《現(xiàn)代材料測試技術》的教學改革與實踐

陳權(quán)啟　李霞

摘 要：本文闡述材料在社會發(fā)展中的重要作用、現(xiàn)代材料測試技術教學的重要意義及《現(xiàn)代材料測試技術》的教學主要內(nèi)容，通過分析本課程現(xiàn)有教學方法的弊端，結(jié)合本校研究生的實際情況，提出并采用新的教學方法和改進措施，提升了本課程的教學質(zhì)量，顯著提升了本校研究生的材料測試技術基礎理論知識和動手操作能力，提升研究生的科研能力。

關鍵詞：現(xiàn)代材料 測試技術 探討分析

一、現(xiàn)代材料測試技術的教學意義

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的迅速發(fā)展，材料在社會的發(fā)展建設中起到至關重要的作用，社會對材料功能、種類及數(shù)量的需求顯著增加，發(fā)展和開發(fā)新材料以及新材料技術的應用已成為國家的發(fā)展戰(zhàn)略，材料研究已受到全球的高度關注。國家、企業(yè)、研究機構(gòu)和高校等方面通過多層次、多渠道和多種方式，投資大量資金用于現(xiàn)代材料的研究，促進現(xiàn)代材料研究的蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)代材料測試技術從宏觀和微觀層面對材料性能及性質(zhì)進行測試，指導材料的研究和開發(fā)，現(xiàn)代材料測試技術的高速發(fā)展促進現(xiàn)代材料研究的快速發(fā)展。

對材料研究的主力軍-研究生，開展現(xiàn)代材料測試技術的教育，夯實研究生的測試理論基礎及提高操作技能，有利于研究生今后對材料的深入研究?，F(xiàn)代材料測試技術相關教育教學課程的開展主要是通過一系列現(xiàn)代材料研究的相關測試技術為基礎手段，針對新材料的微觀和宏觀性質(zhì)，開發(fā)新材料和對材料新功能的應用，擴大材料在各個方面建設的使用效率或應用范圍，提高材料的使用性能，挖掘材料潛在功能。對此，本文通過分析現(xiàn)代材料測試技術的重要意義以及現(xiàn)代材料技術教學的相關內(nèi)容，基本教學要求包括X射線單晶體衍射儀、光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜儀、紅外光譜儀、熒光分光光度計、核磁共振儀等基本原理和主要功能的學習，針對現(xiàn)有教學方法的弊端和目前教學效果，對現(xiàn)有的新舊教學方法進行探討改革，提出更好的教學方法。

二、現(xiàn)代材料測試技術教學重點基本內(nèi)容

現(xiàn)代材料測試技術這門課程，根據(jù)總的教育教學內(nèi)容大綱和相關基本課程要求的設置，是需要老師對學生進行以下幾個方面測試分析法的基本原理和主要功能的介紹和學習。

1.X射線單晶體衍射分析

基本原理：X射線單晶體衍射的最基本原理的應用是通過一個布拉格公式來展開的。根據(jù)布拉格公式的應用，主要涉及滿足一定的晶體衍射條件，從而使波長或掠射角的改變等來實現(xiàn)的，X射線分析法就是利用這一公式，和對x射線相關分析儀器設備的常數(shù)改變和它所照出的晶體結(jié)構(gòu)衍射圖譜數(shù)據(jù)的不同來求出d，進而由d值來測定被測物，得出不同物相的相應數(shù)據(jù)。

主要功能：為了確定晶體結(jié)構(gòu)來進行一定的晶體衍射數(shù)據(jù)的收集。整個過程主要包括：制備樣品、樣品測定、確定晶胞參數(shù)，設定參數(shù)進行數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)還原和結(jié)構(gòu)解析。

2.光學顯微鏡分析

基本原理：利用眾所周知的凸透鏡和電子放大成像原理來進行。由于有些成像并非人的肉眼能夠觀測到，所以這時就需要儀器把那些細小的人眼看不見的微小物體盡可能地放大到人眼可以識別的范圍內(nèi)的尺寸大小。

主要功能：把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細結(jié)構(gòu)信息。

3.掃描電子顯微鏡分析

工作原理：主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點成像的方法獲得放大像。

主要功能：是為了獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等。

4.透射電子顯微鏡分析

工作原理：是以波長極短的電子束作為照明源，用電子透鏡聚焦成像的一種具有高分辨率、高放大位數(shù)的電子光學儀器。通常采用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速穿過陽極孔，然后被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑照到樣品上。具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生反映樣品微區(qū)厚度、平均原子素數(shù)或位向差別的多種信息。

主要功能：透射電子顯微鏡其實就是一種高分辨率、高放大倍數(shù)的顯微鏡，兩者的工作原理相類似但也略有不同，只是透射電子顯微鏡的技術應用更為先進一些。但這兩者都是專業(yè)研究者研究材料科學的常用技術工具和重要手段，能提供極微細的現(xiàn)代材料的組織結(jié)構(gòu)，又能觀測到其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，并可測定其化學成分等相關信息。

