材料近代分析測(cè)試方法的改革與創(chuàng)新

牛牧野+張興華

摘要：針對(duì)材料近代分析測(cè)試方法課程目前面臨的各種問(wèn)題，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力，結(jié)合實(shí)際的教學(xué)情況，對(duì)本課程進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：材料分析測(cè)試方法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；理論教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）41-0218-02

一、引言

材料是人類文明的基石，人類文明的發(fā)展史，即是人類學(xué)習(xí)利用材料，制造材料，創(chuàng)新材料的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料的要求越來(lái)越苛刻，對(duì)材料組織性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究越來(lái)越細(xì)致，越來(lái)越感興趣，只有充分認(rèn)識(shí)材料組成結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，才能在生活和工業(yè)生產(chǎn)中更好地運(yùn)用和使用材料。因此，不斷發(fā)展新的研究方法和測(cè)試手段，是當(dāng)前研究的重要任務(wù)之一。在科研、生產(chǎn)實(shí)踐中，需要的分析手段越來(lái)越多，如X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等高科技手段。所以了解這些儀器設(shè)備的工作原理、組成結(jié)構(gòu)，熟悉設(shè)備的操作規(guī)程、數(shù)據(jù)處理和分析方法是非常重要的，為本科生研究生走上工作崗位或者繼續(xù)進(jìn)行更深入的研究工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。材料分析測(cè)試方法是一門實(shí)驗(yàn)方法課，這門課程不僅是以材料成分、結(jié)構(gòu)及性能分析、測(cè)試為唯一目的，而且是材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要研究手段。

材料分析測(cè)試方法是材料類專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，也是物理化學(xué)、生物、電子及材料成型與控制工程等相關(guān)專業(yè)的重要選修課之一，因此該課程具有較廣的使用泛圍。近些年，前人在材料分析測(cè)試方法的教學(xué)過(guò)程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改革創(chuàng)新，尋找新的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)方法，為該課程教學(xué)質(zhì)量的提高提供了一定的方向。

二、材料近代分析測(cè)試方法課程存在的問(wèn)題

材料分析的基本原理是基于測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系，采用各種不同的測(cè)量信號(hào)形成了各種不同的材料分析方法。材料現(xiàn)代分析方法的主要內(nèi)容包括材料X射線衍射分析與材料電子顯微分析兩大部分。該課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。另外，各種儀器分析測(cè)試方法是相互獨(dú)立的，各成一體，知識(shí)點(diǎn)分散，不易掌握，尤其是大型儀器設(shè)備學(xué)生接觸較少，且儀器原理概念比較抽象，具體實(shí)例不多，學(xué)生理解難度較大。同時(shí)學(xué)生對(duì)大型儀器等缺乏興趣，也使得該課程的教學(xué)效果大打折扣。

材料分析測(cè)試方法課程目前存在的主要問(wèn)題：

1.教材內(nèi)容滯后。目前材料分析測(cè)試方法課程所采用的教材大多是十年前編寫的，很多內(nèi)容已經(jīng)相對(duì)滯后，很難跟上目前所用新型號(hào)儀器的操作和處理數(shù)據(jù)的模式。比如XRD晶體的結(jié)構(gòu)標(biāo)定和物質(zhì)含量的確定，以及譜峰面積的計(jì)算等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理軟件日新月異，許多十年前處理數(shù)據(jù)的方法已經(jīng)淘汰，目前的Jade軟件（處理XRD數(shù)據(jù)的軟件）版本已經(jīng)更新多次，但是目前學(xué)生所用的教科書中還是使用了大量的篇幅對(duì)老的儀器實(shí)行手動(dòng)標(biāo)注、對(duì)比卡片的方法進(jìn)行介紹。新儀器和新系統(tǒng)的使用與書中陳舊的內(nèi)容介紹相沖突，教科書儀器使用和介紹內(nèi)容的落后和陳舊是目前材料近代分析測(cè)試方法課程存在的主要問(wèn)題之一。

純理論授課比較枯燥乏味，尤其是X射線晶體學(xué)這一部分，涉及到高等數(shù)學(xué)、微積分、物理化學(xué)等多方面的知識(shí)。

2.具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容空白或偏少。材料分析測(cè)試方法是一門實(shí)驗(yàn)課，實(shí)踐性很強(qiáng)。學(xué)習(xí)過(guò)程中理論知識(shí)和原理比較抽象，而實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容基本空白，缺乏儀器使用的具體操作和使用方法的介紹，以及檢測(cè)樣品制備的詳細(xì)說(shuō)明，實(shí)用性欠缺。然而材料分析測(cè)試方法課程中涉及到的儀器XRD，SEM（掃描電鏡），TEM（透射電鏡）往往都是大型精密儀器，在許多高校往往只有1～2臺(tái)，且都承擔(dān)著繁重的科研任務(wù)，許多教師使用都需要排隊(duì)或者預(yù)約，所以很難做到讓大量的本科生獨(dú)自操作摸索或者人手一臺(tái)，因此也只能是教師演示操作，學(xué)生進(jìn)行觀摩實(shí)驗(yàn)，這也往往會(huì)降低學(xué)生對(duì)該課程的興趣和認(rèn)知。

