XRD的实验教学改革与研究

张 鹏，吴抒遥，关宏宇，单炜军

（辽宁大学化学院，辽宁 沈阳 110036）

X-射线粉末衍射仪的英文名称是X-ray powder diffractometer简写为XRD。其任务主要是用来分析多晶体聚集体的聚集结构[1]。此技术早在1916年建立，至今已有100多年的历史。X-射线粉末衍射仪在很多方面起着至关重要的作用，是很多研究院、各大高校实验室及质量监督部门的常用设备。因是一种非破坏性的测试方法，其样品可直接回收再利用等优点，近年来已经发展为高校科研物相分析的常用方法。应用面也是越来越广，比如物理、化学、矿业、冶金和药物等许多科学、技术部门不可或缺的技术。

不仅晶态物质的结构可测非晶态物质也同样适用。对于单相的纯物质而言，可与粉末库的标准物质图进行比对做定性分析。定性分析只能说明样品的组成，还可以通过定量分析的方法测定多相物质的组成比。

近年来，我国很多高校存在重理论轻实践的问题，教学期间实验数量跟不上且枯燥，学生使用的实验设备老旧，实验内容不变，实验报告的机械化。一般的实验过程都是由老师示范，学生模仿，得出结果后，由老师检查，若符合误差范围，实验结束。

传统的实验教学方案，只能加固学生对实验结果的印象，更好的理解课本知识，这样传统的教学方案只能应付学科考试，学生对其收获微乎其微。同样，传统实验对教师来说也只是机械地重复，这样也限制了老师的创新型，而老师的这种思维模式很自然地会传递给学生，从而形成了恶性循环。

随着公共卫生事件突发，全国各高校及其他科研机构所面临的共同形势促进了对仪器分析的教学改革。因此，学校应该对XRD仪器分析实验课进行改革探索，通过优化XRD仪器分析实验的教学环节、模式和方法进行创新设计，使仪器分析实验课成为实用型人才培养的理想平台。[2]

1 XRD仪器分析实验教学的问题

除当下社会环境的影响外，还有一些具体因素使得每一个教育工作者去身临其境的思考，而思考的问题侧面反映了目前仪器分析所面临的问题。

仪器设备价格昂贵有辐射，不敢让学生自主操作。很多高校由于经费紧张，因此大型精密仪器数量有限，从而导致用于教学与科研使用的是同一台设备。既有时间冲突又存在实际实验教学中只能以小组为单位同时参与，使得学生独立操作仪器设备的机会较少，教学效果不理想。同时因X-射线粉末衍射仪具有一定程度的辐射，无论在科研与教学过程中，都不放心让同学们独立自主的操作，需要在老师的指导下操作部分过程，加大老师工作量的同时也降低了同学们主动学习的积极性。

对于设备的保养维修缺乏经验。对于大型精密仪器设备需要定期保养与维修，在这方面各院校自身体系尚不成熟且维修经费不足，大部分维修工作只能寻求专业工程师的帮助。如遇仪器突发故障只能凭借使用经验降低危险，而维修工作只能从工程师获取经验，外部信息单一，维修进程曲折时间长。对于需要更换的零部件采购问题同样存在途径单一的难题，现国内对X-射线粉末衍射仪器的零部件生产商非常少，绝大部分需要进口途径，且不同型号的仪器设备零部件不能通用，这对目前仪器的保养与维修来说有劣势存在。

科学发展日新月异，对测试方法有新的需求。各院校的科研项目及教学内容都有不同，即使是同一高校同一院系科研项目方向也不尽相同，这导致对分析测试的方法需求不一致。X-射线粉末衍射分析虽然适用范围很广，但对不同物相的衍射强度不相同，所以灵敏度不同，而导致一些对吸收系数有特殊需求的样品难以检出，需要做参数重新设置进行调试。这就加大了测试时长与难度，有时会导致学生在预约测试时间内无法完成测试。

实验教学模式单一，缺乏开放性和综合性。由于各大高校及院系的实验仪器在使用过程中基本上遵循课程体系按部就班进行，这就导致了学生只能在课程设计体系中进行实验仪器操作和使用。然而 XRD仪器具有很多功能，可以进行多种分析，学生在课堂中所接触到的仪器使用操作单一，很难全面的、综合的了解XRD仪器的所有用途，从而不能够更好地灵活使用仪器去创造更多的、更具创新性的科研成果。

