《新材料表征技術(shù)》實驗課程教學(xué)改革與實踐*

王占紅，徐鳳廣，張　勇，王雨新，張璟朔，羅　森，唐正生

(1 鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇　鹽城　224051；2 安徽未來表面技術(shù)有限公司表面技術(shù)開發(fā)中心，安徽　合肥　230601)

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《新材料表征技術(shù)》實驗課程教學(xué)改革與實踐*

王占紅1，徐鳳廣1，張勇1，王雨新1，張璟朔1，羅森1，唐正生2

(1 鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇鹽城224051；2 安徽未來表面技術(shù)有限公司表面技術(shù)開發(fā)中心，安徽合肥230601)

《新材料表征技術(shù)》是我校為材料類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要實驗課程。針對本課程的教學(xué)特點和目前的教學(xué)現(xiàn)狀及學(xué)生的專業(yè)和就業(yè)需求，對實驗課程教學(xué)體系進(jìn)行了深入改革，不僅能夠加強學(xué)生實驗操作技能，充分鍛煉學(xué)生的勤于思考、動手實踐和勇于創(chuàng)新的能力，而且能夠提高材料類專業(yè)人才對新材料的表征分析能力和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

材料學(xué)科；大學(xué)生；新材料表征；實驗教學(xué)

新材料表征技術(shù)是關(guān)于材料的化學(xué)組成、微觀形貌、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及材料的其他性能等的表征方法、測試技術(shù)及相關(guān)理論基礎(chǔ)的實驗科學(xué)，是現(xiàn)代材料研究和應(yīng)用的重要手段和方法。新材料表征技術(shù)主要是通過新型的大型精密儀器研究各種物理化學(xué)反應(yīng)對材料微觀的組織結(jié)構(gòu)、成分等的影響，研究已從納米級、量子級等去研究材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，得出了大量的實驗分析數(shù)據(jù)，從而找出其內(nèi)在的基本規(guī)律，為材料制備和新材料的誕生提供了許多可靠的數(shù)據(jù)。這些新的測試手段的出現(xiàn)，告別了過去人們對材料的研究僅僅停留在測試其宏觀的物理、化學(xué)性質(zhì)的歷史，實現(xiàn)了材料的結(jié)構(gòu)和性能從宏觀到微觀不同層次的表征，因此這些新表征技術(shù)構(gòu)成了材料科學(xué)與工程不可或缺的組成部分，并占據(jù)著重要的地位。材料類專業(yè)的學(xué)生和未來將從事相關(guān)工作或研究的人員，必須了解各種常用的現(xiàn)代測試技術(shù)的基本原理及其在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用范圍，熟悉測試過程中的樣品制備技術(shù)及測試譜圖的解析，熟練掌握一些常規(guī)的現(xiàn)代測試分析技術(shù)[1-4]。

1　本課程現(xiàn)狀分析

《新材料表征技術(shù)》是我校材料專業(yè)的一門必修實驗課程。該課程講授內(nèi)容是關(guān)于材料的成分、結(jié)構(gòu)、組織形貌、性能等相關(guān)的表征技術(shù)，具體是介紹各種現(xiàn)代分析儀器的結(jié)構(gòu)原理和工作原理、制樣方法、圖譜數(shù)據(jù)分析及在材料研究中的應(yīng)用，該課程的教學(xué)目的是使學(xué)生在完成本課程的學(xué)習(xí)后，能正確選擇和使用有關(guān)的材料分析表征方法，了解材料分析測試相關(guān)的基本理論，掌握材料分析新方法、新技術(shù)，為培養(yǎng)21世紀(jì)應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)[5]。因此，本課程在材料科學(xué)中有著十分重要的地位。

