《新材料表征技术》实验课程教学改革与实践*

王占红，徐凤广，张　勇，王雨新，张璟朔，罗　森，唐正生

(1 盐城工学院材料工程学院，江苏　盐城　224051；2 安徽未来表面技术有限公司表面技术开发中心，安徽　合肥　230601)



《新材料表征技术》实验课程教学改革与实践*

王占红1，徐凤广1，张勇1，王雨新1，张璟朔1，罗森1，唐正生2

(1 盐城工学院材料工程学院，江苏盐城224051；2 安徽未来表面技术有限公司表面技术开发中心，安徽合肥230601)

《新材料表征技术》是我校为材料类专业学生开设的一门重要实验课程。针对本课程的教学特点和目前的教学现状及学生的专业和就业需求，对实验课程教学体系进行了深入改革，不仅能够加强学生实验操作技能，充分锻炼学生的勤于思考、动手实践和勇于创新的能力，而且能够提高材料类专业人才对新材料的表征分析能力和综合素质，为培养应用型技术人才奠定坚实的基础。

材料学科；大学生；新材料表征；实验教学

新材料表征技术是关于材料的化学组成、微观形貌、内部组织结构及材料的其他性能等的表征方法、测试技术及相关理论基础的实验科学，是现代材料研究和应用的重要手段和方法。新材料表征技术主要是通过新型的大型精密仪器研究各种物理化学反应对材料微观的组织结构、成分等的影响，研究已从纳米级、量子级等去研究材料的微观结构与性能之间的关系，得出了大量的实验分析数据，从而找出其内在的基本规律，为材料制备和新材料的诞生提供了许多可靠的数据。这些新的测试手段的出现，告别了过去人们对材料的研究仅仅停留在测试其宏观的物理、化学性质的历史，实现了材料的结构和性能从宏观到微观不同层次的表征，因此这些新表征技术构成了材料科学与工程不可或缺的组成部分，并占据着重要的地位。材料类专业的学生和未来将从事相关工作或研究的人员，必须了解各种常用的现代测试技术的基本原理及其在材料科学研究中的应用范围，熟悉测试过程中的样品制备技术及测试谱图的解析，熟练掌握一些常规的现代测试分析技术[1-4]。

1　本课程现状分析

《新材料表征技术》是我校材料专业的一门必修实验课程。该课程讲授内容是关于材料的成分、结构、组织形貌、性能等相关的表征技术，具体是介绍各种现代分析仪器的结构原理和工作原理、制样方法、图谱数据分析及在材料研究中的应用，该课程的教学目的是使学生在完成本课程的学习后，能正确选择和使用有关的材料分析表征方法，了解材料分析测试相关的基本理论，掌握材料分析新方法、新技术，为培养21世纪应用型人才打下良好的基础[5]。因此，本课程在材料科学中有着十分重要的地位。

材料类专业课的学习，必须有很多实践环节(如实验课、去工厂实习等)来强化课堂所学的知识，达到学以致用、理论联系实际的目的。而过去的《新材料表征技术》的实验项目很少，教学内容很简单，上课方式单一，以演示为主，对学生的要求是课后完成一份实验报告。因此，其对学生要求低，学生也没太多兴趣，只是为了上课而上课，课堂上学习的知识也会很快遗忘，学习效果非常差。造成这一后果的原因是学生没有去实际操作，只是看看老师的演示，所以觉得课程中所学知识很空洞，无任何实际价值，老师怎么教，学生就怎么做，学生的独立思考能力和解决实际问题的能力得不到充分锻炼。最重要的是，当学生毕业之后，材料分析表征技术应用能力和正确分析数据的能力严重欠缺，若从事相关的工作还要从头学起。另外，实验教学中讲解的内容以仪器工作原理和仪器操作演示为主，没有突出实验结果分析的重要性，使得学生在毕业论文、大学生实践创新项目等实施过程中感到很困惑，面对一大堆的实验数据，不知该从何入手去分析，最后只能自我想象给出一些毫无意义的解释，因此这对于人才培养极为不利[6]。

