精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)淺談

婁超

摘 要 材料學(xué)是學(xué)生接觸材料領(lǐng)域、定位未來(lái)方向的入門(mén)課程，學(xué)習(xí)和掌握該課程內(nèi)容意義至關(guān)重要。但該課程的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，學(xué)生較難理解，從而降低了學(xué)習(xí)興趣。本文結(jié)合筆者多年的教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)，就精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)做一定的分析，為材料專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞 材料學(xué) 精密分析儀器 教學(xué)管理

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.08.059

Abstract Materialogy is a basic course covering a wide range of materials and applications. So learning and mastering this course is very significant， but most students are difficult to understand and know materialogy due to the complicated and professional knowledge， which stifle interest in learning. This paper summarizes advantage of auxiliary teaching of precise instrument on materialogy based on experiences of author in teaching and research to provide reference for the training of material science.

Key words materialogy； precise instrument； teaching management

材料學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系的學(xué)科，為材料設(shè)計(jì)、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)。隨著科技的不斷發(fā)展，材料學(xué)研究的對(duì)象和內(nèi)容也不斷擴(kuò)展，其基本分類(lèi)包括高分子材料、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料等。在實(shí)際生活中，人們往往關(guān)心的是材料本身的性能，一種是特征性能，即材料本身固有性質(zhì)，包括熱學(xué)性能、力學(xué)性能等；另一種是功能性能，指一定條件下功能轉(zhuǎn)化的性質(zhì)，例如熱—電、光—熱轉(zhuǎn)化性能。但最終決定材料物理、化學(xué)性質(zhì)的因素，還是材料本身微觀結(jié)構(gòu)特征。材料學(xué)作為材料專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目，要求學(xué)生了解材料的組成與應(yīng)用、材料的結(jié)構(gòu)與性能等知識(shí)。然而，這門(mén)課程的許多內(nèi)容學(xué)生只能在書(shū)本上掌握相關(guān)材料的理論知識(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單定義與圖片了解材料的微觀世界，陌生而復(fù)雜的表述與微觀結(jié)構(gòu)組織，這對(duì)于初次接觸材料學(xué)的同學(xué)是枯燥且乏味的，會(huì)在一定程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了促進(jìn)材料學(xué)科發(fā)展、提高學(xué)?？蒲袟l件，很多高校都配備了用于表征材料微觀組織的大型精密分析儀器，例如電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、XRD分析設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)精密分析儀器的輔助功能也不斷更新，以進(jìn)一步細(xì)致分析了解材料的微觀世界，例如電子背散射衍射設(shè)備（SEM-EBSD）、電子顯微鏡能譜（EDS）、電子能量損失譜（EELS）等。通過(guò)這些設(shè)備表征，我們能夠充分了解材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征及變化，對(duì)微觀世界有一個(gè)更具體的認(rèn)識(shí)。但目前很多高校的精密分析儀器的使用僅局限于科學(xué)研究，而且由于儀器操作復(fù)雜、設(shè)備管理要求高、教學(xué)與科研脫節(jié)等多種因素導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密分析儀器輔助教學(xué)的目的。筆者將立足于多年的教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)，從科研與教學(xué)相結(jié)合的角度出發(fā)，來(lái)思考材料學(xué)教學(xué)的方法。

1 打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研相結(jié)合

傳統(tǒng)的教學(xué)往往圍繞教學(xué)大綱和書(shū)本展開(kāi)，最終淪為枯燥的教學(xué)演講?，F(xiàn)代的青年教師一般是教學(xué)科研型人才，除了日常的教學(xué)，還承擔(dān)著一些科研項(xiàng)目。在傳授理論知識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合自身的研究課題、成果，舉例說(shuō)明各個(gè)知識(shí)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)理論與科研實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生能夠加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，了解不同材料的發(fā)展?fàn)顩r以及其在航空航天、國(guó)防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活中的應(yīng)用，從而擴(kuò)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.1 介紹基礎(chǔ)科研成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

