布拉格方程在實(shí)際工程分析中的應(yīng)用

熊焰++秦歡++何遙

摘要：在現(xiàn)當(dāng)代本科材料專業(yè)教學(xué)中，大量理論知識(shí)的傳授仍占主導(dǎo)地位。學(xué)生們已不滿足于單純的理論教學(xué)模式，他們對(duì)新鮮事物的好奇心與求知欲就顯得尤為突出。我國(guó)高等教育正在全面推進(jìn)素質(zhì)教育，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才。而以往傳統(tǒng)的教學(xué)模式對(duì)優(yōu)秀學(xué)生的培養(yǎng)存在欠缺的地方。現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)這門(mén)課程，由于其內(nèi)容抽象，物理學(xué)基礎(chǔ)復(fù)雜，單純的理論教學(xué)效果不甚明顯。所以要改變這種狀況，首先要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將理論知識(shí)與獨(dú)立思考、解決問(wèn)題相結(jié)合，不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，而且還培養(yǎng)了其主動(dòng)思考的能力。將科研融入教學(xué)不僅是一種有效的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學(xué)和科學(xué)的有益探索。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；理論知識(shí)；實(shí)踐結(jié)合

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）02-0201-02

一、前言

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)不僅僅是材料科學(xué)本科教學(xué)的核心，更是日后學(xué)生接觸各種科研工作高頻使用儀器的基礎(chǔ)。無(wú)論是讀研繼續(xù)深造，還是步入社會(huì)參加工作，這門(mén)課程的重要性都是不言而喻的。但目前該學(xué)科的教材中，除了包含了大量晦澀難懂的文字?jǐn)⑹鐾?，還存在大量的純理論公式的推導(dǎo)，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)物理功底具有很高的要求。而這一要求對(duì)于大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情無(wú)疑是一個(gè)巨大的沖擊。往往是學(xué)生有興趣學(xué)習(xí)，但苦于知識(shí)點(diǎn)的深?yuàn)W而無(wú)奈放棄。此外，即使教師對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行講解與傳授，如果不結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行具體分析，學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握也僅僅停留于表面，不能深入理解吃透知識(shí)點(diǎn)，只用來(lái)應(yīng)付平時(shí)的理論考試，而學(xué)生一旦遇到實(shí)際問(wèn)題便會(huì)“不知所措”，這一點(diǎn)對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才無(wú)疑起到了消極的作用。不能讓學(xué)生的思想停留在學(xué)習(xí)知識(shí)就只是為了應(yīng)付考試的錯(cuò)誤方向上，而要糾正他們，讓他們意識(shí)到知識(shí)用于考試，只是它的最基本的一個(gè)方面，更重要的是運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題，這才是其最重要的層面。要提倡“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，得知此事要躬行”的實(shí)踐精神。而這一點(diǎn)也是廣大學(xué)生最“貧乏”之處，高校教師應(yīng)該循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生朝著思考獨(dú)立、實(shí)踐創(chuàng)新的方向發(fā)展。

例如，我校每學(xué)期的寒暑假社會(huì)實(shí)踐學(xué)習(xí)，都會(huì)開(kāi)展“走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的相關(guān)活動(dòng)。讓學(xué)生有機(jī)會(huì)參與到科研實(shí)驗(yàn)中來(lái)，親自上手操作，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，讓儲(chǔ)備的理論知識(shí)得以應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中去。除此之外，我校還舉辦創(chuàng)新人才的培養(yǎng)活動(dòng)，如“凌云計(jì)劃”、“大學(xué)生創(chuàng)新大賽”等。這些都有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不僅有助于提高教學(xué)質(zhì)量，而且還幫助學(xué)生發(fā)展了興趣。

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程所講述的內(nèi)容，正是材料學(xué)科科研高頻使用設(shè)備，開(kāi)設(shè)此課程的目的也正是為了學(xué)生日后能在工作和學(xué)習(xí)中，運(yùn)用相關(guān)設(shè)備解決實(shí)際問(wèn)題。于是筆者結(jié)合自身科研工作，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了一次探索。

二、授課案例

授課方法：第一步，理論知識(shí)的講授，為實(shí)際操作做好基礎(chǔ)鋪墊。先給學(xué)生講述布拉格公式推導(dǎo)原理，再介紹布拉格公式的應(yīng)用，能將其與XRD圖像的分析建立聯(lián)系。第二步，用于分析XRD圖像的軟件介紹，以及使用指導(dǎo)。第三步，“演習(xí)”操作，讓學(xué)生自己嘗試操作軟件分析XRD圖像，老師進(jìn)行輔助指導(dǎo)，解疑。第四步，拋出實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生用學(xué)以致用，結(jié)合理論知識(shí)，給出合理解釋。

