《現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)》實驗教學(xué)的實踐與改革初探*

王曉芳，霍紅英，萬書權(quán)

(1 攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2 攀枝花學(xué)院國家釩鈦檢測重點實驗室，四川 攀枝花 617000)

現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)課程是我校(攀枝花學(xué)院)為冶金工程、新能源科學(xué)與工程等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容包括紅外光譜和拉曼光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜、X射線衍射、電子顯微技術(shù)、材料熱分析等現(xiàn)代材料分析方法。該門課程與分析化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)等的內(nèi)容密切相關(guān)，課程立足于現(xiàn)代教育思想和理論，從我校綜合應(yīng)用型大學(xué)的定位出發(fā)，使學(xué)生了解當前材料科學(xué)領(lǐng)域中最常用的分析測試技術(shù)和方法，并著重于學(xué)習材料結(jié)構(gòu)與性能的表征方法、掌握主要儀器分析方法所涉及的制樣技術(shù)、圖譜解析和具體應(yīng)用，為畢業(yè)后的實際生產(chǎn)和科研工作打下堅實基礎(chǔ)[1]。同時把握最新的現(xiàn)代測試技術(shù)發(fā)展的動態(tài)，培養(yǎng)熱愛科學(xué)的興趣，學(xué)會相應(yīng)的常見儀器測試分析方法和制定合理實驗方案并進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)訓(xùn)練，增強提出、分析和解決實際問題的能力。本文以我校為例，對應(yīng)用型本科院校的現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗教學(xué)進行分析，從而提高實踐課教學(xué)質(zhì)量。

1 攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗課現(xiàn)狀

1.1 實驗課程內(nèi)容設(shè)置存在缺陷

實驗課程涉及的內(nèi)容較廣泛，涉及拉曼光譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子吸收、熱分析等現(xiàn)代材料分析技術(shù)實驗，但由于所涉儀器多數(shù)大型貴重儀器，受限于課時、儀器數(shù)量[2]，同時為保障儀器使用安全，使得實驗基本以演示為主，學(xué)生基本只能重復(fù)操作過程中非常簡單的操作(比如拉曼光譜實驗，學(xué)生只能在樣品測試區(qū)域選取過程中通過萊卡顯微鏡觀看一下樣品，或者在測試過程中調(diào)試一兩個參數(shù)，而且兩項操作只能選其一)，對儀器檢測的整體操作過程及儀器構(gòu)造的認識非常有限；而且實驗課程與理論課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)的緊密性也較弱，使得實驗課程內(nèi)容深度不夠，缺乏從理論指導(dǎo)實踐、再由實踐檢驗理論的系統(tǒng)性；另外，選取的實驗內(nèi)容基本上屬于驗證性的經(jīng)典實驗，少有探索性和綜合性內(nèi)容的設(shè)置，在學(xué)生能力的培養(yǎng)上顯得薄弱。

1.2 對實驗樣品的教學(xué)價值利用不足

樣品的前處理是大型儀器檢測樣品的必要步驟，對于樣品的前處理方法的選擇需考慮樣品本身特質(zhì)、檢測指標、儀器方法以及實驗?zāi)康牡鹊囊蛩亍悠返那疤幚磉^程是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、動手能力、理論聯(lián)系實踐等能力的很好的教學(xué)過程[3]。但目前實驗中的樣品基本上是配置樣品或者處理過的理想樣品，少有實際樣品，少有樣品前處理的教學(xué)實踐過程。這樣，學(xué)生僅僅根據(jù)課上老師對樣品的講解機械的進行實驗操作，缺乏有效的主動思考與設(shè)計，對材料的檢測停留在“怎么做”層面，而對“為什么”做沒有很好的認知和理解，對于材料的檢測缺乏本質(zhì)的理解[4]。

1.3 教學(xué)方式缺乏新穎性

在學(xué)生開始做實驗前，老師基本只是按照傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式介紹注意事項、實驗原理、實驗過程和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容[5]，固定的教學(xué)模式，讓學(xué)生在學(xué)習過程中較為被動，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力。教學(xué)方式缺乏新穎性、創(chuàng)新性，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣。

