材料近代分析测试方法的改革与创新

牛牧野+张兴华

摘要：针对材料近代分析测试方法课程目前面临的各种问题，以提高学生的学习兴趣为出发点，结合学生的认知能力，结合实际的教学情况，对本课程进行改革和创新。

关键词：材料分析测试方法；实验教学；理论教学；教学改革

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）41-0218-02

一、引言

材料是人类文明的基石，人类文明的发展史，即是人类学习利用材料，制造材料，创新材料的历史。随着科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越苛刻，对材料组织性能和微觀结构的研究越来越细致，越来越感兴趣，只有充分认识材料组成结构和性能之间的关系，才能在生活和工业生产中更好地运用和使用材料。因此，不断发展新的研究方法和测试手段，是当前研究的重要任务之一。在科研、生产实践中，需要的分析手段越来越多，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等高科技手段。所以了解这些仪器设备的工作原理、组成结构，熟悉设备的操作规程、数据处理和分析方法是非常重要的，为本科生研究生走上工作岗位或者继续进行更深入的研究工作奠定了扎实的基础。材料分析测试方法是一门实验方法课，这门课程不仅是以材料成分、结构及性能分析、测试为唯一目的，而且是材料科学与工程学科的重要研究手段。

材料分析测试方法是材料类专业必修的学科基础课之一，也是物理化学、生物、电子及材料成型与控制工程等相关专业的重要选修课之一，因此该课程具有较广的使用泛围。近些年，前人在材料分析测试方法的教学过程中，不断总结经验，改革创新，寻找新的教学模式和实验方法，为该课程教学质量的提高提供了一定的方向。

二、材料近代分析测试方法课程存在的问题

材料分析的基本原理是基于测量信号与材料成分、结构等的特征关系，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法。材料现代分析方法的主要内容包括材料X射线衍射分析与材料电子显微分析两大部分。该课程具有较强的理论性和实践性。另外，各种仪器分析测试方法是相互独立的，各成一体，知识点分散，不易掌握，尤其是大型仪器设备学生接触较少，且仪器原理概念比较抽象，具体实例不多，学生理解难度较大。同时学生对大型仪器等缺乏兴趣，也使得该课程的教学效果大打折扣。

材料分析测试方法课程目前存在的主要问题：

1.教材内容滞后。目前材料分析测试方法课程所采用的教材大多是十年前编写的，很多内容已经相对滞后，很难跟上目前所用新型号仪器的操作和处理数据的模式。比如XRD晶体的结构标定和物质含量的确定，以及谱峰面积的计算等。随着计算机技术的飞速发展，其对复杂数据的处理软件日新月异，许多十年前处理数据的方法已经淘汰，目前的Jade软件（处理XRD数据的软件）版本已经更新多次，但是目前学生所用的教科书中还是使用了大量的篇幅对老的仪器实行手动标注、对比卡片的方法进行介绍。新仪器和新系统的使用与书中陈旧的内容介绍相冲突，教科书仪器使用和介绍内容的落后和陈旧是目前材料近代分析测试方法课程存在的主要问题之一。

纯理论授课比较枯燥乏味，尤其是X射线晶体学这一部分，涉及到高等数学、微积分、物理化学等多方面的知识。

2.具体实验内容空白或偏少。材料分析测试方法是一门实验课，实践性很强。学习过程中理论知识和原理比较抽象，而实验课程内容基本空白，缺乏仪器使用的具体操作和使用方法的介绍，以及检测样品制备的详细说明，实用性欠缺。然而材料分析测试方法课程中涉及到的仪器XRD，SEM（扫描电镜），TEM（透射电镜）往往都是大型精密仪器，在许多高校往往只有1～2台，且都承担着繁重的科研任务，许多教师使用都需要排队或者预约，所以很难做到让大量的本科生独自操作摸索或者人手一台，因此也只能是教师演示操作，学生进行观摩实验，这也往往会降低学生对该课程的兴趣和认知。

三、课程的改革与创新

基于该课程上面提到的诸多问题和困难，本着培养学生实践能力和创新能力的初衷，结合学生的知识结构、学习能力和认知水平对材料近代分析测试方法课程进行改革和探讨。

1.选择适当的教材。一本好的教材可以在很大程度上提高教学质量，并激发学生的学习兴趣和热情。选择合适的教材，并结合学生本身所掌握的知识结构体系以及目前的认知情况，选用内容与本学院的仪器情况符合度高、理论知识全面、操作步骤和实验步骤详细、与时俱进的优秀教材。

