材料現(xiàn)代分析方法課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

王 萌 馬向東 李燁文 金若其 艾于翔

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程系，北京 100083）

0 引言

材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)文明的重要里程碑。當(dāng)今社會(huì)將能源、信息和材料并列為新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能是材料科學(xué)研究的重點(diǎn)。改進(jìn)材料的微觀結(jié)構(gòu)是提高材料性能、開(kāi)發(fā)新材料的有效途徑。因此，材料學(xué)科的發(fā)展與材料分析技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著對(duì)高性能材料需求的不斷增長(zhǎng)，材料的結(jié)構(gòu)和性能表征分析技術(shù)顯得越來(lái)越重要。目前，國(guó)內(nèi)外眾多高校在材料類(lèi)本科生和研究生培養(yǎng)計(jì)劃中都開(kāi)設(shè)了材料現(xiàn)代分析方法課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代材料科學(xué)研究中常用的先進(jìn)分析技術(shù)，了解儀器工作原理、基本結(jié)構(gòu)和操作步驟，正確選用合適的分析方法解決實(shí)際科研工作中的問(wèn)題，從而為學(xué)生將來(lái)從事材料領(lǐng)域相關(guān)工作或攻讀研究生提供必備的材料測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)理論與科研技能[1]。然而，隨著先進(jìn)分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，目前常用的材料分析方法種類(lèi)多且雜，使得該課程涉及的學(xué)科面廣、理論知識(shí)抽象、實(shí)踐難度大，造成教學(xué)效果不夠理想。筆者根據(jù)該課程授課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)模式、教學(xué)方法等方面進(jìn)行和教學(xué)改革探索實(shí)踐，供讀者及相關(guān)授課教師參考指正。

1 課程內(nèi)容的設(shè)置與優(yōu)化

材料現(xiàn)代分析方法是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測(cè)試技術(shù)及其有關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)，課程內(nèi)容涉及物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等多個(gè)學(xué)科，涵蓋知識(shí)面廣，且表征分析方法眾多，如光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析、熱分析、光譜分析、質(zhì)譜分析、電化學(xué)分析等[2]。而每種分析方法都有其各自的特點(diǎn)，涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)、儀器工作原理、試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法也各不相同[3，4]。因此難以在有限的課程教學(xué)時(shí)間內(nèi)對(duì)所有分析方法進(jìn)行全面系統(tǒng)深入地介紹。筆者結(jié)合本校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃特點(diǎn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備情況，以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，將光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內(nèi)容作為本課程的主要授課內(nèi)容，其他表征方法則要求學(xué)生在其他課程、課下和相關(guān)科研訓(xùn)練環(huán)節(jié)中自主學(xué)習(xí)掌握。光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內(nèi)容看似獨(dú)立，但內(nèi)在物理基礎(chǔ)都是基于電磁輻射或粒子束與材料的相互作用?；诠鈱W(xué)顯微鏡儀器構(gòu)造和操作相對(duì)簡(jiǎn)單、學(xué)生對(duì)光學(xué)物理和金相分析相關(guān)知識(shí)熟悉度高，在本課程授課過(guò)程中，以光學(xué)顯微鏡為基礎(chǔ)，利用對(duì)比方法重點(diǎn)介紹X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等分析儀器在工作原理和儀器構(gòu)造上的異同，并詳細(xì)說(shuō)明相關(guān)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用。通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的貫穿和對(duì)比，提高了章節(jié)間的連續(xù)性和系統(tǒng)性，幫助學(xué)生準(zhǔn)確掌握理論框架，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。