由于材料學(xué)中的概念及定義比較抽象，教師必須將這些抽象的知識(shí)與實(shí)實(shí)在在的材料聯(lián)系起來(lái)。在講解大量理論內(nèi)容的同時(shí)，應(yīng)該結(jié)合教師的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成果，通過(guò)多媒體的方式形象、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，例如金屬材料中晶格、位錯(cuò)、孿晶等基本概念。教師應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)驗(yàn)課題，利用精密分析儀器的操作原理及分析結(jié)果講解材料微觀組織結(jié)構(gòu)的組成和變化，以及其對(duì)宏觀性能的影響，讓學(xué)生對(duì)不同材料的應(yīng)用范圍和其微觀組織的基本組成與結(jié)構(gòu)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣。同時(shí)，教師在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合目前社會(huì)發(fā)展中材料領(lǐng)域的熱門(mén)話題，介紹與材料學(xué)相關(guān)的比較前沿的材料科學(xué)研究，結(jié)合最普遍的材料的微觀結(jié)構(gòu)與組成，從現(xiàn)在的研究成果分析介紹，如碳納米材料等。并且教師在課堂上應(yīng)與學(xué)生進(jìn)行一系列的互動(dòng)，例如列舉實(shí)驗(yàn)獲得的圖片，讓學(xué)生結(jié)合知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)觀察，使學(xué)生能夠更直觀地了解材料學(xué)中的知識(shí)概念，從而實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)。

1.2 結(jié)合精密分析儀器實(shí)驗(yàn)觀摩，整合知識(shí)點(diǎn)

基于教師科研課題項(xiàng)目，讓學(xué)生觀摩分析儀器的試驗(yàn)表征，結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)實(shí)驗(yàn)練習(xí)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)課堂知識(shí)的總結(jié)，使學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)得以整合，拓展其思維。同時(shí)，教師對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析講解，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。然后教師可以圍繞科研項(xiàng)目中的某個(gè)專(zhuān)題開(kāi)展自由討論，鼓勵(lì)學(xué)生自己準(zhǔn)備材料，發(fā)表自己對(duì)于相關(guān)題目的了解，由此拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)活躍課堂氣氛，提高學(xué)生自學(xué)能力。通過(guò)理論與實(shí)踐的結(jié)合，學(xué)生對(duì)材料學(xué)所講授的內(nèi)容有了最大程度的掌握，對(duì)自己的學(xué)科領(lǐng)域有所了解，對(duì)自己未來(lái)從事的職業(yè)不再迷茫；對(duì)于有意向攻讀研究生學(xué)位、進(jìn)一步學(xué)習(xí)的同學(xué)，其對(duì)感興趣的研究方向更加明確，報(bào)考專(zhuān)業(yè)方向時(shí)信心也更加堅(jiān)定。

1.3 教學(xué)與科研結(jié)合的創(chuàng)新性教學(xué)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體

社會(huì)在不斷地進(jìn)步，對(duì)應(yīng)屆畢業(yè)學(xué)生的要求也不斷提高，知識(shí)儲(chǔ)備以及動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力自然成為各個(gè)企事業(yè)單位選擇員工的優(yōu)先條件。然而，學(xué)生僅僅在課堂上學(xué)到的知識(shí)，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，必須培養(yǎng)他們的應(yīng)用能力，以解決日后在工作中遇到的問(wèn)題。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，選擇一些與日常生活密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，做到趣味性與實(shí)用性相結(jié)合。使學(xué)生感受到材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)相關(guān)的引導(dǎo)教育后，學(xué)生對(duì)于所學(xué)專(zhuān)業(yè)有所了解，對(duì)教師的研究方向比較感興趣，可申請(qǐng)加入相應(yīng)教師的研究課題，而教師也可以通過(guò)簽署合同的方式約束管理學(xué)生在本科學(xué)習(xí)過(guò)程中的科學(xué)研究事宜。這樣不僅能夠協(xié)助教師較好地完成科研項(xiàng)目，也可以鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生良好的知識(shí)儲(chǔ)備，為即將步入社會(huì)做好充足的準(zhǔn)備。

