材料微观组织结构资源库与网络平台建设

吴杰　迟静　张强　田秀娟

【摘 要】本文针对学生不熟悉常见材料微观组织结构、不能较好的运用现代分析检测设备研究材料微观组织结构的现状，探讨了材料微观组织结构资源库与网络平台建设的方法。

【关键词】材料微观组织结构；资源库；网络平台

【Abstract】Because the students are not familiar with the microstructure of common materials， and can not better use modern analysis and testing equipment to study material microstructure， this paper is aimed to construct the repository and network platform of material microstructure.

【Key words】Material microstructure； Repository； Network platform

0 引言

任何一种材料的宏观性能或行为，都是由其微观组织结构所决定的[1]。因此，熟悉常见材料的微观组织结构，掌握材料微观组织结构的分析检测方法，分析微观组织结构的形成机理、演变规律，对材料专业的学生来说是极其重要的。在材料类专业课程教学体系中，《材料科学基础》、《固态相变原理》、《金属材料学》、《无机材料结构基础》、《材料热处理》等课程分别从不同方面介绍材料微观组织、晶体结构的类型、特点、产生条件、影响规律以及微观组织结构与性能的关系。但每门课程都是以两三种典型材料为例进行介绍，且典型材料往往在不同课程中多次出现，因此学生不熟悉常见材料尤其是新兴材料的微观组织结构。近年来在工作面试和考研复试过程中，学生因对材料微观组织结构认识不清而被淘汰的例子并不少见。另外，各门课程单独开设，却又彼此关联，学生缺乏将理论知识融会贯通的能力，因此对材料微观组织结构进行综合分析的能力有待加强。

材料微观组织结构的分析检测，需要运用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针、热分析仪等一系列现代分析检测设备[2]。这些设备除金相显微镜外，均为大型仪器，台套数少。虽然相关课程会对仪器设备的原理、结构和测试方法进行介绍，但学生上机做实验的机会少，不会操作设备，因此动手能力差，不能较好的运用仪器设备进行测试和研究，更不具备综合运用分析检测设备研究材料微观组织结构的能力。

本文针对学生不熟悉常见材料微观组织结构、不能较好的运用现代分析检测设备研究材料微观组织结构的现状，开展交互式材料微观组织结构资源库与网络平台建设，培养学生仪器操作能力及对材料微观组织结构进行综合分析的能力，这对于激发学生学习兴趣、提高实践能力和分析解决问题的能力，具有重要意义。

1 材料微观组织结构资源库建设

1.1 材料微观组织结构分析检测方法资源库建设

为使学生掌握材料微观组织结构的分析检测方法，针对X射线衍射仪、金相显微镜、透射电镜、扫描电镜、电子探针、热分析仪等常用仪器设备，指导老师对学生进行系统培训后，由学生详细介绍各仪器的工作原理、结构、样品制备、实验参数的选择和操作过程，并拍摄视频，建立分析检测设备资源库。针对学生数据分析处理能力较弱的特点，我们又拍摄了学生详细介绍Jade、Origin等常用数据处理分析软件特点、功能和使用方法的视频，建立了数据处理软件资源库。以X射线衍射物相定性分析为例，利用X射线衍射仪得到原始数据以后，详细介绍利用Jade软件进行物相检索、分析以及衍射峰标定的方法；在此基础上，介绍如何将Jade软件分析结果在Origin软件中完整表现并输出的方法。通过分析检测设备、数据处理软件资源库建设，建立了材料微观组织结构分析检测方法资源库，可以使学生直观地学习各大型仪器的构造、原理以及操作过程，并掌握相关数据分析处理软件的使用方法。

1.2 材料微观组织、晶体结构资源库建设

为使学生熟悉常见材料的微观组织结构，老师指导学生制备常见金属材料、陶瓷材料、复合材料及部分新兴材料样品，利用各仪器设备检测样品微观组织结构，分析各样品的物相组成、微观组织、成分，标注制备工艺、热处理方式等信息后，建立微观组织资源库。同时，指导学生动手制作晶体结构三维动画模型和实物模型，建立晶体结构资源库。通过微观组织、晶体结构资源库建设，使学生掌握不同材料微观组织、晶体结构的类型、特点、形成原理、影响规律以及微观组织结构与性能的关系。

1.3 材料微观组织结构综合分析典型案例资源库建设

针对学生不能将理论知识融会贯通、对材料微观组织结构进行综合分析能力有待加强的特点，根据学院优势科研方向，如等离子表面处理、环境净化、能源材料等，结合学科领域的前沿动态，设计典型案例；学生根据兴趣选择案例并组成小组，进行文献调研、实验方案设计，与老师讨论后开展样品制备、综合分析检测、数据处理、理论分析等工作，完成案例分析检测报告[3]，建立综合分析典型案例资源库。材料微观组织结构综合分析典型案例内容要多样化并与学科领域的前沿动态相关，这样才能激发学生的兴趣和求知欲。另外，典型案例要有综合性和设计性，每个案例的完成要涉及到各个仪器和理论知识的综合应用。例如案例“B2结构FeAl合金中的有序-无序转变”，在对样品进行不同热处理后，需要利用X射线衍射仪表征合金的有序和无序结构，扫描电镜观察微观组织，热分析仪表征有序-无序转变过程，显微硬度计测量样品硬度，相关结果的分析涉及到晶体结构、晶体缺陷、固态相变原理、材料热处理、材料力学性能等理论知识的综合运用。通过材料微观组织结构综合分析典型案例资源库建设，培养了学生综合利用分析检测设备及理论知识对材料微观组织结构分析测试和研究的能力。