5.X射線光電子能譜分析

工作原理： X射線光電子能譜分析是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子，可以測量光電子的能量，以光電子的動能為橫坐標，相對強度（脈沖/s）為縱坐標可做出光電子能譜圖，從而獲得待測物組成。X射線光電子能譜分析主要應用是測定電子的結(jié)合能來實現(xiàn)對表面元素的定性分析，包括價態(tài)。 X射線光電子能譜因?qū)瘜W分析最有用，因此被稱為化學分析用電子能譜。

主要功能：（1）檢測被測樣品的表面組成分析，分析其化學狀態(tài)。 （2）也可以對被測樣品進行元素成分進行分析（3）還可以對被測樣品進行原位處理。

6.紅外光譜分析

工作原理：主要是由紅外吸收光譜內(nèi)的分子不停地作振動和轉(zhuǎn)動運動而產(chǎn)生的，其中由于過于振動的緣故，有些分子原子會在原本平衡位置附近做一些相對的運動。而正是這些運動組成了振動圖形。又由于分子運動時會產(chǎn)生能量，而這些能量正好與紅外射線光量子能量對應，所以每當分子振動時就會相應的發(fā)射紅外光譜，且分子越大，紅外譜帶也就越多。

主要功能：紅外光譜的分析主要是通過對分子結(jié)構(gòu)和化學鍵的振動頻率來分析?？梢宰鳛楸碚骱丸b定化學物種的方法來應用。除此之外，紅外光譜也可對高聚物的構(gòu)型、構(gòu)象、力學性質(zhì)的研究，也可以包括對物理、天文、氣象、遙感、生物、醫(yī)學等領域的廣泛研究。

7.熒光分光光度計分析

工作原理：物質(zhì)分子或原子吸收輻射被激發(fā)后，電子以無輻射躍遷至第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級，再以輻射的方式釋放這一部分能量而產(chǎn)生的光譜，光譜具有不同的波長，通過測定物質(zhì)產(chǎn)生的光譜，確定物質(zhì)的種類。熒光分光光度計是用于掃描液相熒光標記物所發(fā)出的熒光光譜的一種儀器。其能提供包括激發(fā)光譜、發(fā)射光譜以及熒光強度、量子產(chǎn)率、熒光壽命、熒光偏振等許多物理參數(shù)，從各個角度反映了分子的成鍵和結(jié)構(gòu)情況。通過對這些參數(shù)的測定，不但可以做一般的定量分析， 而且還可以推斷分子在各種環(huán)境下的構(gòu)象變化，從而闡明分子結(jié)構(gòu)與功能之間的關系。

主要功能：用于固體和液體等熒光物質(zhì)的定量研究。

8.核磁共振分析

基本原理：首先核磁共振儀源于一種核磁共振技術的應用。核磁共振主要是由磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下發(fā)生自旋運動，發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。不同的原子核，本身自旋運動的情況不同，它們可以用核的自旋量子數(shù)來表示。而且自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之間存在一定的關系，可以分為很多種情況?，F(xiàn)在廣泛作為一種分析手段普遍應用于物理、化學生物等領域，到1973年才將它用于醫(yī)學臨床檢測。核磁共振儀便是利用生物磁自旋成像技術，根據(jù)原子核自旋運動的特點，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號，用探測器檢測并輸入計算機，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。

主要功能：核磁共振儀適合于對液體、固體的檢測，技術發(fā)展到今天，這種技術儀器也支持了對微量樣品的研究，而且，所成像的核磁譜圖也得到了高效發(fā)展，由過去的單純的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的四維（4D）譜圖，這就使得現(xiàn)代材料的分子結(jié)構(gòu)更加清晰展現(xiàn)在人面前。

三、現(xiàn)代材料測試技術教學現(xiàn)狀分析

我國正式開展研究材料和測試技術相關課程學習，是在上個世紀80年代開始的，當時我國好多高校通過開展引進儀器和傳授理論課和實踐課相結(jié)合的方式來進行教育教學。但是畢竟當時研究材料測試技術相關的課程主要是依靠從國外引進的一些技術儀器，所以對于我國材料學這門課程開展的現(xiàn)狀有著一定的局限性：其一，由于引進的只是儀器，無法掌握這些儀器的相關構(gòu)造技術和測試原理，所以，一旦這些壽命有限的儀器設備出現(xiàn)問題或者損壞，大多數(shù)是無法重組修復的，這也就造成大多數(shù)引入的儀器只能是老師等專業(yè)人士才能完全使用，除此之外多用于展示，而不能全部投入到實踐課程中。其二，就目前情況而言，由于最先進的現(xiàn)代材料測試技術相關的儀器設備相對來說價格比較昂貴，所以大多數(shù)儀器購入數(shù)量相對有限，無法達到所有相關學院的教學和科研的配備，無法完成一系列的現(xiàn)代測試設備的科研和教學高度配合。因此，針對材料學相關課程內(nèi)容設計現(xiàn)狀進行相應的教學內(nèi)容的改革是十分必要的。

