《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)改革

吳杰　遲靜　張強　王新震

【摘 要】本文針對學(xué)生不重視實驗教學(xué)，不能利用大型儀器設(shè)備對材料微觀組織結(jié)構(gòu)進行有效分析的現(xiàn)狀，探討了《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)改革的方法。

【關(guān)鍵詞】材料分析測試技術(shù)；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號： G642.4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0060-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.025

【Abstract】Because the students do not attach importance to experimental teaching，and can not use large-scale instruments to effectively analyze material microstructure，this paper is aimed to explore the methods of experimental teaching reform of 《material analysis and testing technology》.

【Key words】Material analysis and testing technology；Experimental teaching；Educational reform

0 引言

《材料分析測試技術(shù)》是為金屬材料科學(xué)與工程、無機非金屬材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)必修課程，重點講授X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子探針（EPMA）、熱分析等大型儀器設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)、操作方法及數(shù)據(jù)分析處理方法[1]。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析檢測方法，進而分析材料微觀組織結(jié)構(gòu)的形成機理，改善工藝，發(fā)展新材料。

《材料分析測試技術(shù)》是一門實踐性很強的課程，需要通過實驗教學(xué)加強對理論知識的理解，促使學(xué)生掌握不同分析測試技術(shù)的功能、特點，在對材料進行分析表征時能夠根據(jù)需要正確的選擇分析測試方法，并能綜合利用儀器設(shè)備對材料組織結(jié)構(gòu)進行表征，為后續(xù)的課程設(shè)計、綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。該課程的學(xué)習(xí)結(jié)束以后，學(xué)生能夠掌握各大型儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，但不會操作設(shè)備，不能對檢測數(shù)據(jù)進行有效分析，更達不到綜合利用各儀器設(shè)備對材料進行分析的要求。究其原因，主要在于以下幾個方面：第一，《材料分析測試技術(shù)》所涉及設(shè)備都是大型儀器，由于設(shè)備臺套數(shù)少，學(xué)生動手操作機會少，難以真正掌握儀器操作方法；第二，課程所開設(shè)的實驗為驗證性和演示性實驗，實驗內(nèi)容相對獨立，缺少關(guān)聯(lián)性，既不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又不能培養(yǎng)學(xué)生綜合運用儀器設(shè)備分析實際問題的能力；第三，實驗成績考核以實驗報告為主，這種單一的考核方式忽略了對實驗過程的考核，也不能體現(xiàn)出學(xué)生的能力差異，學(xué)生對實驗課程不重視，容易出現(xiàn)實驗報告抄襲現(xiàn)象。因此，為培養(yǎng)學(xué)生的儀器操作能力和綜合利用儀器設(shè)備分析解決問題的能力，需要對《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)進行改革。

實驗教學(xué)是《材料分析測試技術(shù)》課程的重要組成部分，集實踐性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性于一體[2]，本文針對學(xué)生不重視實驗教學(xué)，不能利用大型儀器設(shè)備對材料組織結(jié)構(gòu)進行有效分析的現(xiàn)狀，對《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)進行改革，這對于提高學(xué)生的實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)材料分析的需要正確選擇現(xiàn)代分析檢測設(shè)備和綜合分析問題的能力，具有重要意義。