2 材料微观组织结构网络平台建设

通过材料微观组织结构资源库建设，学生动手能力以及分析问题、解决问题的能力得到了提高，为使更多的同学受益，我们以上述各资源库为主要模块，构建了交互式材料微观组织结构网络平台。通过该网络平台，学生可自主地学习各分析检测仪器的结构、原理、操作方法以及数据分析处理方法，熟悉常见材料的微观组织、晶体结构，了解综合利用分析检测设备和理论知识对材料微观组织结构进行研究的方法。各资源库建设主要由学生完成，这容易拉近网络平台与学生的距离，学生学习起来也更加容易。另外，各资源库主要由视频、实物模型、动画、照片等组成，学生可以直观地进行学习，有利于激发学生的学习兴趣。

在各资源库模块的基础上，增设材料进展模块，结合当前材料科学的发展趋势，介绍新材料以及分析测试技术的发展，让学生了解学科发展动态，开阔视野。例如，针对大家非常关心的PM2.5问题，介绍机动车尾气净化用贵金属催化剂、氧化物催化剂材料的发展，以及高温过滤领域固体颗粒物过滤材料的研究状况。新材料的出现往往和分析表征技术的发展密切相关，让学生了解分析测试技术的最新进展及发展趋势，可以加深对分析检测方法的应用及基本原理的理解与掌握。以透射电镜为例，球差矫正器的出现使透射电镜的分辨率和应用范围得到显著提高，通过比较球差透射电镜和普通透射电镜在分辨率、成像质量、功能等方面的不同，既能加深对“球差是影响透射电镜分辨率的主要因素”这一知识点的理解，又能让学生了解透射电镜的发展。

材料微观组织结构网络平台除了能让学生自主学习外，还应能提供学生、老师交流、讨论的共享环境，为此，我们设置了交流讨论专区。学生可以针对各模块中的每个具体问题以及学习过程中遇到的困难、疑惑，和老师、同学交流、讨论；也可以将自己了解、收集的相关知识，上传至网络平台，与大家分享、交流。另外，针对大家感兴趣的问题或学术热点，老师会定期抛出一些问题供大家讨论。比如在嫦娥三号登月期间，我们提出“玉兔号月球车需要什么材料？”这一问题，为学生提供了丰富的想象和调研空间，学生根据月球表面路况、重力、温差、辐射、月球车着陆可能受到的冲击以及电力供应等问题，提出了钛合金、碳纤维复合材料、梯度功能复合材料、超塑性合金、超轻泡沫金属等各种材料，讨论非常热烈，在调动学生学习积极性的同时，培养了综合利用理论知识解决实际问题的能力。

材料学科的知识在不断地更新，要保持网络平台对学生的吸引力，就需要对平台中各模块内容进行更新、补充，以保证网络平台的实时性，使其更好地为师生服务[4]，因此，材料微观组织结构网络平台建设是一个长期、不间断地过程。

3 实施效果

材料微观组织结构资源库与网络平台建设由学生在老师的指导下完成，在培养学生操作大型仪器设备对材料微观组织结构进行综合分析的同时，着重学生动手能力、分析解决问题能力及团队协作精神的培养。在资源库与网络平台建设过程中，学生学会了如何查阅文献并制定实验方案，掌握了样品制备以及常用分析检测设备的操作方法。综合分析典型案例的完成，培养了学生综合利用所学理论知识和分析检测设备解决实际问题的能力，使学生在熟悉常见材料微观组织结构的同时，建立了材料微观组织结构与成分、工艺及性能的联系。同时，资源库与网络平台建设过程中的分工与合作，培养了学生独立完成工作的能力和团队合作意识。

4 结束语

材料微观组织结构在材料类专业教学体系中占据重要地位，通过材料微观组织结构资源库与网络平台建设，可以使学生熟悉常见材料的微观组织结构，掌握综合利用理论知识和现代分析检测设备对材料微观组织结构进行分析、研究的方法，锻炼了学生的实践能力和分析、解决问题的能力，培养了团队协作意识。

【参考文献】

[1]胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础（第三版）[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

[2]周玉.材料分析方法（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]晏井利，梅建平，王仕勤.材料科学与工程专业实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2011（6）：259-261.

[4]赵国臣，程玲，池红岩，王鑫，苑鹏涛.高校基础实验网络平台建设的实践与探索[J].实验科学与技术，2012（2）：145-147.

[责任编辑：杨玉洁]