2 教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

材料現(xiàn)代分析方法是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的一門(mén)課程，除了掌握基本結(jié)構(gòu)和工作原理之外，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)正確選用合適的分析方法以解決實(shí)際材料研究工作中的問(wèn)題[5]。在早年授課過(guò)程中，學(xué)生普遍反映課程理論知識(shí)難度高、微觀原理較抽象、對(duì)相關(guān)儀器和操作方法無(wú)法形成具象認(rèn)知。針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自2018年開(kāi)設(shè)了材料現(xiàn)代分析技術(shù)綜合實(shí)踐選修課程，旨在使學(xué)生能運(yùn)用材料現(xiàn)代分析技術(shù)的基本理論，通過(guò)實(shí)際操作掌握材料分析的基本實(shí)驗(yàn)方法。配合材料現(xiàn)代分析方法的三個(gè)板塊的授課內(nèi)容，實(shí)踐課程將45號(hào)鋼和GCr15軸承鋼作為實(shí)驗(yàn)樣品，要求學(xué)生自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行儀器操作和測(cè)試，完成樣品熱處理—性能測(cè)試—結(jié)構(gòu)表征整體過(guò)程，提交實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告。具體內(nèi)容涉及使用高溫爐進(jìn)行熱處理，使用金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，使用X射線衍射儀和Jade軟件進(jìn)行樣品成分和結(jié)構(gòu)分析，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀測(cè)，使用硬度測(cè)試儀進(jìn)行硬度分析。在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生能夠真正應(yīng)用所學(xué)的表征方法和手段去解決具體實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，在提高創(chuàng)新意識(shí)的同時(shí)可鍛煉動(dòng)手能力。從教學(xué)效果來(lái)看，學(xué)生參與實(shí)踐課程的積極性較高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，對(duì)相關(guān)表征儀器的工作原理、操作步驟和數(shù)據(jù)分析認(rèn)識(shí)加深，更加準(zhǔn)確地把握了理論課程的基礎(chǔ)知識(shí)框架。

3 教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

3.1 案例式教學(xué)

針對(duì)本課程涉及的各種測(cè)試方法的工作原理、儀器結(jié)構(gòu)及在材料分析中的應(yīng)用，采用案例式教學(xué)方法，通過(guò)具體的科研實(shí)例和工程實(shí)例分享及表征測(cè)試結(jié)構(gòu)的分析探討，突出理論與實(shí)際的聯(lián)系。例如，在講解X射線衍射時(shí)，以學(xué)生熟知的珠光體為例，利用常規(guī)化學(xué)分析方法無(wú)法說(shuō)明每種元素的存在狀態(tài)，而X射線衍射分析方法則可分析出碳元素的存在狀態(tài)，從而幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到X射線衍射在物相分析上的重要作用。在講解電子顯微分析技術(shù)時(shí)，通過(guò)結(jié)合科學(xué)研究最新進(jìn)展，展示粉筆灰、頭發(fā)、血小板細(xì)胞、SARS病毒和2019-nCoV病毒等材料的掃描電鏡圖片，吸引學(xué)生的目光，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)展示不同熱處理下鎂鋁合金拉伸后斷面的掃描電鏡微觀形貌照片，幫助學(xué)生理解微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響；通過(guò)展示位錯(cuò)線、層錯(cuò)像、第二相粒子等晶體缺陷的透射電鏡圖片，讓學(xué)生對(duì)這些十分抽象的晶體學(xué)理論概念形成具象認(rèn)識(shí)。

3.2 啟發(fā)式教學(xué)

在授課過(guò)程中通過(guò)啟發(fā)、誘導(dǎo)、提問(wèn)、設(shè)問(wèn)和反問(wèn)等互動(dòng)方式，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，啟發(fā)學(xué)生自主進(jìn)行思考。在講解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，引入相關(guān)研究背景和最新科研成果進(jìn)展的介紹，增加與學(xué)生互動(dòng)、與其他課程相關(guān)內(nèi)容互動(dòng)的環(huán)節(jié)，使學(xué)生更好地理解相關(guān)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。例如，在介紹電子顯微學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，首先通過(guò)互動(dòng)提問(wèn)引發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)有光學(xué)顯微分析技術(shù)在材料領(lǐng)域研究中的應(yīng)用和局限性，提出問(wèn)題，將前期學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行回憶和串聯(lián)，并由此引申，帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧電子顯微技術(shù)的發(fā)展歷史，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到電子顯微技術(shù)對(duì)當(dāng)今科技發(fā)展和材料領(lǐng)域研究的重要性。在透射電子顯微鏡的儀器結(jié)構(gòu)介紹時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生尋找光學(xué)顯微鏡和透射電鏡的儀器結(jié)構(gòu)的異同，加深學(xué)生對(duì)透射電鏡儀器結(jié)構(gòu)和工作原理的認(rèn)識(shí)和理解。