1 《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)改革

1.1 《材料分析測試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺與虛擬操作平臺的使用

為使學(xué)生掌握各大型儀器設(shè)備的使用，我們建立了《材料分析測試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺，該平臺含儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)分析軟件、典型案例和相互交流模塊[3]。儀器設(shè)備模塊由學(xué)生介紹XRD、SEM、EPMA、熱分析儀等設(shè)備構(gòu)造、基本工作原理、樣品制備方法、儀器操作過程的視頻組成。數(shù)據(jù)分析軟件模塊由學(xué)生介紹Jade、Origin等常用軟件功能和使用方法的視頻組成。典型案例模塊主要介紹綜合運用各儀器設(shè)備表征材料微觀組織結(jié)構(gòu)的案例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)儀器設(shè)備選擇和使用的同時，理解各儀器設(shè)備的局限性。相互交流模塊為學(xué)生和老師提供相互交流的平臺，學(xué)生可以就學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，和老師、同學(xué)進行交流。學(xué)生在開展實驗前，可以在網(wǎng)絡(luò)平臺上自主地學(xué)習(xí)、交流，為后續(xù)的實驗教學(xué)打下基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為我們提供了獲取信息的可能性，通過網(wǎng)絡(luò)提供的虛擬操作平臺，可以使學(xué)生形象地學(xué)習(xí)各儀器設(shè)備的操作方法。比如澳大利亞微結(jié)構(gòu)分析中心開放性主頁上的虛擬操作平臺可提供XRD、SEM、EPMA等儀器設(shè)備的虛擬操作[4]。通過現(xiàn)場演示并指導(dǎo)學(xué)生實際操作該虛擬平臺，能夠使學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)各儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方法。以SEM為例，通過觀看SEM電子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、二次電子和背散射電子信號接收方式、電子束在樣品上掃描方式與電子顯微圖像的關(guān)系等3D動畫，可加深對SEM構(gòu)造和工作原理的理解；通過在二次電子、背散射電子模式下的虛擬操作，可掌握SEM的表面形貌襯度原理和原子序數(shù)襯度原理，并理解兩種成像模式的區(qū)別；通過樣品顯微圖像放大倍數(shù)調(diào)整、選區(qū)分析、亮度和對比度調(diào)整、像散消除等虛擬操作，可形象地掌握SEM設(shè)備的使用方法。如果學(xué)生能夠通過虛擬平臺完成相關(guān)虛擬軟件的操作，則可以顯著提高其動手能力，加深對理論知識的理解。

1.2 綜合性實驗教學(xué)改革

改革前，《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)內(nèi)容包括：X射線衍射物相定性分析、掃描電子顯微鏡表面形貌觀察與能譜分析、透射電鏡用金屬薄片的制備、DSC與熱重分析，這4個實驗均為驗證性、演示性實驗，相互獨立，缺少關(guān)聯(lián)性，雖能加強學(xué)生對理論知識的理解，但學(xué)生體會不到如何綜合運用大型儀器設(shè)備對材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進行分析檢測。

為提高學(xué)生綜合利用各儀器設(shè)備分析問題的能力，我們將驗證性實驗改為綜合性實驗。根據(jù)學(xué)院老師的科研項目和企業(yè)需求，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿[5]，確定了近20個綜合性實驗項目，學(xué)生5～6人組成一個小組，可以根據(jù)興趣進行選擇。由于時間關(guān)系，實驗樣品及樣品性能由老師提供，學(xué)生要綜合運用各儀器設(shè)備完成樣品微觀組織結(jié)構(gòu)的表征，并分析樣品制備條件與微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，完成綜合性實驗報告。例如 “多孔（TiB2+TiC）/NiAl復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)與性能” 實驗項目，學(xué)生要利用XRD分析樣品的物相組成，計算不同制備條件下TiB2和TiC的含量；利用SEM表征多孔材料的孔型結(jié)構(gòu)，分析孔徑大小、孔隙率對樣品抗壓強度的影響；利用TEM中的電子衍射鑒別TiB2和TiC的形態(tài)；結(jié)合XRD、SEM和TEM結(jié)果，考察TiB2和TiC的含量、形貌、顆粒大小對樣品抗壓強度的影響規(guī)律并分析原因；在完成該實驗項目的過程中，學(xué)生既能體會到大型儀器的綜合應(yīng)用，又能理解各分析檢測方法的局限性；實驗結(jié)果的分析還涉及到材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能等理論知識，學(xué)生要查閱文獻和相關(guān)書籍，才能完成實驗報告。通過綜合性實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力和綜合運用大型儀器設(shè)備分析問題、解決實際問題的能力。

1.3 考核方式改革

為提高學(xué)生做實驗的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和分析解決問題的能力，改變根據(jù)實驗報告進行評價的考核方式，考核包括操作考核、過程考核和綜合實驗報告考核，對應(yīng)的考核成績分別占總成績的30%、30%和40%。

