近代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)模式改革探討

羅文欽，潘國(guó)祥，王永亞，唐培松

(湖州師范學(xué)院 a.求真學(xué)院， b.工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

隨著新材料的出現(xiàn)，各種新的表征手段和儀器設(shè)備也隨著涌現(xiàn)。材料的性能是由材料的結(jié)構(gòu)決定的，對(duì)材料性能和其成分及微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的理解成為了現(xiàn)代材料開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。現(xiàn)在的材料研究逐漸由傳統(tǒng)的“炒菜”模式向“材料設(shè)計(jì)”模式發(fā)展，而材料微結(jié)構(gòu)的表征正是這種演變的橋梁，掌握材料結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)及熟練解析相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)就成為了現(xiàn)代材料研究者必須掌握的一項(xiàng)基本技能[1]。近代測(cè)試分析技術(shù)正是為了這一目的而開(kāi)設(shè)的一門課程。本課程主要教學(xué)內(nèi)容包括紅外光譜、激光拉曼光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜、X射線衍射分析、電子顯微技術(shù)、X射線光電子能譜分析和熱分析等。該課程開(kāi)設(shè)于大三學(xué)期，此時(shí)學(xué)生完成了無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、材料化學(xué)等基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，具備了材料化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，還有一些實(shí)踐類課程在同步開(kāi)展，如材料綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[2]、無(wú)機(jī)材料實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)課程需要學(xué)生能正確分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、解析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。要充分把握近代測(cè)試分析技術(shù)的教學(xué)目的，學(xué)以致用，這對(duì)于提高學(xué)生其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效率有良好的輔助作用，能夠?yàn)閷W(xué)生以后的學(xué)習(xí)、科研打下基礎(chǔ)。

1 近代測(cè)試分析技術(shù)課程的特點(diǎn)

近代材料測(cè)試分析技術(shù)涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容多、概念復(fù)雜、理論深?yuàn)W，要求學(xué)生有較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和廣博的材料化學(xué)知識(shí)背景，適合在本科高年級(jí)開(kāi)展[3]。部分分析測(cè)試技術(shù)涉及大型貴重儀器設(shè)備，一般高校缺乏實(shí)踐教學(xué)支撐，不利于清晰講解。針對(duì)以上問(wèn)題，要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面入手，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程重要性的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能正確選擇材料分析和測(cè)試方法，能看懂或分析一般的測(cè)試結(jié)果，具備專業(yè)從事材料分析測(cè)試工作的初步基礎(chǔ)，具備通過(guò)繼續(xù)學(xué)習(xí)掌握材料分析測(cè)試的新方法、新技術(shù)的能力，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和綜合運(yùn)用能力[4]。近代測(cè)試分析技術(shù)課程涉及幾種大型儀器，如X射線粉末衍射儀、核磁共振波譜儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡的原理、測(cè)試及其數(shù)據(jù)解析。其中，儀器的測(cè)試原理理論性較強(qiáng)，針對(duì)學(xué)生生源情況及材料科學(xué)的學(xué)科背景，大部分學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)、物理理論的學(xué)習(xí)感到很困惑，也缺乏學(xué)習(xí)興趣。如果在教學(xué)中一味追求對(duì)儀器原理的清晰講解，往往會(huì)浪費(fèi)大量課堂時(shí)間，應(yīng)在課程中減少繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得方式及解析方法。

2 教改措施

2.1 把握正確的教學(xué)方針

各種不同的大型儀器都有各自的測(cè)試原理，其中涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)。在有限的課時(shí)內(nèi)，不可能對(duì)每一個(gè)儀器的原理都進(jìn)行詳細(xì)學(xué)習(xí)，把握課程的教學(xué)目的至關(guān)重要。本課程主要目的是使學(xué)生能掌握各種常見(jiàn)材料結(jié)構(gòu)分析儀器的基本原理及其應(yīng)用，具有分析、解決問(wèn)題的能力，避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)過(guò)程，只給出儀器測(cè)試基本原理的公式，要求學(xué)生掌握公式中每一個(gè)參數(shù)所代表的物理意義，能用公式分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中碰到的問(wèn)題。在紅外光譜這一章，對(duì)于鍵伸縮振動(dòng)頻率推斷的公式，沒(méi)有必要從虎克定律入手一步步推導(dǎo)出公式，而是直接給出最終公式，重點(diǎn)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用這個(gè)公式推測(cè)常見(jiàn)的化學(xué)鍵紅外振動(dòng)吸收峰的位置。