2 針對(duì)教學(xué)管理中遇到的問(wèn)題，制定章程，完善管理制度

各個(gè)學(xué)校限制大型精密儀器的使用范圍，主要是因?yàn)榫芊治鰞x器多為進(jìn)口，價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，而且儀器操作復(fù)雜，所以一般會(huì)培訓(xùn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行操作與管理。這大大降低了儀器使用效率，而且不利于教學(xué)的開(kāi)展。針對(duì)這些情況，學(xué)校應(yīng)該制定相應(yīng)的儀器使用維護(hù)管理制度，確保儀器最大化地發(fā)揮其在教學(xué)科研方面的作用。

2.1 學(xué)生應(yīng)不止參觀，還要參與

目前各個(gè)學(xué)校購(gòu)置的高精分析設(shè)備主要服務(wù)于科學(xué)研究，導(dǎo)致儀器使用率低。國(guó)外對(duì)于大型精密儀器的管理往往是學(xué)生參與大于教師控制，一般對(duì)置身于科研項(xiàng)目的研究生或具有濃厚研究興趣的本科生進(jìn)行儀器操作培訓(xùn)，讓學(xué)生親身參與儀器的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)研究項(xiàng)目進(jìn)行科研創(chuàng)新，使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從被動(dòng)式教育轉(zhuǎn)為主動(dòng)式學(xué)習(xí)，提供學(xué)生的個(gè)性發(fā)展空間。學(xué)生對(duì)自己的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，必須先擬定出合理的實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)條件，再利用分析儀器對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能表征。教師針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求，制定規(guī)范的儀器使用及維護(hù)時(shí)間表，劃清教學(xué)和科研用精密分析儀器的時(shí)間范圍。學(xué)生操作過(guò)程中必須要有負(fù)責(zé)教師或?qū)嶒?yàn)室人員在旁輔助，提醒糾正學(xué)生的錯(cuò)誤操作方式，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)獲得數(shù)據(jù)的分析過(guò)程。通過(guò)對(duì)學(xué)生一系列的培訓(xùn)，讓學(xué)生能夠熟練操作儀器，并掌握儀器在錯(cuò)誤操作下或發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急處理方法。

2.2 實(shí)施儀器操作責(zé)任制，明確學(xué)生操作者的“監(jiān)護(hù)人”

放開(kāi)并不代表放任，實(shí)驗(yàn)室還要制定嚴(yán)格的設(shè)備管理制度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要責(zé)任落實(shí)到位。研究生群體由于學(xué)業(yè)與科研需求，使用相關(guān)設(shè)備的頻率較大，其作為基于精密分析儀器下優(yōu)化式教學(xué)的優(yōu)先受益者，導(dǎo)師必須作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“監(jiān)護(hù)人”。實(shí)驗(yàn)前，教師必須對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)情況進(jìn)行考核，針對(duì)學(xué)生自己擬定的實(shí)驗(yàn)方案提出相關(guān)問(wèn)題，對(duì)學(xué)生敘述出錯(cuò)的地方和重要的注意事項(xiàng)，教師應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。當(dāng)學(xué)生開(kāi)始接觸操作設(shè)備時(shí)，導(dǎo)師要起到指導(dǎo)及監(jiān)督的作用；當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)與導(dǎo)師溝通，避免不當(dāng)操作；當(dāng)學(xué)生不遵守操作規(guī)程，誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞，導(dǎo)師應(yīng)負(fù)有連帶責(zé)任。對(duì)于本科教學(xué)來(lái)說(shuō)，課程指導(dǎo)教師或?qū)嶒?yàn)室相關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)人應(yīng)充當(dāng)“監(jiān)護(hù)人”。當(dāng)學(xué)生親手操作時(shí)，指導(dǎo)教師應(yīng)盡量做到全程指導(dǎo)與監(jiān)督，對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題做出及時(shí)解答，使學(xué)生在教研結(jié)合的課堂上充分消化材料學(xué)知識(shí)；對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤使用設(shè)備方式應(yīng)及時(shí)提醒糾正，防止造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)課堂式的材料學(xué)教學(xué)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代素質(zhì)教育的要求。為了提高本科及研究生教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)與科研相結(jié)合的教育模式已經(jīng)成為現(xiàn)代教育必不可少的手段。通過(guò)精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)來(lái)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立分析與解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的探索能力與創(chuàng)新思維，從而讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)取得良好的學(xué)習(xí)效果。