材料近代分析測試方法的改革與創新

牛牧野+張興華

摘要：針對材料近代分析測試方法課程目前面臨的各種問題，以提高學生的學習興趣為出發點，結合學生的認知能力，結合實際的教學情況，對本課程進行改革和創新。

關鍵詞：材料分析測試方法；實驗教學；理論教學；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0218-02

一、引言

材料是人類文明的基石，人類文明的發展史，即是人類學習利用材料，制造材料，創新材料的歷史。隨著科學技術的飛速發展，人們對材料的要求越來越苛刻，對材料組織性能和微觀結構的研究越來越細致，越來越感興趣，只有充分認識材料組成結構和性能之間的關系，才能在生活和工業生產中更好地運用和使用材料。因此，不斷發展新的研究方法和測試手段，是當前研究的重要任務之一。在科研、生產實踐中，需要的分析手段越來越多，如X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等高科技手段。所以了解這些儀器設備的工作原理、組成結構，熟悉設備的操作規程、數據處理和分析方法是非常重要的，為本科生研究生走上工作崗位或者繼續進行更深入的研究工作奠定了扎實的基礎。材料分析測試方法是一門實驗方法課，這門課程不僅是以材料成分、結構及性能分析、測試為唯一目的，而且是材料科學與工程學科的重要研究手段。

材料分析測試方法是材料類專業必修的學科基礎課之一，也是物理化學、生物、電子及材料成型與控制工程等相關專業的重要選修課之一，因此該課程具有較廣的使用泛圍。近些年，前人在材料分析測試方法的教學過程中，不斷總結經驗，改革創新，尋找新的教學模式和實驗方法，為該課程教學質量的提高提供了一定的方向。

二、材料近代分析測試方法課程存在的問題

材料分析的基本原理是基于測量信號與材料成分、結構等的特征關系，采用各種不同的測量信號形成了各種不同的材料分析方法。材料現代分析方法的主要內容包括材料X射線衍射分析與材料電子顯微分析兩大部分。該課程具有較強的理論性和實踐性。另外，各種儀器分析測試方法是相互獨立的，各成一體，知識點分散，不易掌握，尤其是大型儀器設備學生接觸較少，且儀器原理概念比較抽象，具體實例不多，學生理解難度較大。同時學生對大型儀器等缺乏興趣，也使得該課程的教學效果大打折扣。

材料分析測試方法課程目前存在的主要問題：

1.教材內容滯后。目前材料分析測試方法課程所采用的教材大多是十年前編寫的，很多內容已經相對滯后，很難跟上目前所用新型號儀器的操作和處理數據的模式。比如XRD晶體的結構標定和物質含量的確定，以及譜峰面積的計算等。隨著計算機技術的飛速發展，其對復雜數據的處理軟件日新月異，許多十年前處理數據的方法已經淘汰，目前的Jade軟件（處理XRD數據的軟件）版本已經更新多次，但是目前學生所用的教科書中還是使用了大量的篇幅對老的儀器實行手動標注、對比卡片的方法進行介紹。新儀器和新系統的使用與書中陳舊的內容介紹相沖突，教科書儀器使用和介紹內容的落后和陳舊是目前材料近代分析測試方法課程存在的主要問題之一。

純理論授課比較枯燥乏味，尤其是X射線晶體學這一部分，涉及到高等數學、微積分、物理化學等多方面的知識。

2.具體實驗內容空白或偏少。材料分析測試方法是一門實驗課，實踐性很強。學習過程中理論知識和原理比較抽象，而實驗課程內容基本空白，缺乏儀器使用的具體操作和使用方法的介紹，以及檢測樣品制備的詳細說明，實用性欠缺。然而材料分析測試方法課程中涉及到的儀器XRD，SEM（掃描電鏡），TEM（透射電鏡）往往都是大型精密儀器，在許多高校往往只有1～2臺，且都承擔著繁重的科研任務，許多教師使用都需要排隊或者預約，所以很難做到讓大量的本科生獨自操作摸索或者人手一臺，因此也只能是教師演示操作，學生進行觀摩實驗，這也往往會降低學生對該課程的興趣和認知。