材料類專業(yè)課的學(xué)習(xí)，必須有很多實踐環(huán)節(jié)(如實驗課、去工廠實習(xí)等)來強化課堂所學(xué)的知識，達(dá)到學(xué)以致用、理論聯(lián)系實際的目的。而過去的《新材料表征技術(shù)》的實驗項目很少，教學(xué)內(nèi)容很簡單，上課方式單一，以演示為主，對學(xué)生的要求是課后完成一份實驗報告。因此，其對學(xué)生要求低，學(xué)生也沒太多興趣，只是為了上課而上課，課堂上學(xué)習(xí)的知識也會很快遺忘，學(xué)習(xí)效果非常差。造成這一后果的原因是學(xué)生沒有去實際操作，只是看看老師的演示，所以覺得課程中所學(xué)知識很空洞，無任何實際價值，老師怎么教，學(xué)生就怎么做，學(xué)生的獨立思考能力和解決實際問題的能力得不到充分鍛煉。最重要的是，當(dāng)學(xué)生畢業(yè)之后，材料分析表征技術(shù)應(yīng)用能力和正確分析數(shù)據(jù)的能力嚴(yán)重欠缺，若從事相關(guān)的工作還要從頭學(xué)起。另外，實驗教學(xué)中講解的內(nèi)容以儀器工作原理和儀器操作演示為主，沒有突出實驗結(jié)果分析的重要性，使得學(xué)生在畢業(yè)論文、大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目等實施過程中感到很困惑，面對一大堆的實驗數(shù)據(jù)，不知該從何入手去分析，最后只能自我想象給出一些毫無意義的解釋，因此這對于人才培養(yǎng)極為不利[6]。

我校材料學(xué)科以培養(yǎng)從事材料領(lǐng)域科學(xué)研究與教學(xué)、技術(shù)開發(fā)、工藝設(shè)計等方面工作，基礎(chǔ)厚，能力強，素質(zhì)高，具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級人才為目標(biāo)。為了實現(xiàn)本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，《新材料表征技術(shù)》課程實驗項目進(jìn)行了不斷地改革與創(chuàng)新，為提高材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生對新材料表征分析的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力，與企業(yè)的實際需要對接，培養(yǎng)實踐能力強的應(yīng)用型技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。

我們根據(jù)學(xué)生就業(yè)需求和從實驗教學(xué)促進(jìn)課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)的角度出發(fā)，合理地設(shè)計了實驗項目，在保障學(xué)生掌握基本原理和實驗操作技能的基礎(chǔ)上，增加了樣品前處理過程，強調(diào)數(shù)據(jù)與圖譜分析的重要性，以不同樣品的測試結(jié)果實例不斷練習(xí)數(shù)據(jù)與圖譜分析，強化了學(xué)習(xí)效果，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，并提高了他們的綜合素質(zhì)和對知識的實際運用能力。

2　實驗項目的開設(shè)

2.1設(shè)計思路和目的

本課程實驗項目的設(shè)計思路是強調(diào)掌握大型精密儀器知識方面基本理論和基本實驗操作技能。同時，突出了樣品前處理和測試結(jié)果分析的實踐環(huán)節(jié)，注重學(xué)生實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。目的是將《新材料表征技術(shù)》課程所學(xué)到的基本理論知識與實際有機地結(jié)合在一起，提高學(xué)生對工業(yè)產(chǎn)品等進(jìn)行有效地表征和分析，促進(jìn)材料類專業(yè)大學(xué)生在材料分析工程應(yīng)用的能力。

2.2實驗項目的開設(shè)與改革

根據(jù)該課程特點、授課學(xué)生專業(yè)和學(xué)生就業(yè)需求，從實驗教學(xué)促進(jìn)課堂理論教學(xué)的角度出發(fā)，從材料的成分、物相結(jié)構(gòu)、性能測試等方面均衡考慮，合理地設(shè)計了8個實驗(具體如表1所示)。在保障學(xué)生掌握實驗原理和操作方法的基礎(chǔ)上，在實驗環(huán)節(jié)上增加了樣品的前處理過程。對實驗報告，強調(diào)數(shù)據(jù)分析方面的內(nèi)容，強化學(xué)生動手實踐和綜合運用知識能力，提高材料類專業(yè)人才化學(xué)分析能力和素質(zhì)，重在培養(yǎng)實踐能力強的應(yīng)用型技術(shù)人才。

表1　新材料表征技術(shù)課程包含的實驗項目Table 1　Experimental items of New materials characterization techniques