我校材料学科以培养从事材料领域科学研究与教学、技术开发、工艺设计等方面工作，基础厚，能力强，素质高，具有创新精神的应用型高级人才为目标。为了实现本专业的培养目标，《新材料表征技术》课程实验项目进行了不断地改革与创新，为提高材料相关专业学生对新材料表征分析的认识，培养学生实践动手能力，与企业的实际需要对接，培养实践能力强的应用型技术人才奠定基础。

我们根据学生就业需求和从实验教学促进课堂基础理论教学的角度出发，合理地设计了实验项目，在保障学生掌握基本原理和实验操作技能的基础上，增加了样品前处理过程，强调数据与图谱分析的重要性，以不同样品的测试结果实例不断练习数据与图谱分析，强化了学习效果，充分发挥学生的主观能动性，激发其学习兴趣，并提高了他们的综合素质和对知识的实际运用能力。

2　实验项目的开设

2.1设计思路和目的

本课程实验项目的设计思路是强调掌握大型精密仪器知识方面基本理论和基本实验操作技能。同时，突出了样品前处理和测试结果分析的实践环节，注重学生实际应用能力的培养。目的是将《新材料表征技术》课程所学到的基本理论知识与实际有机地结合在一起，提高学生对工业产品等进行有效地表征和分析，促进材料类专业大学生在材料分析工程应用的能力。

2.2实验项目的开设与改革

根据该课程特点、授课学生专业和学生就业需求，从实验教学促进课堂理论教学的角度出发，从材料的成分、物相结构、性能测试等方面均衡考虑，合理地设计了8个实验(具体如表1所示)。在保障学生掌握实验原理和操作方法的基础上，在实验环节上增加了样品的前处理过程。对实验报告，强调数据分析方面的内容，强化学生动手实践和综合运用知识能力，提高材料类专业人才化学分析能力和素质，重在培养实践能力强的应用型技术人才。

表1　新材料表征技术课程包含的实验项目Table 1　Experimental items of New materials characterization techniques

由表1 可以看出，前面几个实验如“X射线显微成分分析、利用X射线衍射技术分析多相物质、紫外-可见光谱的分析、红外光谱分析”都侧重于材料的成分、物相分析及内部的基团结构的检测；“扫描电镜及其观察”实验主要是对样品的表面、断面微观区域形貌进行分析，该实验项目直观、形象，让学生对比宏观世界看到的物体表面和微观形貌的区别，从而深入了解扫描电子显微镜在材料微观形貌分析中的重要作用。其他几个实验主要是侧重于材料的不同性能测试与表征，如显微硬度测定、热导率的测定和差热分析，其中前者是样品的一些宏观物理力学特性；差热分析和热导率的测试都是热学性能相关的测试。总之，这些实验项目专业性都很强，涉及样品测试的各个方面，覆盖内容较宽。每个项目在实验前，都增加了样品的前处理过程，如在“扫描电镜及其观察”实验前，必须对样品做脆断、固定样品、镀膜等处理，这些前处理看似简单，其实是需要一定的耐心和技巧，这部分内容让学生动手自己去做，对于他们自己制备的样品置于扫描电镜下观察，从而得到了不同的实验结果，让学生先寻其原因，指导老师再给其补充和纠正，这能够训练他们对科学实验认真、严谨的态度和不断探索的精神；对于一些宏观物理性能测试，主要是培养学生的动手能力和仔细观察的能力，让学生轮流动手去做实验，去感受其中的乐趣，不断提高其思考问题、解决问题的能力。另外，每一个实验项目都有提问和讨论环节，穿插在上课中，让学生各抒己见，目的是约束学生的思维，使他们集中注意力，这极大地提高了上课效率。每个实验课后，都要完成实验报告一份，这是非常关键的，能将实验的内容与以前学习的理论知识紧密结合，让学生巩固了所学内容，加深认识，从而达到了良好的学习效果。

2.3实验成绩评定

实验成绩考核包括两部分内容，一是平时成绩，主要是学生出勤及对每个实验基本实验技能，包括操作、回答问题、课堂讨论、实验报告等的掌握情况做出评定，占实验成绩的40%，主要侧重对学生平时表现情况的评定。二是最终考核，占实验成绩的60%。最终考核是对学生综合实验能力的全面考核，包括实验原理、实验过程操作能力、解决问题能力、实验结果分析的准确性和实验报告的质量等方面。

