(qū)分和選擇。例如，從電子與材料的相互作用出發(fā)，通過思維導(dǎo)圖可以把電子和材料相互作用產(chǎn)生的各種情況逐一列出。如圖1，SEM主要是利用電子和材料相互作用產(chǎn)生的二次電子和背散射電子。由于產(chǎn)生的原理不同所以導(dǎo)致其兩種模式所獲得的差異結(jié)果。TEM主要是利用其薄膜樣品透過電子及散射電子在熒光屏上成像，通過調(diào)整物鏡光闌控制通過的光束從而獲得明場、暗場和高分辨模式。俄歇電子能譜主要是檢測發(fā)射的俄歇電子，XPS和EDX分別是檢測X射線為能量源激發(fā)出的光電子和以電子束為激發(fā)源激發(fā)出X射線。通過簡單的思維導(dǎo)圖就可以很容易的發(fā)現(xiàn)他們之間的不同和聯(lián)系?；谝陨戏治鑫覀兛梢钥闯?，思維導(dǎo)圖在現(xiàn)代材料分析方法中的應(yīng)用可以有效貫穿各自孤立的表征方法并能夠有效的區(qū)分其不同點(diǎn)和適用范圍。

二、虛擬操作平臺的應(yīng)用

《現(xiàn)代材料分析方法》是實踐性很強(qiáng)的課程。然而，由于教學(xué)資源的局限性及表征儀器的復(fù)雜性，很難保證每個學(xué)生都有上機(jī)操作的機(jī)會，從而導(dǎo)致學(xué)生在認(rèn)知上基本停留在理論概念階段。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展極大地提高了我們信息獲取的可能性。通過引入網(wǎng)絡(luò)提供或自己設(shè)計的表征儀器虛擬操作平臺，使學(xué)生更加深入、形象地學(xué)習(xí)儀器操作方法并通過類比實驗教學(xué)達(dá)到掌握儀器操作的目的。以《現(xiàn)代材料分析方法》課程掃描電子顯微鏡（SEM）授課為例，重點(diǎn)是讓學(xué)生理解SEM樣品測試的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。首先根據(jù)教學(xué)大綱安排相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，在介紹完基本原理后，調(diào)用澳大利亞顯微鏡和顯微分析研究中心開放性主頁所提供的應(yīng)用與教學(xué)使用目的的虛擬操作平臺[2]。此操作平臺包括顯微分析及結(jié)構(gòu)分析所有儀器虛擬操作。通過現(xiàn)場演示操作此虛擬平臺加深學(xué)生的印象。采用背散射電子和二次電子兩種成像方式分別模擬表征同一樣品使學(xué)生了解兩種成像方式獲得圖像的差異性。此外，還可以使用其他開放性網(wǎng)絡(luò)資源或相關(guān)儀器公司培訓(xùn)時提供的3D動畫演示軟件，使學(xué)生有直觀感受，對所學(xué)知識印象更加深刻。若能使學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)前預(yù)操作一遍相關(guān)虛擬軟件，通過和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)類比或?qū)Ρ认嚓P(guān)實驗則會有更加深入的了解。

三、案例教學(xué)的應(yīng)用

案例教學(xué)法由美國哈佛法學(xué)院前院長C.C.Langdel于1870年提出。案例教學(xué)法是借案例作為教學(xué)材料，結(jié)合教學(xué)主題，通過討論、問答等師生互動的教學(xué)過程，讓學(xué)習(xí)者了解與教學(xué)主題相關(guān)的概念或理論并培養(yǎng)學(xué)習(xí)者高層次能力的教學(xué)方法[3]。作為科研第一線的教師，針對相關(guān)儀器的教學(xué)，應(yīng)緊密結(jié)合自己在科研中的使用經(jīng)驗有效設(shè)置若干問題，通過問題的討論和解答使學(xué)生理解科研的方法和思路。以碳納米管對內(nèi)部填充的金屬納米顆粒催化性能的限域效應(yīng)研究為例[4]。先采用不同濃度的硝酸，加熱處理分別獲得兩端開口或閉口的碳納米管。然后在惰性氣氛下熱處理，選擇性去除表面官能團(tuán)獲得不同規(guī)格的碳納米管。通過特定方法制備碳納米管內(nèi)部填充金屬納米顆粒的催化劑并研究其催化性能。因此，涉及到一系列的測試表征方法的選擇。首先，如何表征碳納米管的端部是開口還是閉口？學(xué)生經(jīng)引導(dǎo)會提出使用TEM表征手段。接著，提問同學(xué)從TEM表征中還可以得到哪些信息？這里可以讓學(xué)生把自己認(rèn)為可以獲得的信息列出來。針對列出的結(jié)果繼續(xù)問學(xué)生哪些正確哪些錯誤，錯誤的那些要通過哪些其他的表征方法獲得。碳納米管表面官能團(tuán)的表征方法又有哪些？這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？碳納米的處理是為了讓金屬納米顆粒有效填充，如何知道納米顆粒是否填充了進(jìn)去？顆粒的粒徑用什么儀器觀察？如何確定填充度？通過一系列的問題提出，討論解答使學(xué)生了解課題研究的思路。最后，給學(xué)生分享相關(guān)論文，讓學(xué)生深刻體會一項課題從構(gòu)思到實施再到分析總結(jié)的過程。相關(guān)案例的介紹使學(xué)生更加深入的認(rèn)識到材料分析方法是了解未知世界的工具。

