材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)

吳杰　遲靜　張強(qiáng)　田秀娟

【摘 要】本文針對(duì)學(xué)生不熟悉常見(jiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)、不能較好的運(yùn)用現(xiàn)代分析檢測(cè)設(shè)備研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，探討了材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)的方法。

【關(guān)鍵詞】材料微觀組織結(jié)構(gòu)；資源庫(kù)；網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

【Abstract】Because the students are not familiar with the microstructure of common materials， and can not better use modern analysis and testing equipment to study material microstructure， this paper is aimed to construct the repository and network platform of material microstructure.

【Key words】Material microstructure； Repository； Network platform

0 引言

任何一種材料的宏觀性能或行為，都是由其微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的[1]。因此，熟悉常見(jiàn)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，掌握材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析檢測(cè)方法，分析微觀組織結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、演變規(guī)律，對(duì)材料專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是極其重要的。在材料類專業(yè)課程教學(xué)體系中，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《固態(tài)相變?cè)怼?、《金屬材料學(xué)》、《無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》、《材料熱處理》等課程分別從不同方面介紹材料微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)的類型、特點(diǎn)、產(chǎn)生條件、影響規(guī)律以及微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。但每門(mén)課程都是以兩三種典型材料為例進(jìn)行介紹，且典型材料往往在不同課程中多次出現(xiàn)，因此學(xué)生不熟悉常見(jiàn)材料尤其是新興材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。近年來(lái)在工作面試和考研復(fù)試過(guò)程中，學(xué)生因?qū)Σ牧衔⒂^組織結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不清而被淘汰的例子并不少見(jiàn)。另外，各門(mén)課程單獨(dú)開(kāi)設(shè)，卻又彼此關(guān)聯(lián)，學(xué)生缺乏將理論知識(shí)融會(huì)貫通的能力，因此對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的能力有待加強(qiáng)。

材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析檢測(cè)，需要運(yùn)用X射線衍射儀、金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、電子探針、熱分析儀等一系列現(xiàn)代分析檢測(cè)設(shè)備[2]。這些設(shè)備除金相顯微鏡外，均為大型儀器，臺(tái)套數(shù)少。雖然相關(guān)課程會(huì)對(duì)儀器設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法進(jìn)行介紹，但學(xué)生上機(jī)做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少，不會(huì)操作設(shè)備，因此動(dòng)手能力差，不能較好的運(yùn)用儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和研究，更不具備綜合運(yùn)用分析檢測(cè)設(shè)備研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的能力。

本文針對(duì)學(xué)生不熟悉常見(jiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)、不能較好的運(yùn)用現(xiàn)代分析檢測(cè)設(shè)備研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，開(kāi)展交互式材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生儀器操作能力及對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的能力，這對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高實(shí)踐能力和分析解決問(wèn)題的能力，具有重要意義。

1 材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)建設(shè)

1.1 材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析檢測(cè)方法資源庫(kù)建設(shè)

為使學(xué)生掌握材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析檢測(cè)方法，針對(duì)X射線衍射儀、金相顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、熱分析儀等常用儀器設(shè)備，指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)后，由學(xué)生詳細(xì)介紹各儀器的工作原理、結(jié)構(gòu)、樣品制備、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇和操作過(guò)程，并拍攝視頻，建立分析檢測(cè)設(shè)備資源庫(kù)。針對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)分析處理能力較弱的特點(diǎn)，我們又拍攝了學(xué)生詳細(xì)介紹Jade、Origin等常用數(shù)據(jù)處理分析軟件特點(diǎn)、功能和使用方法的視頻，建立了數(shù)據(jù)處理軟件資源庫(kù)。以X射線衍射物相定性分析為例，利用X射線衍射儀得到原始數(shù)據(jù)以后，詳細(xì)介紹利用Jade軟件進(jìn)行物相檢索、分析以及衍射峰標(biāo)定的方法；在此基礎(chǔ)上，介紹如何將Jade軟件分析結(jié)果在Origin軟件中完整表現(xiàn)并輸出的方法。通過(guò)分析檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件資源庫(kù)建設(shè)，建立了材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析檢測(cè)方法資源庫(kù)，可以使學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)各大型儀器的構(gòu)造、原理以及操作過(guò)程，并掌握相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理軟件的使用方法。

1.2 材料微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)資源庫(kù)建設(shè)

為使學(xué)生熟悉常見(jiàn)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，老師指導(dǎo)學(xué)生制備常見(jiàn)金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料及部分新興材料樣品，利用各儀器設(shè)備檢測(cè)樣品微觀組織結(jié)構(gòu)，分析各樣品的物相組成、微觀組織、成分，標(biāo)注制備工藝、熱處理方式等信息后，建立微觀組織資源庫(kù)。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作晶體結(jié)構(gòu)三維動(dòng)畫(huà)模型和實(shí)物模型，建立晶體結(jié)構(gòu)資源庫(kù)。通過(guò)微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)資源庫(kù)建設(shè)，使學(xué)生掌握不同材料微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)的類型、特點(diǎn)、形成原理、影響規(guī)律以及微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

1.3 材料微觀組織結(jié)構(gòu)綜合分析典型案例資源庫(kù)建設(shè)