本課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握材料結(jié)構(gòu)表征中常見(jiàn)的幾種表征手段及數(shù)據(jù)的解析，除了一些理論知識(shí)的學(xué)習(xí)外，有必要增加練習(xí)的量。課后布置相關(guān)作業(yè)外，課堂上還要留出部分時(shí)間進(jìn)行練習(xí)和講解，教師可以根據(jù)學(xué)生的課堂反應(yīng)逐步教給學(xué)生正確的數(shù)據(jù)分析方法和分析技巧。學(xué)生還可以通過(guò)教師的講解學(xué)習(xí)一些常用分析軟件和數(shù)據(jù)處理軟件(如jade、origin)的使用技巧。

2.2 理論聯(lián)系實(shí)踐

本課程一般在學(xué)生大三時(shí)開(kāi)設(shè)，這一階段除了同步開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)課程外，絕大部分學(xué)生都已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，參與到指導(dǎo)教師的科研課題中或參加學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃等開(kāi)放項(xiàng)目，這時(shí)如果能對(duì)學(xué)生進(jìn)行積極引導(dǎo)將會(huì)起到事半功倍的教學(xué)效果。在制備LaFeO3的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，大部分學(xué)生都能通過(guò)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案合成出LaFeO3。但有部分學(xué)生反映自己做出來(lái)樣品的X射線粉末衍射圖與教師給出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中LaFeO3的不一致，不知道自己做出來(lái)的具體是什么物質(zhì)。在介紹X射線粉末衍射這一章節(jié)時(shí)，可以實(shí)時(shí)引入這個(gè)案列，指導(dǎo)學(xué)生利用Jade 6.0軟件來(lái)分析未知化合物的物相。在Jade 6.0軟件中，先用確定物質(zhì)中含有的主要物相為L(zhǎng)a(OH)3，接著通過(guò)限定條件確定混合物中的次要物相為Fe2O3，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因可能是什么，比如沉淀過(guò)程中攪拌不均勻，煅燒溫度不夠等，啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深入的思考。在這一過(guò)程中，學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生還可以積極在課堂上引入自己的科研成果作為案例講授，了解一般的科研過(guò)程，掌握一定的科研測(cè)試分析技巧。

2.3 充分借助多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

本課程中介紹的儀器都是一些大中型的測(cè)試儀器，價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用都很高，因?yàn)闄C(jī)時(shí)有限，不可能讓每一個(gè)學(xué)生都有操作的機(jī)會(huì)。針對(duì)這一情況，要充分利用多媒體教學(xué)資源，要在PPT課件上下足功夫，利用動(dòng)畫(huà)、三維圖片等使學(xué)生形象掌握儀器原理。同時(shí)，還可以利用一些網(wǎng)絡(luò)虛擬操作平臺(tái)，讓學(xué)生自己動(dòng)手操作儀器，比如澳大利亞顯微電鏡和顯微中心的虛擬操作平臺(tái)http：//www.ammrf.org.au/myscope/，里面有掃描電鏡、透射電鏡、X射線粉末衍射、掃描探針顯微鏡、原子力顯微鏡等儀器設(shè)備的操作培訓(xùn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以使學(xué)生掌握儀器的具體操作方法及工作原理。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)充分了解近代測(cè)試分析技術(shù)課程的特點(diǎn)，能夠讓學(xué)生掌握材料結(jié)構(gòu)表征的基本原理及數(shù)據(jù)分析能力，去繁就簡(jiǎn)，與學(xué)生自己的科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)等可視化教學(xué)手段來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。