3.3 融入課程思政元素

通過(guò)將材料表征方法發(fā)展歷程、國(guó)內(nèi)外科學(xué)家故事、目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)表征儀器發(fā)展現(xiàn)狀等思政元素多元化、“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”地融入教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)思維，樹(shù)立學(xué)生的民族自豪感和使命感。從課程講授、課堂討論互動(dòng)、課后作業(yè)三個(gè)方面進(jìn)行課程思政的探索和實(shí)踐。例如在課程講授過(guò)程中，通過(guò)勞厄發(fā)現(xiàn)X射線的衍射特性，到布拉格父子設(shè)計(jì)X射線光譜儀并應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)研究的介紹，向?qū)W生展示科學(xué)研究者所應(yīng)具備的探索和創(chuàng)新精神；通過(guò)電子顯微鏡的發(fā)明歷史介紹，向?qū)W生展示基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相輔相成的關(guān)系，提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的重視，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣；通過(guò)白春禮院士研制我國(guó)第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡CSTM-9000的故事，學(xué)習(xí)科學(xué)家精神，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷。在課堂討論互動(dòng)中，通過(guò)2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)冷凍電鏡技術(shù)發(fā)明者之一的理查德·亨德森的研究經(jīng)歷，向?qū)W生展示在熟悉的研究領(lǐng)域要敢于突破創(chuàng)新，接受新技術(shù)新思想并將之巧妙結(jié)合利用；通過(guò)新冠肺炎病毒檢測(cè)方法的不斷完善和進(jìn)步，向?qū)W生展示科技的進(jìn)步對(duì)人類(lèi)健康安全的重大意義和學(xué)習(xí)現(xiàn)代表征方法的重要性，提高學(xué)生的民族自信心，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。在課后作業(yè)方面，通過(guò)讓學(xué)生調(diào)研最新電子顯微技術(shù)和相關(guān)儀器聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技創(chuàng)新的重要性，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)熱情，樹(shù)立“勇于攻堅(jiān)克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競(jìng)爭(zhēng)和未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)”的奮斗目標(biāo)。

3.4 采用多種教學(xué)手段

通過(guò)多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，充分利用多媒體教學(xué)手段，提高教學(xué)效率。例如，制作視頻動(dòng)畫(huà)對(duì)X射線與物質(zhì)的相互作用、電子與物質(zhì)的相互作用進(jìn)行說(shuō)明，增加直觀性，幫助學(xué)生理解這些抽象的物理過(guò)程，提高課堂趣味性；通過(guò)多媒體播放各種分析圖譜和處理方法，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；利用視頻動(dòng)畫(huà)對(duì)X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等的儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方法進(jìn)行解析和演示，對(duì)課本和PPT教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的豐富和補(bǔ)充；通過(guò)實(shí)際儀器分析視頻播放或材料制備分析視頻播放，使學(xué)生形成更加直觀的印象，加深學(xué)生對(duì)這些材料分析技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

材料現(xiàn)代分析方法是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的主干課程，針對(duì)授課過(guò)程中遇到的問(wèn)題，筆者進(jìn)行了課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐。在教學(xué)內(nèi)容方面，首先結(jié)合我校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行了課程知識(shí)點(diǎn)的梳理優(yōu)化，將課程內(nèi)容系統(tǒng)分為三大板塊，幫助學(xué)生理清課程學(xué)習(xí)思路。在教學(xué)模式方面，除理論授課外，我校設(shè)置了材料現(xiàn)代分析技術(shù)綜合實(shí)踐作為配套實(shí)驗(yàn)選修課程，根據(jù)理論知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，在學(xué)生自主設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征的過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，全方面培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和綜合素質(zhì)。在教學(xué)方法方面，通過(guò)應(yīng)用案例式、啟發(fā)式、互動(dòng)式等教學(xué)方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；通過(guò)融入課程思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感和使命感；通過(guò)多種教學(xué)手段的應(yīng)用，將理論學(xué)習(xí)與動(dòng)畫(huà)、視頻演示相結(jié)合，加深了學(xué)生的直觀印象，強(qiáng)化了教學(xué)效果。該課程取得了良好的教學(xué)實(shí)踐效果，對(duì)培養(yǎng)具有基礎(chǔ)科研技能的研究型和應(yīng)用型人才起到重要作用。