XRD仪器分析在虚拟实验室及虚拟仪器的应用上困难大。由于目前环境因素的限制，部分高校为了学生的实践技能提升开启线上实验教学的设计，一种新型的采用计算机进行模拟的虚拟实验室系统应运而生，进行辅助教学。而对于X-射线粉末衍射仪可根据图谱进行结构的定性分析从而对样品的测试图谱有一定的要求，为了帮助学生实现这一学习目标，学生必须学会测试设备的调试、设置参数和检测过程的规范操作，以达到能够识别和比较某些物质的衍射峰及谱图特点，将物质结构与其特定属性联系起来。因XRD仪器的组成复杂且具有辐射操作需谨慎，然而线上的虚拟实验都规避了这些问题的存在，学生们通过计算机的鼠标控制就得到了标准的图谱，使得学生这一教学主体对整个实验仪器的相关性、实用性和激励效果略微消极。

实验课程数量不足导致理论与实际结合效果差也是重要问题。对比理论课学习，实验课程在整个课程体系中占比较少，在X-射线粉末衍射仪器数量本就少的情况下，学生很难在短时间内准确的分析和判断实验中所出现的现象，更加难以与结果讨论相结合。多数情况下都是一知半解，对理论与实际的结合也是囫囵吞枣，这也在很大程度上阻碍了学生增强分析问题及解决问题的能力。这与教育部及各大高校今年来所倡导的培养学生具有创新能力的目标有些背道而驰。

实验课程学习中相匹配的教材及学习模式可供参考较少。任何课程的学习都需要适合学生的教材和学习模式或方法可供参考，实验仪器的教材不应该仅体现实验学科的逻辑、提示教学进程，还应该具备为学生对实验的兴趣提供指引、唤起求知欲望、提示操作方法、促进学习个性化和差异化及便于巩固学习成果的特征。而对于仪器分析的实验教学通常是由教师根据具体的实验条件及科研环境有目标有针对性的在教学过程中对教材内容进行方法化处理，形成适用于XRD仪器分析实验课的有效教学课程。在这个过程中，因不同高校购入的仪器具有不同的生产厂家及型号，使得仪器在使用过程中有参数调试的区别和具体操作的差异，这就造成了基础教材的通用性受限制。且XRD仪器因其特征X射线波长不同对应不同物质的检测范围，而高校实验室及科研院所通常都使用固定的一种波长范围如常见的铜钯等，这在实验的教学过程使得学生们对测试方法及适用范围的理解与运用缺乏更好的实践检验。

实验指导教师对仪器的灵活使用及讲授经验有待提升。现行条件下，X-射线粉末衍射仪的实验课程指导教师大多由对应学科理论课程教师组成，理论课老师对理论课程掌握能力理解能力均有很大的保证，但是对仪器的突发问题、解决方案及灵活的传授并解答学生的疑惑等方面经验还有待提升。大多数指导教师只是进行了简单的仪器使用培训和常规的基础操作的讲解开始后对学生进行指导，这种办法可以保证学生对仪器使用的基本操作有一定的了解，但是学生想要增强仪器使用拓展、功能性研究显然难以实现，从而也影响了整个实验教学的创新性和完整性。

2 XRD仪器分析实验课程教学改革与探索

促进教学质量的提高，满足学生的实际需要。现有的XRD仪器分析实验题目大多陈旧落后，教学内容的突出性和应用性不强，难以适应现代分析化学的发展需求。XRD仪器分析实验的教学内容应充分体现其实用性，根据教学的特点，在教学的基础上，实验内容应更好地体现XRD仪器分析的新理论和新应用，让学生熟练地掌握XRD仪器分析测试方法，同时，及时了解XRD仪器分析的最新技术成果。在实验教材内容的选用上，不仅需要体现出实验学科的逻辑、提示教学的进程，还应该具备为学生的实验兴趣提供指引、促进学习个性化和差异化及便于巩固学习成果的特征。这里，考虑到实际教学条件及学生不同的专业背景，可以在专业培养的基础上编写XRD仪器分析实验教材，结合专业和行业需求，选取应用性强的内容，除了可以提升学生的学习兴趣还解决了实际动手能力。为了使学生更好地了解XRD仪器分析方法的最新进展，将开展科研课题的内容引入仪器分析实验的教学内容中，使学生更及时地了解前沿知识。同时可以为任课老师提供定期专业培训的机会，及时掌握先进设备的发展动态，保证实验教学的连续性和有效性。此外，每学年可以开展一次关于仪器操作和案例分析的报告，由学校实验中心的实验岗老师或仪器工程师讲授，通过与学生的沟通，提高学生对仪器使用的拓展和功能性研究的深入，并将目前信息反馈与开发商，更新和改革仪器，为更好地科研方便提供技术支持。