四、現(xiàn)代材料測試技術課程教學不足分析

在我國現(xiàn)代材料測試技術課程教育教學開設中，還是存在許多不足之處的：

（1）教學教材內(nèi)容跟不上時代發(fā)展變化，而且實際教學中所反映出來的分析方法跟不上現(xiàn)代材料測試技術這門課的最新進展和動態(tài)，這需要教師不斷更新自己的課件和授課內(nèi)容。（2）由于測試設備的缺乏以及現(xiàn)代材料測試技術的課時不足，導致學生很難實際接觸和實際操作最新的現(xiàn)代材料測試技術的儀器和設備。大多數(shù)學生知識層面僅停留在理論而不是實踐中。（3）課堂教學大多只停留在教師講，下課學生自己理解和操作的階段，沒有很好的師生互動，而且受到實驗課的課時數(shù)限制，學生只能是在課上參觀授課教師的操作演示或者樣品分析，而中間環(huán)節(jié)學生根本無法真正參與其中，這就導致學生只能依賴教師的講解無法實際操作，無法達到最好的教學目的。

五、現(xiàn)代材料測試技術教學相關改進措施

其實現(xiàn)代材料測試技術這門課程開設目的就是為了培養(yǎng)學生的動手操作能力和綜合分析能力。因此面對以上這門課程教育教學的發(fā)展現(xiàn)狀和出現(xiàn)的一些教學不足之處，可采取以下應對和改進措施：（1）首先學校最好能夠使材料學和一級學科工程兩者內(nèi)容結(jié)合，形成體系化的教學。同時要大力吸收最新的現(xiàn)代材料學的知識變化，時時更新現(xiàn)有的儀器，加大學校的科研能力儲備設施。（2）學校要重視教師專業(yè)教學和科研能力的培養(yǎng)，教師要根據(jù)最新材料學發(fā)展現(xiàn)狀，不斷調(diào)節(jié)自己的教學方向，豐富教學教材的內(nèi)容，完善修訂自己的上課課件內(nèi)容，同時加強對實驗課的實驗技能培訓，加強綜合研究型的實驗室投入建設。（3）培養(yǎng)學生的綜合能力，進一步加強材料學科涉及到的相關數(shù)學、物理、化學、生物等學科的基礎教學和實踐教學，提高學生的理論基礎和動手操作能力，從而鞏固和提高學生現(xiàn)代材料測試技術的理論基礎和實際操作能力。（4） 調(diào)整現(xiàn)代材料測試技術理論考試和實驗操作的評分比重，促使學生重視實驗操作能力培養(yǎng)，有利于提高研究后續(xù)研究的科研能力。

六、現(xiàn)代材料測試新技術課程的教學改革成效

本課程教學改革授課對象主要包括桂林理工大學2012級、2013級和2014級化學工程與技術、應用化學、材料科學與工程、生物化學工程等專業(yè)的碩士研究生。通過本課程的學習，有效彌補了學生本科階段的基礎理論和實際操作能力的不足，顯著提升了研究生的基礎理論知識和材料測試和分析能力，明顯提高了學生的科研能力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過課程教學改革后的現(xiàn)代材料測試技術課程學習，相關專業(yè)的碩士研究生發(fā)表的學術論文數(shù)量比原來高出30%左右。學術報告或畢業(yè)論文答辯體現(xiàn)的測試分析能力也大幅度提升。

結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代材料測試技術這門課不僅是一門材料測試表征的學科，還是化學、生物、科學、物理數(shù)學等學科的綜合應用體現(xiàn)，這些學科大多是基礎性、創(chuàng)造性和實用性都比較強勢應用的學科，尤其現(xiàn)代材料學是一門以研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)的變化，性質(zhì)規(guī)律的探討為開發(fā)對象的科學，而且現(xiàn)代材料學還是當今信息、能源、環(huán)境、海洋、生命、空間等科學上最基礎的研究保障和前提基礎，可以說材料學是這些科學的合成。現(xiàn)代材料測試技術發(fā)展的最終目的是通過研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來研究材料的組成性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，并據(jù)此來開發(fā)不同材料以及材料不同功能的應用，最終達到最大限度地對材料的綜合應用。通過對某種材料結(jié)構(gòu)的正確分析，就能夠?qū)Σ牧显谶m應過程中出現(xiàn)的某種獨特性能進行正確研究認識，從而對材料的合成應用提供科學的依據(jù)和指導。

以上通過對材料結(jié)構(gòu)的相關課程分析、新舊教學方法的比較，啟發(fā)我們在現(xiàn)代材料測試技術課程教學過程中，要根據(jù)本課程的教學內(nèi)容、學科研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)代材料研究的需要，結(jié)合本校研究生的生源質(zhì)量及基礎知識掌握程度，進行有針對性的教學改革，可以有效提升教學質(zhì)量，從而提高學生的材料測試操作能力以及測試分析能力，進而提高研究生的科研能力。我們針對研究生課程《現(xiàn)代材料測試技術》的教學進行行之有效的改革，希望能給本校相關課程教學的改革和其它院校的相關學科教學改革，提供可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

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