圖1科研樣品鎂鋁尖晶石的XRD圖像，最下方是標(biāo)準(zhǔn)試樣的圖像。要求學(xué)生解答以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）試分析圖像左偏與右偏的原因。（2）通過(guò)理論計(jì)算，證明問(wèn)題（1）分析。

2d sinθ=nλ

對(duì)于布拉格公式的推導(dǎo)，比較基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，因此學(xué)習(xí)公式推導(dǎo)對(duì)學(xué)生而言，不存在理解障礙。當(dāng)光程差是波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，衍射加強(qiáng)。這一知識(shí)點(diǎn)在高中物理中就有涉及，所以對(duì)學(xué)生而言并不陌生。

但是，如何將這個(gè)公式與XRD圖像分析結(jié)合起來(lái)，是之前所未接觸過(guò)的。首先，學(xué)生要了解XRD圖像的橫縱坐標(biāo)的含義。建立起聯(lián)系后，可根據(jù)公式進(jìn)行進(jìn)一步的分析。關(guān)鍵之處在于，如何分析解釋左偏右偏圖像中離子取代程度的大小。并且還要學(xué)會(huì)通過(guò)實(shí)際計(jì)算來(lái)驗(yàn)證理論分析的結(jié)果。

在此過(guò)程中，就引入了Jade軟件。在XRD圖像分析中，Jade軟件起著舉足輕重的作用，它是分析晶體結(jié)構(gòu)、物相以及晶格常數(shù)最基本的工具。借助工具來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的目的，是順應(yīng)科技時(shí)代發(fā)展的要求，也是必然趨勢(shì)。雖然現(xiàn)在處于網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)時(shí)代，但是與社交軟件相比，學(xué)生們對(duì)這些科研軟件的使用方法知之甚少。所以在這方面的教學(xué)，出現(xiàn)的問(wèn)題比較多。首先，學(xué)生拿到圖像后不知從何下手，其次，他們不知道各個(gè)操作對(duì)應(yīng)的目的何在，更不用說(shuō)如何利用結(jié)果分析。通過(guò)一步一步的演示和講解，并結(jié)合學(xué)生親自嘗試數(shù)次實(shí)際操練后，大多數(shù)學(xué)生就可以獨(dú)立簡(jiǎn)單地運(yùn)用軟件。

通過(guò)與氧化鎂、氧化鋁的PDF卡片進(jìn)行對(duì)比分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)科研試樣的XRD圖像上會(huì)出現(xiàn)一些小雜峰，進(jìn)而引發(fā)了對(duì)雜峰成分的探討和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是一些未固溶的MgO和Al2O3和雜質(zhì)，如此使學(xué)生了解到原來(lái)XRD圖像還可以這樣分析。接下來(lái)是與標(biāo)準(zhǔn)鎂鋁尖晶石PDF卡片的對(duì)比，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)有些試樣圖像較標(biāo)準(zhǔn)試樣左偏，而有些又是相反的。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因又是什么呢？學(xué)生帶著疑惑思考，嘗試用已學(xué)習(xí)的理論知識(shí)來(lái)解釋這一特殊的現(xiàn)象。分析猜想：較標(biāo)準(zhǔn)圖像Mg2+1：1取代Al3+，左偏圖像，Mg2+取代程度偏大；同理，右偏圖像，Mg2+取代程度偏小。再通過(guò)相關(guān)實(shí)際計(jì)算，得到的最終結(jié)論驗(yàn)證了之前的分析。最后，整理結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)框架。學(xué)生們發(fā)現(xiàn)原來(lái)運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題是完全可以的，學(xué)習(xí)不是僅能停留在表面的“紙上談兵”。

通過(guò)這一題目的理解與解答，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握更加透徹，更加深刻。這也為以后其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

三、總結(jié)

學(xué)生通過(guò)對(duì)科研成果樣品的XRD圖像進(jìn)行分析，可直觀地從衍射圖上了解到圖像的左偏右偏，再將布拉格方程與該圖像相結(jié)合，來(lái)判斷晶面間距d的變化，進(jìn)而判斷物質(zhì)的成分和摻雜程度。此題將XRD圖像的實(shí)際工程分析與布拉格公式相結(jié)合，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，更加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，也為學(xué)生日后的工作、學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。這種把科研融入教學(xué)中的做法是一種新的嘗試，也是高校教師更好兼顧教學(xué)與科研的有益探索。

參考文獻(xiàn)：

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