《材料分析方法》教學(xué)思考

張 艷 李方杰 郭隱犇 徐書(shū)生

（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院 上海 201620）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，材料分析方法課程于二十世紀(jì)末出現(xiàn)在材料類專業(yè)高等教育中，并逐步發(fā)展成為一門專業(yè)主干課程。目前，我國(guó)多數(shù)普通高等工科院校的材料相關(guān)專業(yè)均設(shè)置了該課程或相似課程。與其他科技領(lǐng)域一樣，半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)也有其本身特色的檢測(cè)與分析研究。半導(dǎo)體領(lǐng)域是介于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用之間的交叉邊緣，也是一個(gè)跨學(xué)科（半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體化學(xué)，材料科學(xué)，各種實(shí)驗(yàn)科學(xué)和技術(shù)等）的交叉學(xué)科邊緣，所包含的范圍很廣泛。由此可見(jiàn)，為了保證材料能用于器件，而器件又滿足實(shí)際應(yīng)用要求，材料分析和檢測(cè)工作是不可或缺的。

本課程具有知識(shí)覆蓋面廣，學(xué)科交叉性強(qiáng)；理論性強(qiáng)；實(shí)操要求高；某些章節(jié)過(guò)于抽象四大特點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)教學(xué)方式和方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1 教學(xué)內(nèi)容安排方式及組織實(shí)施

正是由于學(xué)科與多學(xué)科交叉，與現(xiàn)今科學(xué)聯(lián)系緊密，故更新極為迅速。課程內(nèi)容主要介紹材料分析測(cè)試方法，按照分析結(jié)果進(jìn)行分類：組織形貌所用的光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等；物相分析所用的X射線衍射儀和電子衍射分析；成分分析所用的測(cè)試手段有能譜儀、X射線光電子譜和俄歇電子能譜等。采用該種分類方式能夠?qū)Χ喾N測(cè)試手段進(jìn)行有效歸納，條理性更為清晰。

采用多媒體教學(xué)、案例討論相結(jié)合的教學(xué)模式和方法進(jìn)行講授。用文本案例或影像資料重現(xiàn)真實(shí)情況，讓學(xué)生在案例的分析、解決過(guò)程中形象的感受分析測(cè)試方法，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的分析幫助學(xué)生融會(huì)貫通，掌握運(yùn)用理論剖析問(wèn)題的方法。通過(guò)傳授最新的科學(xué)理論和科學(xué)技術(shù)，以培養(yǎng)“愛(ài)崗、敬業(yè)”的專業(yè)技術(shù)人才，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的加過(guò)情懷和使命。

2 教學(xué)理念方面

好的大學(xué)課程，應(yīng)能夠結(jié)合學(xué)科特色，融匯特色方法，將知識(shí)的掌握與能力的訓(xùn)練妥善的整合為一體，突破傳統(tǒng)知識(shí)灌輸式教學(xué)的禁錮。更為重要的是通過(guò)教學(xué)互動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生領(lǐng)悟隱藏課堂講授背后的“思政元素”“科學(xué)素養(yǎng)”，從而使得課堂不僅成為知識(shí)的殿堂，更為德的指南。

3 教學(xué)方法手段

（1）在教學(xué)方法方面：由于課程涉及到全新的理論知識(shí)，知識(shí)辨識(shí)度不高、易混淆，且難度也較大，這時(shí)學(xué)生心理上難免會(huì)產(chǎn)生一定的疲倦感和畏懼感。

根據(jù)課程的特點(diǎn)，采用在教學(xué)方法上可以選擇以案例啟發(fā)式引出課程內(nèi)容。例如，從我國(guó)五千年源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的中華文化引入教學(xué)。古文物是歷史印證。2000多年前漢代工匠在銅鏡上鑄刻下“中國(guó)安”“中國(guó)寧”“中國(guó)強(qiáng)”的文字，時(shí)至今日，我們看了都深深體會(huì)到五千年的中國(guó)歷史長(zhǎng)河中烙刻在每個(gè)中國(guó)人心中的“國(guó)家興亡，匹夫有責(zé)”的使命。在工匠精益求精的技藝下，銅鏡展示出來(lái)歷史文脈和鐫刻著文化自信。我們?cè)谛蕾p和驚嘆之余，如何深入了解古文物，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代科技和古代文明的溝通，以及我們當(dāng)代的人們與上古祖先的文化重逢呢？以及面對(duì)殘缺的古文物，如何與古文物對(duì)話，進(jìn)行針對(duì)性的保護(hù)修復(fù)處理？都需要借助先進(jìn)的科學(xué)儀器，例如我們將要學(xué)習(xí)的掃描電子顯微鏡。通過(guò)上述背景介紹，將課程思政融入到專業(yè)課的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定文化自信，培養(yǎng)精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的加過(guò)情懷和使命。