由表1 可以看出，前面幾個實驗如“X射線顯微成分分析、利用X射線衍射技術(shù)分析多相物質(zhì)、紫外-可見光譜的分析、紅外光譜分析”都側(cè)重于材料的成分、物相分析及內(nèi)部的基團(tuán)結(jié)構(gòu)的檢測；“掃描電鏡及其觀察”實驗主要是對樣品的表面、斷面微觀區(qū)域形貌進(jìn)行分析，該實驗項目直觀、形象，讓學(xué)生對比宏觀世界看到的物體表面和微觀形貌的區(qū)別，從而深入了解掃描電子顯微鏡在材料微觀形貌分析中的重要作用。其他幾個實驗主要是側(cè)重于材料的不同性能測試與表征，如顯微硬度測定、熱導(dǎo)率的測定和差熱分析，其中前者是樣品的一些宏觀物理力學(xué)特性；差熱分析和熱導(dǎo)率的測試都是熱學(xué)性能相關(guān)的測試。總之，這些實驗項目專業(yè)性都很強，涉及樣品測試的各個方面，覆蓋內(nèi)容較寬。每個項目在實驗前，都增加了樣品的前處理過程，如在“掃描電鏡及其觀察”實驗前，必須對樣品做脆斷、固定樣品、鍍膜等處理，這些前處理看似簡單，其實是需要一定的耐心和技巧，這部分內(nèi)容讓學(xué)生動手自己去做，對于他們自己制備的樣品置于掃描電鏡下觀察，從而得到了不同的實驗結(jié)果，讓學(xué)生先尋其原因，指導(dǎo)老師再給其補充和糾正，這能夠訓(xùn)練他們對科學(xué)實驗認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和不斷探索的精神；對于一些宏觀物理性能測試，主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和仔細(xì)觀察的能力，讓學(xué)生輪流動手去做實驗，去感受其中的樂趣，不斷提高其思考問題、解決問題的能力。另外，每一個實驗項目都有提問和討論環(huán)節(jié)，穿插在上課中，讓學(xué)生各抒己見，目的是約束學(xué)生的思維，使他們集中注意力，這極大地提高了上課效率。每個實驗課后，都要完成實驗報告一份，這是非常關(guān)鍵的，能將實驗的內(nèi)容與以前學(xué)習(xí)的理論知識緊密結(jié)合，讓學(xué)生鞏固了所學(xué)內(nèi)容，加深認(rèn)識，從而達(dá)到了良好的學(xué)習(xí)效果。

2.3實驗成績評定

實驗成績考核包括兩部分內(nèi)容，一是平時成績，主要是學(xué)生出勤及對每個實驗基本實驗技能，包括操作、回答問題、課堂討論、實驗報告等的掌握情況做出評定，占實驗成績的40%，主要側(cè)重對學(xué)生平時表現(xiàn)情況的評定。二是最終考核，占實驗成績的60%。最終考核是對學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ娜婵己耍▽嶒炘怼嶒炦^程操作能力、解決問題能力、實驗結(jié)果分析的準(zhǔn)確性和實驗報告的質(zhì)量等方面。

3　效果和特色

將該實驗體系應(yīng)用到我校材料專業(yè)學(xué)生的實驗教學(xué)中，效果明顯。就拿近幾年的本科畢業(yè)生來說，大多數(shù)學(xué)生會認(rèn)真思考做實驗的思路并與老師進(jìn)行探討，尤其是對實驗做出來的各種宏觀微觀表征進(jìn)行正確的分析和解釋。不像以前學(xué)生的畢業(yè)論文對測試圖譜解析就一兩句話，一般都是“我們從圖上可以看到××材料的××性能提高(降低)”。這說明學(xué)生不僅不具備科技論文的基本語言技能，而且看到圖片或者數(shù)據(jù)結(jié)果覺得無話可說。究其原因，一是沒有看文獻(xiàn)或者看得很少，沒抓住科技論文寫作要領(lǐng)，二是不理解實驗反應(yīng)的機理，更何談通過這些實驗現(xiàn)象解釋實驗的本質(zhì)，三是以前的實驗課程主要是以演示和教師講解為主，學(xué)生參與很少，啟發(fā)很少，所以對于學(xué)過的內(nèi)容很快就忘記了。而改革之后，學(xué)生基本都能對實驗結(jié)果做出較為合理的分析，有些甚至分析的較為深入。可見，本次實驗教學(xué)改革效果確實比較明顯，老師對其認(rèn)可度也非常高。本次實驗項目改革效果和特色總結(jié)如下：

(1)將現(xiàn)代儀器分析測試手段融入實驗教學(xué)

改革后的實驗項目將現(xiàn)代儀器分析測試手段融入實驗項目，使學(xué)生能夠接觸到很多高端的儀器，親自體驗實驗的樂趣，由于儀器對材料分析測試與傳統(tǒng)的手工化學(xué)分析相比，方便快捷，直觀生動，結(jié)果準(zhǔn)確度高，這更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并啟發(fā)他們的思維。同時，實驗也將學(xué)生專業(yè)課程的知識和實驗內(nèi)容緊密結(jié)合，提高了課程的學(xué)習(xí)效果。

