《现代材料测试技术》的教学改革与实践

陈权启　李霞

摘 要：本文阐述材料在社会发展中的重要作用、现代材料测试技术教学的重要意义及《现代材料测试技术》的教学主要内容，通过分析本课程现有教学方法的弊端，结合本校研究生的实际情况，提出并采用新的教学方法和改进措施，提升了本课程的教学质量，显著提升了本校研究生的材料测试技术基础理论知识和动手操作能力，提升研究生的科研能力。

关键词：现代材料 测试技术 探讨分析

一、现代材料测试技术的教学意义

随着社会经济和科学技术的迅速发展，材料在社会的发展建设中起到至关重要的作用，社会对材料功能、种类及数量的需求显著增加，发展和开发新材料以及新材料技术的应用已成为国家的发展战略，材料研究已受到全球的高度关注。国家、企业、研究机构和高校等方面通过多层次、多渠道和多种方式，投资大量资金用于现代材料的研究，促进现代材料研究的蓬勃发展。现代材料测试技术从宏观和微观层面对材料性能及性质进行测试，指导材料的研究和开发，现代材料测试技术的高速发展促进现代材料研究的快速发展。

对材料研究的主力军-研究生，开展现代材料测试技术的教育，夯实研究生的测试理论基础及提高操作技能，有利于研究生今后对材料的深入研究。现代材料测试技术相关教育教学课程的开展主要是通过一系列现代材料研究的相关测试技术为基础手段，针对新材料的微观和宏观性质，开发新材料和对材料新功能的应用，扩大材料在各个方面建设的使用效率或应用范围，提高材料的使用性能，挖掘材料潜在功能。对此，本文通过分析现代材料测试技术的重要意义以及现代材料技术教学的相关内容，基本教学要求包括X射线单晶体衍射仪、光学显微镜、扫描式电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、红外光谱仪、荧光分光光度计、核磁共振仪等基本原理和主要功能的学习，针对现有教学方法的弊端和目前教学效果，对现有的新旧教学方法进行探讨改革，提出更好的教学方法。

二、现代材料测试技术教学重点基本内容

现代材料测试技术这门课程，根据总的教育教学内容大纲和相关基本课程要求的设置，是需要老师对学生进行以下几个方面测试分析法的基本原理和主要功能的介绍和学习。

1.X射线单晶体衍射分析

基本原理：X射线单晶体衍射的最基本原理的应用是通过一个布拉格公式来展开的。根据布拉格公式的应用，主要涉及满足一定的晶体衍射条件，从而使波长或掠射角的改变等来实现的，X射线分析法就是利用这一公式，和对x射线相关分析仪器设备的常数改变和它所照出的晶体结构衍射图谱数据的不同来求出d，进而由d值来测定被测物，得出不同物相的相应数据。

主要功能：为了确定晶体结构来进行一定的晶体衍射数据的收集。整个过程主要包括：制备样品、样品测定、确定晶胞参数，设定参数进行数据收集，数据还原和结构解析。

2.光学显微镜分析

基本原理：利用众所周知的凸透镜和电子放大成像原理来进行。由于有些成像并非人的肉眼能够观测到，所以这时就需要仪器把那些细小的人眼看不见的微小物体尽可能地放大到人眼可以识别的范围内的尺寸大小。

主要功能：把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息。

3.扫描电子显微镜分析

工作原理：主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

主要功能：是为了获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等。

4.透射电子显微镜分析

工作原理：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨率、高放大位数的电子光学仪器。通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子素数或位向差别的多种信息。

主要功能：透射电子显微镜其实就是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，两者的工作原理相类似但也略有不同，只是透射电子显微镜的技术应用更为先进一些。但这两者都是专业研究者研究材料科学的常用技术工具和重要手段，能提供极微细的现代材料的組织结构，又能观测到其内部晶体结构，并可测定其化学成分等相关信息。