1.4 學(xué)生對課程重視程度亟待培養(yǎng)和提高

由于儀器分析實驗主要借助大型儀器，而學(xué)生預(yù)習只能從書本上獲得理論上的理解，缺乏直觀性，因此對于儀器結(jié)構(gòu)以及操作方法等一片茫然，無所適從。在這種狀況下，學(xué)生預(yù)習基本是為了完成預(yù)習報告等的預(yù)習任務(wù)，敷衍了事，達不到預(yù)習的目的和效果。學(xué)生在這種狀態(tài)下聽課的被動程度是可想而知的，導(dǎo)致無法及時消化理解教師講解的內(nèi)容，更談不上對知識的內(nèi)化。這樣，學(xué)生對課程的獲得感不強，學(xué)習熱情和重視程度也就不高。這種情況亟待改善。

1.5 對學(xué)院優(yōu)勢資源利用有限

攀枝花學(xué)院現(xiàn)有一個國家釩鈦檢測實驗室，該實驗室是由攀枝花海關(guān)與攀枝花學(xué)院聯(lián)合共建，是全國唯一以進出口釩鈦產(chǎn)品為重點的、對外開放的國家級檢測重點實驗室，獲得國家級CNAS和CMA“二合一”資質(zhì)，實驗室目前使用的方法基本是國家推薦標準、行業(yè)推薦標準和自制標準方法。實驗室現(xiàn)有3000余萬元的儀器設(shè)備，建筑面積約1200 m2，主要設(shè)備有：電感耦合等離子體光譜儀、掃描電鏡及能譜儀、X射線衍射儀、全譜直讀型等離子發(fā)射光譜儀、原子吸收光譜儀、高頻紅外碳硫分析儀、激光拉曼光譜儀、激光粒度儀、萬能材料試驗機、超高精度分光測色儀等。人員上，為滿足實驗室資質(zhì)要求、保證檢測結(jié)果，實驗室的檢測人員都是具有專業(yè)水平、大多具有多年從業(yè)經(jīng)驗的高水平、高學(xué)歷專業(yè)技術(shù)人員。目前該實驗室可以說是一個具有高水平分析測試實力和能力的集檢測服務(wù)、科學(xué)研究、輔助教學(xué)和人才培養(yǎng)于一身的分析測試平臺。但是，就現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗課程來說，該課程的教學(xué)對國家釩鈦檢測實驗室的平臺優(yōu)勢的利用還顯不足。

針對上述問題，本文以拉曼光譜實驗為例，對儀器分析的實驗教學(xué)進行探索。拉曼光譜包含的信息特別豐富，可以應(yīng)用于化學(xué)品鑒別、分子結(jié)構(gòu)表征、成鍵效果以及樣品所處環(huán)境以及內(nèi)部應(yīng)力分布等方面[6]。實驗利用國家釩鈦檢測重點實驗室配備的英國雷尼紹Renishaw公司生產(chǎn)價值106萬元的inVia激光共焦顯微拉曼光譜儀，其配置靈活，并以德國徠卡顯微鏡作為配套設(shè)備，具有高靈敏度及可靠性，廣泛應(yīng)用于固態(tài)(粉末或塊狀)和液態(tài)物質(zhì)的物理﹑化學(xué)分析，也特別適合于材料微結(jié)構(gòu)的研究。近年來對拉曼光譜儀的研究受到越來越多的關(guān)注，發(fā)展也特別迅速，但目前對于拉曼光譜儀檢測標準的開發(fā)還十分有限。

2 攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗課改革措施

2.1 課程內(nèi)容從多而廣向少而深轉(zhuǎn)變

由于理論課程內(nèi)容已經(jīng)具備了足夠廣泛的程度，滿足學(xué)生了解當前材料科學(xué)領(lǐng)域中最常用的分析測試技術(shù)和方法的知識教學(xué)目標和培養(yǎng)目標，那么在實驗課教學(xué)過程中應(yīng)更多側(cè)重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，“多而廣”的泛泛之教就不可取，應(yīng)該向?qū)W習內(nèi)容少但學(xué)習程度深入轉(zhuǎn)變，按照學(xué)時的計劃和要求讓學(xué)生深入學(xué)習和掌握2～3種儀器的測試技術(shù)和方法，達到理論和實踐的融會貫通，才能舉一反三。這樣，學(xué)生以后無論開展畢業(yè)論文還是從事相關(guān)工作都可以基于學(xué)習的基礎(chǔ)很快對新的儀器檢測技術(shù)和方法熟練和掌握。