針對(duì)學(xué)生不能將理論知識(shí)融會(huì)貫通、對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析能力有待加強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)院優(yōu)勢(shì)科研方向，如等離子表面處理、環(huán)境凈化、能源材料等，結(jié)合學(xué)科領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)典型案例；學(xué)生根據(jù)興趣選擇案例并組成小組，進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，與老師討論后開(kāi)展樣品制備、綜合分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、理論分析等工作，完成案例分析檢測(cè)報(bào)告[3]，建立綜合分析典型案例資源庫(kù)。材料微觀組織結(jié)構(gòu)綜合分析典型案例內(nèi)容要多樣化并與學(xué)科領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)相關(guān)，這樣才能激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲。另外，典型案例要有綜合性和設(shè)計(jì)性，每個(gè)案例的完成要涉及到各個(gè)儀器和理論知識(shí)的綜合應(yīng)用。例如案例“B2結(jié)構(gòu)FeAl合金中的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變”，在對(duì)樣品進(jìn)行不同熱處理后，需要利用X射線衍射儀表征合金的有序和無(wú)序結(jié)構(gòu)，掃描電鏡觀察微觀組織，熱分析儀表征有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變過(guò)程，顯微硬度計(jì)測(cè)量樣品硬度，相關(guān)結(jié)果的分析涉及到晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固態(tài)相變?cè)怼⒉牧蠠崽幚?、材料力學(xué)性能等理論知識(shí)的綜合運(yùn)用。通過(guò)材料微觀組織結(jié)構(gòu)綜合分析典型案例資源庫(kù)建設(shè)，培養(yǎng)了學(xué)生綜合利用分析檢測(cè)設(shè)備及理論知識(shí)對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析測(cè)試和研究的能力。

2 材料微觀組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)

通過(guò)材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)建設(shè)，學(xué)生動(dòng)手能力以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到了提高，為使更多的同學(xué)受益，我們以上述各資源庫(kù)為主要模塊，構(gòu)建了交互式材料微觀組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生可自主地學(xué)習(xí)各分析檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)、原理、操作方法以及數(shù)據(jù)分析處理方法，熟悉常見(jiàn)材料的微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)，了解綜合利用分析檢測(cè)設(shè)備和理論知識(shí)對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的方法。各資源庫(kù)建設(shè)主要由學(xué)生完成，這容易拉近網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與學(xué)生的距離，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)也更加容易。另外，各資源庫(kù)主要由視頻、實(shí)物模型、動(dòng)畫(huà)、照片等組成，學(xué)生可以直觀地進(jìn)行學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在各資源庫(kù)模塊的基礎(chǔ)上，增設(shè)材料進(jìn)展模塊，結(jié)合當(dāng)前材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹新材料以及分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，開(kāi)闊視野。例如，針對(duì)大家非常關(guān)心的PM2.5問(wèn)題，介紹機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化用貴金屬催化劑、氧化物催化劑材料的發(fā)展，以及高溫過(guò)濾領(lǐng)域固體顆粒物過(guò)濾材料的研究狀況。新材料的出現(xiàn)往往和分析表征技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，讓學(xué)生了解分析測(cè)試技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，可以加深對(duì)分析檢測(cè)方法的應(yīng)用及基本原理的理解與掌握。以透射電鏡為例，球差矯正器的出現(xiàn)使透射電鏡的分辨率和應(yīng)用范圍得到顯著提高，通過(guò)比較球差透射電鏡和普通透射電鏡在分辨率、成像質(zhì)量、功能等方面的不同，既能加深對(duì)“球差是影響透射電鏡分辨率的主要因素”這一知識(shí)點(diǎn)的理解，又能讓學(xué)生了解透射電鏡的發(fā)展。

材料微觀組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)除了能讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)外，還應(yīng)能提供學(xué)生、老師交流、討論的共享環(huán)境，為此，我們?cè)O(shè)置了交流討論專區(qū)。學(xué)生可以針對(duì)各模塊中的每個(gè)具體問(wèn)題以及學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的困難、疑惑，和老師、同學(xué)交流、討論；也可以將自己了解、收集的相關(guān)知識(shí)，上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，與大家分享、交流。另外，針對(duì)大家感興趣的問(wèn)題或?qū)W術(shù)熱點(diǎn)，老師會(huì)定期拋出一些問(wèn)題供大家討論。比如在嫦娥三號(hào)登月期間，我們提出“玉兔號(hào)月球車(chē)需要什么材料？”這一問(wèn)題，為學(xué)生提供了豐富的想象和調(diào)研空間，學(xué)生根據(jù)月球表面路況、重力、溫差、輻射、月球車(chē)著陸可能受到的沖擊以及電力供應(yīng)等問(wèn)題，提出了鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合材料、超塑性合金、超輕泡沫金屬等各種材料，討論非常熱烈，在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，培養(yǎng)了綜合利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

材料學(xué)科的知識(shí)在不斷地更新，要保持網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)學(xué)生的吸引力，就需要對(duì)平臺(tái)中各模塊內(nèi)容進(jìn)行更新、補(bǔ)充，以保證網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，使其更好地為師生服務(wù)[4]，因此，材料微觀組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期、不間斷地過(guò)程。

3 實(shí)施效果

材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)由學(xué)生在老師的指導(dǎo)下完成，在培養(yǎng)學(xué)生操作大型儀器設(shè)備對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的同時(shí)，著重學(xué)生動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)。在資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，學(xué)生學(xué)會(huì)了如何查閱文獻(xiàn)并制定實(shí)驗(yàn)方案，掌握了樣品制備以及常用分析檢測(cè)設(shè)備的操作方法。綜合分析典型案例的完成，培養(yǎng)了學(xué)生綜合利用所學(xué)理論知識(shí)和分析檢測(cè)設(shè)備解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生在熟悉常見(jiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)的同時(shí)，建立了材料微觀組織結(jié)構(gòu)與成分、工藝及性能的聯(lián)系。同時(shí)，資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中的分工與合作，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立完成工作的能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料微觀組織結(jié)構(gòu)在材料類專業(yè)教學(xué)體系中占據(jù)重要地位，通過(guò)材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，可以使學(xué)生熟悉常見(jiàn)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，掌握綜合利用理論知識(shí)和現(xiàn)代分析檢測(cè)設(shè)備對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、研究的方法，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力和分析、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]