5.X射线光电子能谱分析

工作原理： X射线光电子能谱分析是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图，从而获得待测物组成。X射线光电子能谱分析主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析，包括价态。 X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱。

主要功能：（1）检测被测样品的表面组成分析，分析其化学状态。 （2）也可以对被测样品进行元素成分进行分析（3）还可以对被测样品进行原位处理。

6.红外光谱分析

工作原理：主要是由红外吸收光谱内的分子不停地作振动和转动运动而产生的，其中由于过于振动的缘故，有些分子原子会在原本平衡位置附近做一些相对的运动。而正是这些运动组成了振动图形。又由于分子运动时会产生能量，而这些能量正好与红外射线光量子能量对应，所以每当分子振动时就会相应的发射红外光谱，且分子越大，红外谱带也就越多。

主要功能：红外光谱的分析主要是通过对分子结构和化学键的振动频率来分析。可以作为表征和鉴定化学物种的方法来应用。除此之外，红外光谱也可对高聚物的构型、构象、力学性质的研究，也可以包括对物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域的广泛研究。

7.荧光分光光度计分析

工作原理：物质分子或原子吸收辐射被激发后，电子以无辐射跃迁至第一电子激发态的最低振动能级，再以辐射的方式释放这一部分能量而产生的光谱，光谱具有不同的波长，通过测定物质产生的光谱，确定物质的种类。荧光分光光度计是用于扫描液相荧光标记物所发出的荧光光谱的一种仪器。其能提供包括激发光谱、发射光谱以及荧光强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振等许多物理参数，从各个角度反映了分子的成键和结构情况。通过对这些参数的测定，不但可以做一般的定量分析， 而且还可以推断分子在各种环境下的构象变化，从而阐明分子结构与功能之间的关系。

主要功能：用于固体和液体等荧光物质的定量研究。

8.核磁共振分析

基本原理：首先核磁共振仪源于一种核磁共振技术的应用。核磁共振主要是由磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下发生自旋运动，发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。不同的原子核，本身自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数来表示。而且自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，可以分为很多种情况。现在广泛作为一种分析手段普遍应用于物理、化学生物等领域，到1973年才将它用于医学临床检测。核磁共振仪便是利用生物磁自旋成像技术，根据原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。

主要功能：核磁共振仪适合于对液体、固体的检测，技术发展到今天，这种技术仪器也支持了对微量样品的研究，而且，所成像的核磁谱图也得到了高效发展，由过去的单纯的一维谱图（1D）发展到如今的四维（4D）谱图，这就使得现代材料的分子结构更加清晰展现在人面前。

三、现代材料测试技术教学现状分析

我国正式开展研究材料和测试技术相关课程学习，是在上个世纪80年代开始的，当时我国好多高校通过开展引进仪器和传授理论课和实践课相结合的方式来进行教育教学。但是毕竟当时研究材料测试技术相关的课程主要是依靠从国外引进的一些技术仪器，所以对于我国材料学这门课程开展的现状有着一定的局限性：其一，由于引进的只是仪器，无法掌握这些仪器的相关构造技术和测试原理，所以，一旦这些寿命有限的仪器设备出现问题或者损坏，大多数是无法重组修复的，这也就造成大多数引入的仪器只能是老师等专业人士才能完全使用，除此之外多用于展示，而不能全部投入到实践课程中。其二，就目前情况而言，由于最先进的现代材料测试技术相关的仪器设备相对来说价格比较昂贵，所以大多数仪器购入数量相对有限，无法达到所有相关学院的教学和科研的配备，无法完成一系列的现代测试设备的科研和教学高度配合。因此，针对材料学相关课程内容设计现状进行相应的教学内容的改革是十分必要的。