三、課程的改革與創新

基于該課程上面提到的諸多問題和困難，本著培養學生實踐能力和創新能力的初衷，結合學生的知識結構、學習能力和認知水平對材料近代分析測試方法課程進行改革和探討。

1.選擇適當的教材。一本好的教材可以在很大程度上提高教學質量，并激發學生的學習興趣和熱情。選擇合適的教材，并結合學生本身所掌握的知識結構體系以及目前的認知情況，選用內容與本學院的儀器情況符合度高、理論知識全面、操作步驟和實驗步驟詳細、與時俱進的優秀教材。

所選教材為周玉主編的《材料分析測試技術》第三版，參考資料選用的是《材料現代測試分析方法》，由清華大學出版社出版，劉慶鎖主編，兩本教材內容之間有一定的互補作用，可以查缺補漏，相互補充，能夠使學生很好地理解材料近代分析測試方法這門課程的主要內容。所選用的教材從儀器原理、使用方法、樣品制備技術及儀器使用范圍等方面詳細介紹了X射線衍射（XRD，X-Ray Diffraction）的性質，衍射方向，強度，分析測試方法，透射電子顯微鏡（TEM，Transmission Electron Microscope）和掃描電子顯微鏡（SEM，Scaning Electron Mircoscope）的原理和使用方法等，X射線光電子能譜（EDS）、熱重分析（TGA）、差熱分析（DTA）及差示掃描量熱分析（DSC）等近代材料分析測試方法。教材內容條理清晰，邏輯性強，重點突出，一方面使得學生拓寬了知識面和視野，另一方面也為學生畢業設計期間用到的表征分析方法打下基礎。

2.改進教學方法。基于該課程涉及到的概念、原理、公式等專業知識較深，學生學習和理解較困難，儀器結構和操作較抽象等問題，本課程需要改進教學方法，采用新的教學手段。隨著科技的發展，電腦等高科技設備已深入教育體系，教學手段也從板書轉變為多媒體教學。而多媒體課件可以采用3D動畫、圖片、視頻、輔助文字等多種表達方式，對該課程涉及到的儀器的結構、原理等方方面面進行更生動更清晰的展示，可以大大提高教學效果，調動學生的學習積極性。endprint

另外，課堂上教師要與學生進行積極的互動。在課堂上教師進行隨堂提問，引導學生進行思考，相互之間進行討論，并大膽發言，在每一種儀器相關原理和概念介紹完成后布置相應的作業，檢查學生對課堂內容的掌握程度。另外為提高學生的興趣，課堂上可以介紹一些檢測方法背后的小故事或者與實際密切相關的小內容。如X射線的發明人，倫琴是怎樣發現X射線的，怎樣成為第一位諾貝爾物理學獎的獲得者的，以及X射線第一次在醫學上的應用是在倫敦一婦女手中的軟組織中取出了一根縫針。身體的任何部位、組織、器官都可以用X線顯示并發現異常。

3.開展理論教學與實驗相結合的教學模式。材料分析測試方法是一門實驗性很強的課程，需要后續的實踐操作來促進學生對實驗技術的掌握情況。開展該課程的目的之一是培養學生在實際過程中進行分析測試的能力，使用操作儀器的能力，為學生接下來參加開放實驗、創新實驗、綜合實驗以及畢業設計論文的正常進行提供重要的基礎。經過學生前期的學習，學生能夠根據需求選擇正確的分析測試方法。為保證理論教學與實踐相結合，本課程可以分為理論部分和實驗部分。而實驗教學是本課程改革的重要環節，也是材料分析方法課研究性教學的載體，對調動學生的學習積極性、提高動手能力、培養創新思維具有十分重要的意義。

教師要基于學校的教學平臺和實驗課程學時數，開展實驗課，理論教師與實驗教師共同編寫實驗講義，叮囑學生在實驗之前進行預習，并將理論課上沒有的一些注意事項及詳細的實驗步驟、對應的原理和結構進行詳細講解和演示，讓學生實實在在的接觸到儀器，加深學生的理解。

四、結束語

綜上所述，要提高材料近代分析測試方法課程的教學質量，需要教師本身帶著認真負責的態度，選擇合適的教材，結合多媒體教學在原有的教學方法上進行教學改革，彌補不足，開展理論教學和實驗教學相結合的教學模式。提高學生的學習興趣和求知欲，培養學生的創新能力和解決問題的能力，使得學生能夠將理論知識靈活地應用于實際，為學生以后的全面發展和綜合素質的提高打下扎實的基礎。

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