材料现代分析方法课程教学改革的探索与实践

王 萌 马向东 李烨文 金若其 艾于翔

（中国矿业大学（北京）材料科学与工程系，北京 100083）

0 引言

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类文明的重要里程碑。当今社会将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。材料的组成、结构和性能是材料科学研究的重点。改进材料的微观结构是提高材料性能、开发新材料的有效途径。因此，材料学科的发展与材料分析技术的发展密切相关。随着对高性能材料需求的不断增长，材料的结构和性能表征分析技术显得越来越重要。目前，国内外众多高校在材料类本科生和研究生培养计划中都开设了材料现代分析方法课程，旨在培养学生掌握现代材料科学研究中常用的先进分析技术，了解仪器工作原理、基本结构和操作步骤，正确选用合适的分析方法解决实际科研工作中的问题，从而为学生将来从事材料领域相关工作或攻读研究生提供必备的材料测试技术基础理论与科研技能[1]。然而，随着先进分析技术的不断发展和进步，目前常用的材料分析方法种类多且杂，使得该课程涉及的学科面广、理论知识抽象、实践难度大，造成教学效果不够理想。笔者根据该课程授课过程中发现的问题，从课程内容设置、教学模式、教学方法等方面进行和教学改革探索实践，供读者及相关授课教师参考指正。

1 课程内容的设置与优化

材料现代分析方法是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论基础的科学，课程内容涉及物理学、光学、材料科学基础等多个学科，涵盖知识面广，且表征分析方法众多，如光学显微分析、X射线衍射分析、电子显微分析、热分析、光谱分析、质谱分析、电化学分析等[2]。而每种分析方法都有其各自的特点，涉及的基础理论知识、仪器工作原理、试验技术和数据分析方法也各不相同[3，4]。因此难以在有限的课程教学时间内对所有分析方法进行全面系统深入地介绍。笔者结合本校材料科学与工程专业的培养计划特点和实际实验仪器设备情况，以分析仪器和实验技术为基础，将光学显微分析、X射线衍射分析和电子显微分析三部分内容作为本课程的主要授课内容，其他表征方法则要求学生在其他课程、课下和相关科研训练环节中自主学习掌握。光学显微分析、X射线衍射分析和电子显微分析三部分内容看似独立，但内在物理基础都是基于电磁辐射或粒子束与材料的相互作用。基于光学显微镜仪器构造和操作相对简单、学生对光学物理和金相分析相关知识熟悉度高，在本课程授课过程中，以光学显微镜为基础，利用对比方法重点介绍X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等分析仪器在工作原理和仪器构造上的异同，并详细说明相关的材料微观组织结构和微区成分的分析方法原理及其应用。通过教学内容的贯穿和对比，提高了章节间的连续性和系统性，帮助学生准确掌握理论框架，加深学生对知识点的理解和记忆。

2 教学模式的改革与实践

材料现代分析方法是理论与实践紧密结合的一门课程，除了掌握基本结构和工作原理之外，更重要的是让学生学会正确选用合适的分析方法以解决实际材料研究工作中的问题[5]。在早年授课过程中，学生普遍反映课程理论知识难度高、微观原理较抽象、对相关仪器和操作方法无法形成具象认知。针对上述问题，中国矿业大学自2018年开设了材料现代分析技术综合实践选修课程，旨在使学生能运用材料现代分析技术的基本理论，通过实际操作掌握材料分析的基本实验方法。配合材料现代分析方法的三个板块的授课内容，实践课程将45号钢和GCr15轴承钢作为实验样品，要求学生自主制订实验方案，独立进行仪器操作和测试，完成样品热处理—性能测试—结构表征整体过程，提交实验分析报告。具体内容涉及使用高温炉进行热处理，使用金相显微镜进行组织观察，使用X射线衍射仪和Jade软件进行样品成分和结构分析，使用扫描电子显微镜进行形貌观测，使用硬度测试仪进行硬度分析。在实践过程中学生能够真正应用所学的表征方法和手段去解决具体实验问题，在提高创新意识的同时可锻炼动手能力。从教学效果来看，学生参与实践课程的积极性较高，在实验过程中能主动思考、发现和解决问题，对相关表征仪器的工作原理、操作步骤和数据分析认识加深，更加准确地把握了理论课程的基础知识框架。

3 教学方法的探索与实践

3.1 案例式教学

针对本课程涉及的各种测试方法的工作原理、仪器结构及在材料分析中的应用，采用案例式教学方法，通过具体的科研实例和工程实例分享及表征测试结构的分析探讨，突出理论与实际的联系。例如，在讲解X射线衍射时，以学生熟知的珠光体为例，利用常规化学分析方法无法说明每种元素的存在状态，而X射线衍射分析方法则可分析出碳元素的存在状态，从而帮助学生认识到X射线衍射在物相分析上的重要作用。在讲解电子显微分析技术时，通过结合科学研究最新进展，展示粉笔灰、头发、血小板细胞、SARS病毒和2019-nCoV病毒等材料的扫描电镜图片，吸引学生的目光，提高学生的学习兴趣；通过展示不同热处理下镁铝合金拉伸后断面的扫描电镜微观形貌照片，帮助学生理解微观结构对材料力学性能的影响；通过展示位错线、层错像、第二相粒子等晶体缺陷的透射电镜图片，让学生对这些十分抽象的晶体学理论概念形成具象认识。