四、個性化考核方式

科學(xué)的考核方法是客觀評價學(xué)生知識掌握能力的重要環(huán)節(jié)，對保證教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)起著重要作用[5]。目前針對此課程形成了以能力測試為主的考核方式，主要考察本科生對分析測試儀器使用及數(shù)據(jù)處理的掌握程度。針對本課程的特點(diǎn)，考核分為兩個方面。（1）理論課考試是統(tǒng)一試題，考核學(xué)生對相關(guān)重要知識的掌握情況。（2）實驗課考試，基于上海理工大學(xué)實行的是導(dǎo)師制并且?guī)缀跛袑W(xué)生都有參與材料相關(guān)創(chuàng)新實驗的經(jīng)歷這一特點(diǎn)。根據(jù)學(xué)生的研究方向適當(dāng)分為若干小組，選用每個方向最重要的表征儀器，如對碳材料團(tuán)隊的學(xué)生選用Raman廣譜儀判斷不同碳材料的缺陷及對性能進(jìn)行預(yù)測；對微納材料團(tuán)隊的學(xué)生選擇XRD讓學(xué)生研究材料組成和晶體結(jié)構(gòu)等。相關(guān)考核注意考查學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力及思維過程，沒有明顯對錯，只有合理與不合理的區(qū)別，充分體現(xiàn)答案的多樣性，鼓勵不同見解。靈活多樣的考核方式有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

五、結(jié)語

教學(xué)改革的根本任務(wù)是讓學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)知識，讓學(xué)習(xí)變得更加快樂。以上所提到的教學(xué)改革方法必須考慮課程的教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)目的，有機(jī)地融入日常教學(xué)中，讓豐富的教學(xué)手段最大限度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新思維。在教學(xué)團(tuán)隊教師的共同努力下，經(jīng)過幾年的實施和調(diào)整，明確相關(guān)教學(xué)改革思想的實施極大地提高了學(xué)生上課的積極性與主動性，開拓了學(xué)生的思維能力及實際動手能力。學(xué)生能夠主動利用相關(guān)儀器進(jìn)行科學(xué)研究工作，培養(yǎng)的畢業(yè)生具有研究能力和實踐動手能力強(qiáng)、進(jìn)入工作狀態(tài)快的特點(diǎn)，并得到了知名大學(xué)和用人單位的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱鈺方，朱敏，何星.研究生“生物材料學(xué)”課程教學(xué)改革初探[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2014，（36）.

[2]http：//www.ammrf.org.au/myscope/

[3]羅玉梅，王斌，王平.案例教學(xué)法在《材料分析方法》課程中的應(yīng)用與思考[J].教育教學(xué)論壇，2012，（22）.

[4]Ding Wang，Guohui Yang，Qingxiang Ma，Mingbo Wu，Yisheng Tan，Yoshiharu Yoneyama，Noritatsu Tsubaki.Confinement Effect of Carbon Nanotubes：Copper Nanoparticles Filled Carbon Nanotubes for Hydrogenation of Methyl Acetate，ACS Catalysis，2012，（2）：1958-1966.

[5]褚海亮.《材料分析方法》教學(xué)的改革與探討[J].高校講壇，2012，（17）：124.