三、課程的改革與創(chuàng)新

基于該課程上面提到的諸多問(wèn)題和困難，本著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的初衷，結(jié)合學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知水平對(duì)材料近代分析測(cè)試方法課程進(jìn)行改革和探討。

1.選擇適當(dāng)?shù)慕滩?。一本好的教材可以在很大程度上提高教學(xué)質(zhì)量，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。選擇合適的教材，并結(jié)合學(xué)生本身所掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系以及目前的認(rèn)知情況，選用內(nèi)容與本學(xué)院的儀器情況符合度高、理論知識(shí)全面、操作步驟和實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)、與時(shí)俱進(jìn)的優(yōu)秀教材。

所選教材為周玉主編的《材料分析測(cè)試技術(shù)》第三版，參考資料選用的是《材料現(xiàn)代測(cè)試分析方法》，由清華大學(xué)出版社出版，劉慶鎖主編，兩本教材內(nèi)容之間有一定的互補(bǔ)作用，可以查缺補(bǔ)漏，相互補(bǔ)充，能夠使學(xué)生很好地理解材料近代分析測(cè)試方法這門課程的主要內(nèi)容。所選用的教材從儀器原理、使用方法、樣品制備技術(shù)及儀器使用范圍等方面詳細(xì)介紹了X射線衍射（XRD，X-Ray Diffraction）的性質(zhì)，衍射方向，強(qiáng)度，分析測(cè)試方法，透射電子顯微鏡（TEM，Transmission Electron Microscope）和掃描電子顯微鏡（SEM，Scaning Electron Mircoscope）的原理和使用方法等，X射線光電子能譜（EDS）、熱重分析（TGA）、差熱分析（DTA）及差示掃描量熱分析（DSC）等近代材料分析測(cè)試方法。教材內(nèi)容條理清晰，邏輯性強(qiáng)，重點(diǎn)突出，一方面使得學(xué)生拓寬了知識(shí)面和視野，另一方面也為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)期間用到的表征分析方法打下基礎(chǔ)。

2.改進(jìn)教學(xué)方法?；谠撜n程涉及到的概念、原理、公式等專業(yè)知識(shí)較深，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解較困難，儀器結(jié)構(gòu)和操作較抽象等問(wèn)題，本課程需要改進(jìn)教學(xué)方法，采用新的教學(xué)手段。隨著科技的發(fā)展，電腦等高科技設(shè)備已深入教育體系，教學(xué)手段也從板書轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w教學(xué)。而多媒體課件可以采用3D動(dòng)畫、圖片、視頻、輔助文字等多種表達(dá)方式，對(duì)該課程涉及到的儀器的結(jié)構(gòu)、原理等方方面面進(jìn)行更生動(dòng)更清晰的展示，可以大大提高教學(xué)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。endprint

另外，課堂上教師要與學(xué)生進(jìn)行積極的互動(dòng)。在課堂上教師進(jìn)行隨堂提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，相互之間進(jìn)行討論，并大膽發(fā)言，在每一種儀器相關(guān)原理和概念介紹完成后布置相應(yīng)的作業(yè)，檢查學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的掌握程度。另外為提高學(xué)生的興趣，課堂上可以介紹一些檢測(cè)方法背后的小故事或者與實(shí)際密切相關(guān)的小內(nèi)容。如X射線的發(fā)明人，倫琴是怎樣發(fā)現(xiàn)X射線的，怎樣成為第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者的，以及X射線第一次在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是在倫敦一婦女手中的軟組織中取出了一根縫針。身體的任何部位、組織、器官都可以用X線顯示并發(fā)現(xiàn)異常。

3.開展理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。材料分析測(cè)試方法是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的課程，需要后續(xù)的實(shí)踐操作來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握情況。開展該課程的目的之一是培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際過(guò)程中進(jìn)行分析測(cè)試的能力，使用操作儀器的能力，為學(xué)生接下來(lái)參加開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的正常進(jìn)行提供重要的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)學(xué)生前期的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠根據(jù)需求選擇正確的分析測(cè)試方法。為保證理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，本課程可以分為理論部分和實(shí)驗(yàn)部分。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程改革的重要環(huán)節(jié)，也是材料分析方法課研究性教學(xué)的載體，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維具有十分重要的意義。

教師要基于學(xué)校的教學(xué)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)數(shù)，開展實(shí)驗(yàn)課，理論教師與實(shí)驗(yàn)教師共同編寫實(shí)驗(yàn)講義，叮囑學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行預(yù)習(xí)，并將理論課上沒(méi)有的一些注意事項(xiàng)及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟、對(duì)應(yīng)的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)講解和演示，讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在的接觸到儀器，加深學(xué)生的理解。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，要提高材料近代分析測(cè)試方法課程的教學(xué)質(zhì)量，需要教師本身帶著認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，選擇合適的教材，結(jié)合多媒體教學(xué)在原有的教學(xué)方法上進(jìn)行教學(xué)改革，彌補(bǔ)不足，開展理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力，使得學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)靈活地應(yīng)用于實(shí)際，為學(xué)生以后的全面發(fā)展和綜合素質(zhì)的提高打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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