充实教学方法，增强教学辅助手段。XRD仪器分析实验通常采用传统的灌输式教学模式，一般由老师在黑板上写详细实验步骤，再让学生“依葫芦画瓢”，这种单调而古板教学方法，很大程度上抑制了学生思维的创新。而且，让学生动手的机会较少，授课效果欠佳。改变传统的灌输式教学模式，充分利用先进的实验教学手段,进行多种方式的教学，提高学生的积极性和创新能力的培养。如今的互联网时代，它不仅是一种技术和信息的传播，更主要的是对思维方式得改革。而优势互补、资源共享，已成为培养学生、促进教学改革、推进学科发展的重要手段。学生可以通过多种途径获取知识，百度文库，微信公众等，这些不仅可以提供学生自主学习的需求，还可以进行交流学习。对于教学同样可以利用多元化资源，让教学的内容更加生动并与时俱进。例如，在教学中，教师可以采用灵活的虚拟仿真实验，向学生展示仪器的相关性、实用性，这种方式不但可以使学生更加清晰地了解实验内容，还可以弥补在操作中不经济、安全性低等问题[3]。同时，解决了因仪器设备昂贵和维修时间长影响教学质量的问题。考虑到学生对仪器组成及内部结构认知的缺乏，学校可以建立计算机网络虚拟实验室，通过信息资源共享，使学生改被动为主动更直观地学习相关知识，从而不断提升XRD仪器分析实验课的教学质量。

抓好实操环节。XRD实验教学的实操环节是学生掌握实验技能的重要环节，教师在实验中，要求学生积极动手操作、细心观察实验现象并认真完成实验的每个环节。鼓励学生熟练掌握仪器设备的操作，提高学生实际动手能力，促进学生对XRD仪器原理的深入思考与理解。实验后，任课教师引导学生进行科学分析和处理实验中遇到的难题，培养学生独立思考解决问题的能力，切实提高学生的综合素质。培养学生良好的实验习惯，为国家培养更多的应用型人才。

为了取得良好的教学成果，教师需提高学生的主动性。学生在以往的实验中，教师会把具体的实验方法进行讲解，学生只要按照老师教的做就可以完成任务，这样就会造成学生自主探究能力差，做完实验，还不太清楚原理是什么？为什么这样做？究其原因是教学方案的引导性不足，没有调动学生的主动性。教师可以针对目标知识设置一些问题，让学生通过实验自主寻找答案，而不是一味地照单抓药。

信息化手段也可以提高课堂参与度。传统的教学方案，往往是通过提问来引导学生进行思考，而这样做的结果一般只有少部分的学生积极参与，大部分学生只是旁观。这时候，教师可以通过学习平台发起讨论，让每一位学生都必须参与教师的问题，同时教师也可以随时了解每一位学生的情况，从而更加有效地提高课堂教学效率和灵活使用XRD仪器。

如今，多媒体的发展也为教学提供了生动、多样的手段。通过多媒体将一些枯燥无味的理论知识变得有趣和直观，如将X射线产生的原理制作成动画演示出来，教师平时样品及制备过程可以通过3D动画模拟出来，或者录制成视频，让学生在短时间内，对XRD仪器有深入的了解。同时，现在的高校有很多大学生创新大赛、挑战杯等科研比赛，可以鼓励学生积极参与，并为学生提供一定的实验环境，将实践教学与这些活动相结合，让学生在参与项目的过程中发挥主观能动性，同时更熟悉XRD仪器。

优化教学资源的配置。目前，试验台数和学生数的不匹配，也是导致很多学生实操不到位的主要因素之一。一方面，可以增加实验室的开放时间，利用白天和部分晚上时间对学生进行开放，这样不但为对实验感兴趣的学生提供了条件，也解决了课程安排紧张的问题，同时也提高了设备的利用率。另一方面，可以利用社会力量，筹措资金，加强校企合作，加大对实验设备的投入，来缓解学校资源紧张的问题。

新世纪，我们的祖国日益富强，科技成果日新月异，培养应用型人才，是我国高等教育紧迫和长期的重要任务。XRD实验教学担负着培养学生理论与实践能力等方面的重要任务。随着XRD设备及软件的快速发展，通过教学内容和方法的改进使整个实验教学过程，实现了理论与实践的渗透和融会贯通。因此，这种实验教学改革不仅让学生学到了XRD知识，掌握了XRD的基本操作达到了教学目标，也培养了高素质应用型人才，提升了学生的未来就业竞争力，使学生能够真正实现知识、能力、素质的协同发展。