3　效果和特色

将该实验体系应用到我校材料专业学生的实验教学中，效果明显。就拿近几年的本科毕业生来说，大多数学生会认真思考做实验的思路并与老师进行探讨，尤其是对实验做出来的各种宏观微观表征进行正确的分析和解释。不像以前学生的毕业论文对测试图谱解析就一两句话，一般都是“我们从图上可以看到××材料的××性能提高(降低)”。这说明学生不仅不具备科技论文的基本语言技能，而且看到图片或者数据结果觉得无话可说。究其原因，一是没有看文献或者看得很少，没抓住科技论文写作要领，二是不理解实验反应的机理，更何谈通过这些实验现象解释实验的本质，三是以前的实验课程主要是以演示和教师讲解为主，学生参与很少，启发很少，所以对于学过的内容很快就忘记了。而改革之后，学生基本都能对实验结果做出较为合理的分析，有些甚至分析的较为深入。可见，本次实验教学改革效果确实比较明显，老师对其认可度也非常高。本次实验项目改革效果和特色总结如下：

(1)将现代仪器分析测试手段融入实验教学

改革后的实验项目将现代仪器分析测试手段融入实验项目，使学生能够接触到很多高端的仪器，亲自体验实验的乐趣，由于仪器对材料分析测试与传统的手工化学分析相比，方便快捷，直观生动，结果准确度高，这更能够激发学生的学习兴趣，并启发他们的思维。同时，实验也将学生专业课程的知识和实验内容紧密结合，提高了课程的学习效果。

(2)加强学生动手实践能力的培养

改革后，添加的一些新的实验项目，使学生能够紧追现代分析测试技术最前沿的知识，提高了学生的认识和动手实践能力，培养了他们认真踏实工作的态度，训练了他们对实验研究的科学精神，对实验数据一丝不苟的良好习惯，为企业实际需要培养实践能力强的应用型技术人才。

(3)与专业紧密结合，为培养专业人才做准备

水泥、混凝土、陶瓷、玻璃、塑料、金属和各种复合材料等都是材料类专业学生将来工作会经常接触的材料，实验教学项目的设定与工作密切相关，极大地提高了大学生分析实际样品材料的能力，也提高了大学生学习的兴趣，为日后工作做好了充分准备。

4　结　论

《新材料表征技术》实验教学改革，有效地将实验内容和课堂所学的理论知识紧密结合，将高端的大型仪器融入试验中，提高了我校材料科学与工程专业学生材料表征分析基础知识水平和工程应用能力，对于培养材料学科大学生实践动手能力，与企业实际需要对接，培养实践能力强的应用型技术人才奠定基础。同时，为探索如何提高材料专业本科生在材料表征的能力方面提供有益的思路，也将为培养能够适应社会主义现代化的高级工程技术人才和工程师进行有益的探索，并为促进我国高等工程教育改革，培养高层次工程技术人才做出贡献。

[1]王晓春,张希艳.材料现代分析与测试技术[M].北京:国防工业出版社,2010:1-2.

[2]范世福.分析检测技术与分析仪器的现代化发展[J].分析仪器,2003(1):1-5.

[3]祁景玉.现代分析测试技术[M].上海:同济大学出版社,2006:1-2.

[4]殷国富,杨杰斌,赵雪峰,等.面向现代制造的先进测试技术及其发展趋势[J].中国测试,2010,36(1):1-8.

[5]张霞.新材料表征技术[M].上海:华东理工大学出版社,2012:1-2.

[6]莫祥银,俞琛捷,王克宇.适应时代需求改革“现代分析测试技术”[J].实验室研究与探索,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

盐城工学院2016年实验室开放项目；盐城工学院2016年大学生创新训练计划项目。

王占红 (1982-)，女，讲师，主要从事材料测试及聚合物复合材料方面的教学与研究。

TB30

A

1001-9677(2016)013-0205-03