3.2 启发式教学

在授课过程中通过启发、诱导、提问、设问和反问等互动方式，激发学生的求知欲望，启发学生自主进行思考。在讲解知识点的同时，引入相关研究背景和最新科研成果进展的介绍，增加与学生互动、与其他课程相关内容互动的环节，使学生更好地理解相关知识，激发学生学习的主动性和积极性。例如，在介绍电子显微学的基础知识时，首先通过互动提问引发学生思考现有光学显微分析技术在材料领域研究中的应用和局限性，提出问题，将前期学习的知识进行回忆和串联，并由此引申，带领学生一起回顾电子显微技术的发展历史，让学生充分认识到电子显微技术对当今科技发展和材料领域研究的重要性。在透射电子显微镜的仪器结构介绍时，引导学生寻找光学显微镜和透射电镜的仪器结构的异同，加深学生对透射电镜仪器结构和工作原理的认识和理解。

3.3 融入课程思政元素

通过将材料表征方法发展历程、国内外科学家故事、目前国内外先进表征仪器发展现状等思政元素多元化、“润物细无声”地融入教学中，培养学生的科学精神和科学思维，树立学生的民族自豪感和使命感。从课程讲授、课堂讨论互动、课后作业三个方面进行课程思政的探索和实践。例如在课程讲授过程中，通过劳厄发现X射线的衍射特性，到布拉格父子设计X射线光谱仪并应用于晶体结构研究的介绍，向学生展示科学研究者所应具备的探索和创新精神；通过电子显微镜的发明历史介绍，向学生展示基础研究与应用研究相辅相成的关系，提高学生对基础知识学习的重视，培养学生的科研兴趣；通过白春礼院士研制我国第一台扫描隧道显微镜CSTM-9000的故事，学习科学家精神，增强学生的爱国情怀。在课堂讨论互动中，通过2017年诺贝尔化学奖冷冻电镜技术发明者之一的理查德·亨德森的研究经历，向学生展示在熟悉的研究领域要敢于突破创新，接受新技术新思想并将之巧妙结合利用；通过新冠肺炎病毒检测方法的不断完善和进步，向学生展示科技的进步对人类健康安全的重大意义和学习现代表征方法的重要性，提高学生的民族自信心，激发学生的科研兴趣。在课后作业方面，通过让学生调研最新电子显微技术和相关仪器联用技术应用现状，使学生认识到科技创新的重要性，激发学生对课程的学习热情，树立“勇于攻坚克难、追求卓越、赢得胜利，积极抢占科技竞争和未来发展制高点”的奋斗目标。

3.4 采用多种教学手段

通过多媒体教学与传统教学相结合，充分利用多媒体教学手段，提高教学效率。例如，制作视频动画对X射线与物质的相互作用、电子与物质的相互作用进行说明，增加直观性，帮助学生理解这些抽象的物理过程，提高课堂趣味性；通过多媒体播放各种分析图谱和处理方法，强化学生对知识点的理解；利用视频动画对X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等的仪器设备结构和操作方法进行解析和演示，对课本和PPT教学内容进行针对性的丰富和补充；通过实际仪器分析视频播放或材料制备分析视频播放，使学生形成更加直观的印象，加深学生对这些材料分析技术的实践应用的认识。

4 结语

材料现代分析方法是材料类专业学生的主干课程，针对授课过程中遇到的问题，笔者进行了课程教学改革的探索与实践。在教学内容方面，首先结合我校材料科学与工程专业的特点，进行了课程知识点的梳理优化，将课程内容系统分为三大板块，帮助学生理清课程学习思路。在教学模式方面，除理论授课外，我校设置了材料现代分析技术综合实践作为配套实验选修课程，根据理论知识的重点和难点设置实验课程的内容，在学生自主设计并进行实验表征的过程中加强对理论知识的理解和掌握，锻炼学生的动手能力，全方面培养了学生的科研能力和综合素质。在教学方法方面，通过应用案例式、启发式、互动式等教学方法，激发了学生的学习兴趣和积极性；通过融入课程思政元素，培养学生的科学精神，激发学生的责任感和使命感；通过多种教学手段的应用，将理论学习与动画、视频演示相结合，加深了学生的直观印象，强化了教学效果。该课程取得了良好的教学实践效果，对培养具有基础科研技能的研究型和应用型人才起到重要作用。