所选教材为周玉主编的《材料分析测试技术》第三版，参考资料选用的是《材料现代测试分析方法》，由清华大学出版社出版，刘庆锁主编，两本教材内容之间有一定的互补作用，可以查缺补漏，相互补充，能够使学生很好地理解材料近代分析测试方法这门课程的主要内容。所选用的教材从仪器原理、使用方法、样品制备技术及仪器使用范围等方面详细介绍了X射线衍射（XRD，X-Ray Diffraction）的性质，衍射方向，强度，分析测试方法，透射电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscope）和扫描电子显微镜（SEM，Scaning Electron Mircoscope）的原理和使用方法等，X射线光电子能谱（EDS）、热重分析（TGA）、差热分析（DTA）及差示扫描量热分析（DSC）等近代材料分析测试方法。教材内容条理清晰，逻辑性强，重点突出，一方面使得学生拓宽了知识面和视野，另一方面也为学生毕业设计期间用到的表征分析方法打下基础。

2.改进教学方法。基于该课程涉及到的概念、原理、公式等专业知识较深，学生学习和理解较困难，仪器结构和操作较抽象等问题，本课程需要改进教学方法，采用新的教学手段。随着科技的发展，电脑等高科技设备已深入教育体系，教学手段也从板书转变为多媒体教学。而多媒体课件可以采用3D动画、图片、视频、辅助文字等多种表达方式，对该课程涉及到的仪器的结构、原理等方方面面进行更生动更清晰的展示，可以大大提高教学效果，调动学生的学习积极性。endprint

另外，课堂上教师要与学生进行积极的互动。在课堂上教师进行随堂提问，引导学生进行思考，相互之间进行讨论，并大胆发言，在每一种仪器相关原理和概念介绍完成后布置相应的作业，检查学生对课堂内容的掌握程度。另外为提高学生的兴趣，课堂上可以介绍一些檢测方法背后的小故事或者与实际密切相关的小内容。如X射线的发明人，伦琴是怎样发现X射线的，怎样成为第一位诺贝尔物理学奖的获得者的，以及X射线第一次在医学上的应用是在伦敦一妇女手中的软组织中取出了一根缝针。身体的任何部位、组织、器官都可以用X线显示并发现异常。

3.开展理论教学与实验相结合的教学模式。材料分析测试方法是一门实验性很强的课程，需要后续的实践操作来促进学生对实验技术的掌握情况。开展该课程的目的之一是培养学生在实际过程中进行分析测试的能力，使用操作仪器的能力，为学生接下来参加开放实验、创新实验、综合实验以及毕业设计论文的正常进行提供重要的基础。经过学生前期的学习，学生能够根据需求选择正确的分析测试方法。为保证理论教学与实践相结合，本课程可以分为理论部分和实验部分。而实验教学是本课程改革的重要环节，也是材料分析方法课研究性教学的载体，对调动学生的学习积极性、提高动手能力、培养创新思维具有十分重要的意义。

教师要基于学校的教学平台和实验课程学时数，开展实验课，理论教师与实验教师共同编写实验讲义，叮嘱学生在实验之前进行预习，并将理论课上没有的一些注意事项及详细的实验步骤、对应的原理和结构进行详细讲解和演示，让学生实实在在的接触到仪器，加深学生的理解。

四、结束语

综上所述，要提高材料近代分析测试方法课程的教学质量，需要教师本身带着认真负责的态度，选择合适的教材，结合多媒体教学在原有的教学方法上进行教学改革，弥补不足，开展理论教学和实验教学相结合的教学模式。提高学生的学习兴趣和求知欲，培养学生的创新能力和解决问题的能力，使得学生能够将理论知识灵活地应用于实际，为学生以后的全面发展和综合素质的提高打下扎实的基础。

参考文献：

[1]李婷，李廷成，张俊珩，等.《材料分析测试方法》课程的教学改革探讨[J].广州化工，2016，（05）.

[2]周玉.材料分析方法3版[M].北京：机械工业出版社，2011：1-2.

[3]刘庆锁.材料现代测试分析方法1版[M].北京：清华大学出版社，2014：1-2.

[4]王瑞勇，季米娜，张璐，等.仪器分析理论课程教学实践与探索[J].光谱实验室，2011，28（1）：259-261.endprint