四、现代材料测试技术课程教学不足分析

在我国现代材料测试技术课程教育教学开设中，还是存在许多不足之处的：

（1）教学教材内容跟不上时代发展变化，而且实际教学中所反映出来的分析方法跟不上现代材料测试技术这门课的最新进展和动态，这需要教师不断更新自己的课件和授课内容。（2）由于测试设备的缺乏以及现代材料测试技术的课时不足，导致学生很难实际接触和实际操作最新的现代材料测试技术的仪器和设备。大多数学生知识层面仅停留在理论而不是实践中。（3）课堂教学大多只停留在教师讲，下课学生自己理解和操作的阶段，没有很好的师生互动，而且受到实验课的课时数限制，学生只能是在课上参观授课教师的操作演示或者样品分析，而中间环节学生根本无法真正参与其中，这就导致学生只能依赖教师的讲解无法实际操作，无法达到最好的教学目的。

五、现代材料测试技术教学相关改进措施

其实现代材料测试技术这门课程开设目的就是为了培养学生的动手操作能力和综合分析能力。因此面对以上这门课程教育教学的发展现状和出现的一些教学不足之处，可采取以下应对和改进措施：（1）首先学校最好能够使材料学和一级学科工程两者内容结合，形成体系化的教学。同时要大力吸收最新的现代材料学的知识变化，时时更新现有的仪器，加大学校的科研能力储备设施。（2）学校要重视教师专业教学和科研能力的培养，教师要根据最新材料学发展现状，不断调节自己的教学方向，丰富教学教材的内容，完善修订自己的上课课件内容，同时加强对实验课的实验技能培训，加强综合研究型的实验室投入建设。（3）培养学生的综合能力，进一步加强材料学科涉及到的相关数学、物理、化学、生物等学科的基础教学和实践教学，提高学生的理论基础和动手操作能力，从而巩固和提高学生现代材料测试技术的理论基础和实际操作能力。（4） 调整现代材料测试技术理论考试和实验操作的评分比重，促使学生重视实验操作能力培养，有利于提高研究后续研究的科研能力。

六、现代材料测试新技术课程的教学改革成效

本课程教学改革授课对象主要包括桂林理工大学2012级、2013级和2014级化学工程与技术、应用化学、材料科学与工程、生物化学工程等专业的硕士研究生。通过本课程的学习，有效弥补了学生本科阶段的基础理论和实际操作能力的不足，显著提升了研究生的基础理论知识和材料测试和分析能力，明显提高了学生的科研能力。通过调查发现，通过课程教学改革后的现代材料测试技术课程学习，相关专业的硕士研究生发表的学术论文数量比原来高出30%左右。学术报告或毕业论文答辩体现的测试分析能力也大幅度提升。

结语

综上所述，现代材料測试技术这门课不仅是一门材料测试表征的学科，还是化学、生物、科学、物理数学等学科的综合应用体现，这些学科大多是基础性、创造性和实用性都比较强势应用的学科，尤其现代材料学是一门以研究物质的组成、结构的变化，性质规律的探讨为开发对象的科学，而且现代材料学还是当今信息、能源、环境、海洋、生命、空间等科学上最基础的研究保障和前提基础，可以说材料学是这些科学的合成。现代材料测试技术发展的最终目的是通过研究材料的微观结构和性质来研究材料的组成性质和结构，并据此来开发不同材料以及材料不同功能的应用，最终达到最大限度地对材料的综合应用。通过对某种材料结构的正确分析，就能够对材料在适应过程中出现的某种独特性能进行正确研究认识，从而对材料的合成应用提供科学的依据和指导。

以上通过对材料结构的相关课程分析、新旧教学方法的比较，启发我们在现代材料测试技术课程教学过程中，要根据本课程的教学内容、学科研究现状以及现代材料研究的需要，结合本校研究生的生源质量及基础知识掌握程度，进行有针对性的教学改革，可以有效提升教学质量，从而提高学生的材料测试操作能力以及测试分析能力，进而提高研究生的科研能力。我们针对研究生课程《现代材料测试技术》的教学进行行之有效的改革，希望能给本校相关课程教学的改革和其它院校的相关学科教学改革，提供可借鉴的经验。

参考文献

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