在課程難點(diǎn)理論部分的講解中，可以嘗試通過(guò)提出問(wèn)題——質(zhì)疑——理論講解——交流應(yīng)用活動(dòng)的教學(xué)模式。輔助動(dòng)畫(huà)模型，生動(dòng)展示各種易混淆知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)提出問(wèn)題，思考問(wèn)題，解決問(wèn)題等教學(xué)過(guò)程，結(jié)合學(xué)生觀察對(duì)比，概況歸納來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主體能動(dòng)性，讓每一個(gè)學(xué)生充分參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中來(lái)。學(xué)生在通過(guò)設(shè)置的問(wèn)題情景中，通過(guò)觀察、類比、思考、探究、概括和歸納嘗試相結(jié)合，體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)了學(xué)生由具體到抽象的科學(xué)思維能力，形成了實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)了鍥而不舍的求學(xué)精神。隨后針對(duì)課程開(kāi)始時(shí)設(shè)置的案例，進(jìn)一步進(jìn)行利用所學(xué)進(jìn)行解讀和分析，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。案例中貫穿整個(gè)課程，從而對(duì)整個(gè)課程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)課堂思政。

多媒體課件的設(shè)計(jì)方面：通過(guò)多媒體輔助動(dòng)畫(huà)的形式，生動(dòng)的解釋了理論過(guò)程，吸引學(xué)生注意力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握。

（2）案例引用：在教學(xué)過(guò)程中引入案例，結(jié)合章節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)情景案例，并運(yùn)用視頻、圖片等多媒體資料豐富案例內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)案例的觀看、分析、討論，使學(xué)生形象、直觀地感受專業(yè)知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

例如：集成電路產(chǎn)業(yè)是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，也是中國(guó)當(dāng)前需要重點(diǎn)突破的“卡脖子”領(lǐng)域。3月5日，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，要打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，促進(jìn)科技創(chuàng)新與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。我們同學(xué)們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)，芯片生產(chǎn)過(guò)程可以分成3個(gè)部分，分別是芯片設(shè)計(jì)、芯片制造和封裝測(cè)試。隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在MEMS/微系統(tǒng)中，封裝可能比芯片制造更加困難，成本可能上升為70%～90%；封裝已經(jīng)成為新器件商業(yè)化的瓶頸。器件失效中，約有1/3與封裝有關(guān)。我們需要發(fā)揮艱苦奮斗，自力更生的精神突破“卡脖子”問(wèn)題。同時(shí)，作為電子封裝專業(yè)的同學(xué)們，更要掌握先進(jìn)的分析手段，能夠準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品的失效問(wèn)題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，從點(diǎn)點(diǎn)滴滴做起。我們所學(xué)習(xí)的掃描電子顯微分析技術(shù)可以有效觀測(cè)不同的缺陷導(dǎo)致的失效，例如無(wú)鉛焊料的錫晶須，引線鍵合過(guò)程中的金線斷路，目前高端芯片封裝中倒裝焊中焊接頭斷裂等。通過(guò)上述背景介紹，引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定培養(yǎng)精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的加過(guò)情懷和使命。

（3）教學(xué)課堂環(huán)節(jié)多樣化：學(xué)生以課前演講、案例分析和小組討論的方式參與課堂教學(xué)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體；學(xué)生積極參與課堂討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問(wèn)題和困惑。還可以結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，制作線上小視頻供學(xué)生課下學(xué)習(xí)復(fù)習(xí)，課堂上學(xué)生小組可以通過(guò)課堂搶答、提問(wèn)等方式對(duì)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，對(duì)于學(xué)生在提問(wèn)和回答中出現(xiàn)的問(wèn)題，老師及時(shí)糾錯(cuò)和解答，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有利于學(xué)生消化、吸收學(xué)習(xí)內(nèi)容，鞏固專業(yè)知識(shí)。

（4）重視實(shí)踐環(huán)節(jié)：針對(duì)該課程缺乏實(shí)踐教學(xué)，均以理論介紹為主。更需要將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。本課程可與專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行配套學(xué)習(xí)。課程講授理論知識(shí)，綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作。本課程實(shí)驗(yàn)可以與其他相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)。例如，電子封裝中涉及到封裝體的表征測(cè)試以及可靠性研究，這就需要借助掃描電子顯微鏡等進(jìn)行形貌分析。如圖1所示，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)金絲球焊第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)的形貌。通過(guò)相關(guān)課程的聯(lián)動(dòng)，有利于讓學(xué)生對(duì)整個(gè)專業(yè)的知識(shí)構(gòu)架有清晰認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。此外，學(xué)生可以在各種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目中對(duì)本課程進(jìn)行實(shí)踐，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。

圖1：金絲球焊第一焊點(diǎn)（a）和第二焊點(diǎn)（b）的形貌

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容合理安排和組織實(shí)施，將學(xué)科特點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，提高《材料分析方法》課程的教學(xué)質(zhì)量，幫助學(xué)生建立一個(gè)完整的材料分析方法的知識(shí)體系，以材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)為主線，通過(guò)原理介紹、研究實(shí)例分析和綜合項(xiàng)目訓(xùn)練，使學(xué)生在掌握材料表征技術(shù)的基礎(chǔ)上，了解材料研究過(guò)程的一般性思維與方法，使學(xué)生切實(shí)掌握半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的基本原理，掌握不同測(cè)試技術(shù)的分析特點(diǎn)；培養(yǎng)學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用材料基本知識(shí)和分析方法解決材料制備和應(yīng)用中的科學(xué)、工程問(wèn)題。