操作考核主要考核學(xué)生制備樣品、動手操作儀器設(shè)備和處理實驗數(shù)據(jù)的能力。比如X射線衍射儀，學(xué)生要掌握粉末樣品和塊狀樣品的制備方法，了解粉末粒度和樣品狀態(tài)對XRD曲線的影響；掌握樣品測試方法和實驗參數(shù)的設(shè)定方法，包括掃描角度、掃描速度、X射線管電壓和電流的設(shè)定等；能夠利用Jade、Origin軟件處理實驗數(shù)據(jù)，標(biāo)定衍射峰的衍射指數(shù)及所屬物相。受設(shè)備臺套數(shù)、實驗時間、教師數(shù)量等因素的限制，不可能讓每一名學(xué)生完成所有儀器設(shè)備的操作考核。我們將操作考核的內(nèi)容分解為若干小題目，通過現(xiàn)場抽簽的方式，學(xué)生抽取1～2個題目進行考核；由于事先不確定考核內(nèi)容，學(xué)生只有全面準(zhǔn)備才能順利通過考核。

加強過程考核才能引起學(xué)生對實驗教學(xué)的重視程度，過程考核包括《材料分析測試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬操作平臺的使用情況、綜合實驗過程中的表現(xiàn)，重點考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、開展實驗的積極性和參與程度、能否積極主動地解決遇到的問題、能否和小組內(nèi)的同學(xué)進行合理分工和團結(jié)協(xié)作。對于學(xué)生在實驗過程中表現(xiàn)出來的自主學(xué)習(xí)、勇于接受挑戰(zhàn)和創(chuàng)新精神，要給予充分肯定，鼓勵學(xué)生多動手、多思考，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和實踐能力。

實驗報告主要考察綜合性實驗的完成質(zhì)量，考核實驗方案設(shè)計是否合理、研究思路是否清晰、實驗實施過程是否細節(jié)嚴(yán)密、實驗結(jié)果是否正確、理論分析是否有邏輯性、實驗報告書寫是否規(guī)范，重點考察學(xué)生根據(jù)實際需要正確選擇儀器設(shè)備對材料微觀組織結(jié)構(gòu)進行表征的能力、正確處理實驗數(shù)據(jù)的能力以及通過實驗結(jié)果解決實際問題的能力。由于一個小組提交一份實驗報告，報告內(nèi)容要能體現(xiàn)參與人員的分工與合作，以便根據(jù)貢獻大小評出不同的成績。

2 實施效果

《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)改革的效果體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提高了學(xué)生對實驗教學(xué)的重視程度。由于成績考核注重操作考核和過程考核，學(xué)生必須參與實驗過程，學(xué)會設(shè)備操作和數(shù)據(jù)處理，才能通過考核，改變了以往不重視實驗的狀況，有利于實驗教學(xué)的順利開展。

（2）提高了學(xué)生的動手能力。通過《材料分析測試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺和虛擬操作平臺的使用，參與綜合性實驗，學(xué)生掌握了樣品制備方法、常用儀器設(shè)備的操作過程和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件的使用方法，提高了實踐能力。

（3）學(xué)生綜合分析問題能力得到了提高。在完成綜合性實驗的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生綜合使用各儀器設(shè)備對材料進行表征的能力；實驗結(jié)果分析涉及到材料科學(xué)基礎(chǔ)、固態(tài)相變原理、材料力學(xué)性能和物理性能等理論知識的運用，鍛煉了學(xué)生綜合分析解決實際問題的能力。

（4）培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作意識。綜合性實驗包括文獻調(diào)研、實驗方案設(shè)計、樣品表征、數(shù)據(jù)處理、理論分析等多個環(huán)節(jié)，實驗實施過程中的分工與合作可培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作意識。

3 結(jié)束語

通過建立《材料分析測試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺、使用虛擬操作平臺、實施綜合性實驗、改變考核方式，對《材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)進行改革，著重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)備操作能力、數(shù)據(jù)分析處理能力以及綜合運用儀器設(shè)備和理論知識對材料進行分析表征的能力，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

【參考文獻】

[1]周玉.材料分析方法（第三版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]何峰，馮小平，謝峻林.材料專業(yè)設(shè)計性實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗室科學(xué)，2012（2）：9-12.

[3]吳杰，遲靜，張強，田秀娟.材料微觀組織結(jié)構(gòu)資源庫與網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)[J].科技視界，2016（3）：53-55.

[4]http：//www.ammrf.org.au/myscope.

[5]劉海輝，張興祥，宋俊，趙義平.材料科學(xué)與工程專業(yè)綜合設(shè)計型實驗在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用[J].教育教學(xué)論壇，2017（24）：275-276.