2.2 增加實驗課程的探索性

在提高課程內(nèi)容深度的前提下增加樣品前處理的課程內(nèi)容。一方面，教師拿來待測樣品進行樣品前處理實驗教學(xué)，在教師的演示和指導(dǎo)下學(xué)生自主完成樣品的處理，不僅可以避免實驗原料的浪費及教師獨自進行實驗準備的時間成本，還可以提高學(xué)生的參與度。根據(jù)學(xué)生自制樣品的檢測結(jié)果，可以進行對比，分析樣品處理對檢測結(jié)果的影響。另一方面，教師結(jié)合實際樣品問題為學(xué)生開展探索性試驗。讓學(xué)生自主選擇不同類型的待測樣品，通過理論知識及自主學(xué)習確定待測樣品的處理方法，根據(jù)檢測結(jié)果分析樣品及對樣品處理方法進行評價。

2.3 充分開發(fā)利用國家釩鈦檢測重點實驗室的平臺資源增加課程的實踐性

實驗室的檢測過程是基于國家推薦標準、行業(yè)推薦標準和自制標準方法，權(quán)威性、規(guī)范性都是可以充分保障的。將標準方法結(jié)合于教學(xué)過程將有助于學(xué)生認識標準、運用標準及達到“標準”。另外，基于實驗室優(yōu)良的人員資源，邀請實驗室專業(yè)檢測技術(shù)人員參與教學(xué)過程，一方面有助于提高實驗與實際的關(guān)聯(lián)性，一方面也有助于使學(xué)生了解行業(yè)技術(shù)水平及工作性質(zhì)，對學(xué)生未來的就業(yè)及發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。以上都將對增加課程的實踐性起到重要作用。

2.4 以拉曼光譜實驗為例初探教學(xué)改革

實驗預(yù)習階段，帶學(xué)生直接進實驗室，結(jié)合理論知識對設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)進行實地講解，邀請實驗室的專業(yè)檢測人員對拉曼光譜儀的維護、使用規(guī)范及注意事項等進行詳細深入的講解，在此基礎(chǔ)上完成實驗預(yù)習報告。

實驗進行階段，分別以不同晶型的二氧化鈦標準樣品、石墨烯標準樣品進行樣品制備及檢測，參考實驗室自制標準檢測方法作為演示性實驗，學(xué)生基于教師的演示分組進行操作，熟悉儀器操作及維護。

實驗提高階段，教師布置不同類型的實驗樣品，要求學(xué)生在課下按小組自行準備符合要求的待測樣品，并通過理論知識及自主學(xué)習確定好符合樣品的前處理方式及檢測參數(shù)等的設(shè)定，在完成課前準備的前提下獨立進行實驗。實驗過程中各小組之間安排互相觀摩，一方面彼此監(jiān)督操作的規(guī)范性，一方面鞏固實驗操作過程。為增加實驗的探索性，教師還可設(shè)定未知待測樣品(比如不同比例混合的不同晶型的二氧化鈦標準樣品)，讓學(xué)生獨立實驗完成檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對樣品進行定性分析。之后進行數(shù)據(jù)處理并完成實驗報告。為增加實驗的實踐性，可邀請實驗室的專業(yè)檢測人員以實際檢測過程中的一個檢測過程或檢測結(jié)果特例向?qū)W生進行講解或演示，同時增加教學(xué)過程的生動性。

實驗總結(jié)階段，組織學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，并交流討論實驗過程中的收獲、感受及存在的問題或疑問。

通過以上的課程設(shè)計及教學(xué)過程改革，使學(xué)生達到對儀器使用、實驗操作、結(jié)果分析以及理論知識等的全面掌握，達到整個課程內(nèi)容的深入內(nèi)化。

3 結(jié) 語

論文分析總結(jié)了攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗課存在的問題，結(jié)合拉曼光譜實驗課的教學(xué)經(jīng)驗，打破以往的“只能看不能摸”的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，提出了較為可行有效的解決方案，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣、提高學(xué)生參與度、增加學(xué)習深度、培養(yǎng)學(xué)生能力為目的，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習、理論聯(lián)系實踐，提升實驗課教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的合作能力、動手能力、分析問題與解決問題能力，為今后的現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實驗教學(xué)提供一定的參考價值，從而為本科生將來的工作和讀研打下良好的基礎(chǔ)。