(2)加強學(xué)生動手實踐能力的培養(yǎng)

改革后，添加的一些新的實驗項目，使學(xué)生能夠緊追現(xiàn)代分析測試技術(shù)最前沿的知識，提高了學(xué)生的認(rèn)識和動手實踐能力，培養(yǎng)了他們認(rèn)真踏實工作的態(tài)度，訓(xùn)練了他們對實驗研究的科學(xué)精神，對實驗數(shù)據(jù)一絲不茍的良好習(xí)慣，為企業(yè)實際需要培養(yǎng)實踐能力強的應(yīng)用型技術(shù)人才。

(3)與專業(yè)緊密結(jié)合，為培養(yǎng)專業(yè)人才做準(zhǔn)備

水泥、混凝土、陶瓷、玻璃、塑料、金屬和各種復(fù)合材料等都是材料類專業(yè)學(xué)生將來工作會經(jīng)常接觸的材料，實驗教學(xué)項目的設(shè)定與工作密切相關(guān)，極大地提高了大學(xué)生分析實際樣品材料的能力，也提高了大學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，為日后工作做好了充分準(zhǔn)備。

4　結(jié)　論

《新材料表征技術(shù)》實驗教學(xué)改革，有效地將實驗內(nèi)容和課堂所學(xué)的理論知識緊密結(jié)合，將高端的大型儀器融入試驗中，提高了我校材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生材料表征分析基礎(chǔ)知識水平和工程應(yīng)用能力，對于培養(yǎng)材料學(xué)科大學(xué)生實踐動手能力，與企業(yè)實際需要對接，培養(yǎng)實踐能力強的應(yīng)用型技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。同時，為探索如何提高材料專業(yè)本科生在材料表征的能力方面提供有益的思路，也將為培養(yǎng)能夠適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化的高級工程技術(shù)人才和工程師進(jìn)行有益的探索，并為促進(jìn)我國高等工程教育改革，培養(yǎng)高層次工程技術(shù)人才做出貢獻(xiàn)。

[1]王曉春,張希艷.材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:1-2.

[2]范世福.分析檢測技術(shù)與分析儀器的現(xiàn)代化發(fā)展[J].分析儀器,2003(1):1-5.

[3]祁景玉.現(xiàn)代分析測試技術(shù)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006:1-2.

[4]殷國富,楊杰斌,趙雪峰,等.面向現(xiàn)代制造的先進(jìn)測試技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].中國測試,2010,36(1):1-8.

[5]張霞.新材料表征技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2012:1-2.

[6]莫祥銀,俞琛捷,王克宇.適應(yīng)時代需求改革“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”[J].實驗室研究與探索,2005,24(3):66-68.

Reform and Practice of Experimental Teaching of New Materials Characterization Techniques*

WANG Zhan-hong1, XU Feng-guang1, ZHANG Yong1, WANG Yu-xin1,ZHANG Jing-shuo1, LUO Sen1, TANG Zheng-sheng2

(1 School of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051;2SurfaceTechnologyDevelopmentCenter,AnhuiFutureSurfaceTreatmentCo.,Ltd.,AnhuiHefei230601,China)

TheexperimentalteachingofNew Materials Characterization Techniquesisanimportantexperimentalcourseforundergraduatemajoredinmaterialsinouruniversity.Basedonthecurrentsituationandcharacteristicsofthecourse,professionalandemploymentneedsofstudents,theexperimentalteachingsystemwasdeeplyreformed,whichcanstrengthenthefoundationfortheexperimentaloperationskills,exercisethecapabilityofthinking,practicing,comprehensiveuseofknowledgeandinnovationfully,andimprovetheabilityofcharacterizationanalysisandcomprehensivequalityoftalentsmajoredinmaterials,inordertolayasolidfoundationforcultivatingtheappliedtechnologicaltalents.

materialsdiscipline；undergraduate；newmaterialscharacterization；experimentalteaching

鹽城工學(xué)院2016年實驗室開放項目；鹽城工學(xué)院2016年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目。

王占紅 (1982-)，女，講師，主要從事材料測試及聚合物復(fù)合材料方面的教學(xué)與研究。

TB30

A

1001-9677(2016)013-0205-03