关于材料分析方法课程教学改革的思考*

胡强飞，胡 坤，陈少华，马 婕，钱 泉，刘 辉

(安徽建筑大学金属材料工程系，安徽 合肥 230601)

材料分析方法是材料类专业(金属材料工程、无机非金属材料和高分子材料等)学习的专业基础必修课，在材料相关专业人才培养中占据地位，国内外几乎所有高校的材料类专业均开设了该课程[1-2]。从现有的材料科学研究四面体框架可知，材料分析方法是研究材料加工制备、成分结构、性能和使用效能之间关系的关键，该课程主要培养学生了解现代材料主要分析测试方法的基本原理、仪器设备及样品制备，表征材料的化学成分、结构特征、微观组织等，使学生对材料分析方法有一个较系统的了解和认识。但是该课程的理论涉及材料、物理、化学等多个学科，内容抽象且难于理解，是材料类专业课学习难度最大的课程之一[3-4]。传统的教学方法和实践已经不能满足当下教学需求和社会对材料类专业人才的更高要求，为了改变这一困境，本文从材料分析方法课程教学的工作实际及学校专业实际条件出发，从课程建设和实践教学等方面着手，进行了探讨和初步实践，这对深化我校材料类本科教学改革及新工科建设具有重要意义。

1 材料分析方法课程概况和存在的主要问题

材料分析方法课程的讲授，面临内容繁杂、理论抽象和概念较多等困难，而授课学时严重偏少，以安徽建筑大学金属材料工程专业该课程为例，只有48学时，主要讲授X射线衍射、材料电子显微分析、表面分析和光谱等内容，只能在较短时间内对理论部分做较为简单的介绍，结果就是讲的内容种类较多，每一种都只是浅尝辄止，最终的教学效果不太理想。自金属材料工程专业开设以来，材料分析方法课程一直是专业课学习重要组成部分，基本能按要求完成课程教学目标，但目前还存在着一些不足亟须改进。

首先，在课程内容安排方面重点不突出。在专业教材方面，采用南京理工大学朱和国教授等编著的《材料科学研究与测试方法》，内容覆盖面广，详略得当，系统介绍了X射线衍射原理及方法、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、材料表面分析和光谱等测试手段。为了尽可能让学生熟悉了解更多的材料分析方法，起初讲授的内容过多，而且都不怎么深入，对理论本身理解不到位，更不用说实际操作了，学生整体学习效果一般。

其次，实践教学条件不足。由于课程涉及到昂贵的大型分析仪器，比如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱技术、原子力显微镜、X射线衍射仪等[5]，仪器要么没有要么就是台套数只有1～2套，仅存的仪器还需要满足大量的科研任务，本科生亲自操作的机会基本没有，相关实验绝大多数只能是演示性实验，完全不能满足该课程实践性强的要求，学生大多是走马观花，起不到很好的效果。

最后，实验结果处理分析薄弱。课程讲授部分侧重基本原理的讲解，实验仪器重点介绍原理和操作，而对于测试结果的处理和分析明显不足。造成的结果就是开展了很多测试，根据测试结果画了许多图，就是不明白怎么解析图进而分析实验结果得出有用的结论。比如较为常用的XRD分析软件Jade和XPS分析软件XPS Peak没有涉及，基本要靠自学摸索，过程漫长效率低下，且对处理出的结果难以做出较为合理的分析，基本不能独立开展材料的研究和测试。

2 材料分析方法课程的改革举措

在理论教学安排中，结合金属材料工程专业特点和学校实际硬件条件，重点选取讲解X射线衍射(原理、分析及应用)、材料电子显微分析(扫描电子显微镜和透射电子显微镜)、表面分析技术(X射线光电子能谱仪和原子力显微镜)和光谱分析(红外光谱、拉曼光谱和电感耦合等离子体原子发射光谱)四大部分内容，并且在仪器应用分析部分简要介绍Jade和XPS Peak等分析软件的主要功能和操作，为后续的测试分析打下良好的基础。

为了尽可能让学生实际接触测试设备和方法，安排专门配套的实验课程。实验项目的安排要紧密贴近理论部分内容，要包括扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱等内容，让学生体会材料化学成分、结构和形貌分析等常见测试。比如基于磁控溅射在钢表面使用不同工艺制备不锈钢镀层，使用扫描电子显微镜观察镀层形貌和厚度(如图1所示)，利用能谱分析元素含组成和含量，结合X射线衍射分析物相组成和含量等，建立镀层制备工艺-结构-耐蚀性能之间的关系。在此过程中逐步理解各个仪器设备的主要作用，不仅促进了对材料分析方法课程体系及内容的理解，还能够对材料科学研究的基本思路有一定的领会。

图1 钢表面磁控溅射不锈钢截面形貌(a)和EDS(b)

在教学方式上，针对该课程抽象性强的特点，尽量把抽象内容具象化。比如基于实验原理通过仿真计算的方式将其结果以动画等形式展示出来[6]，直观形象的让学生了解实验背后的原理和测试过程与方法。比如说讲解物质对X射线的吸收作用时，可以采用动画的形式(如图2(a)所示)，形象地描述光电效应、俄歇效应和荧光效应产生过程，对俄歇电子等相关概念有更好的理解。再比如在学习电子衍射花样形成原理时，涉及到倒易空间和正空间的转换及衍射等知识，可以运用晶体衍射等相关软件对电子衍射过程进行演示(如图2(b)所示)，调节样品厚度、相机常数、加速电压和电子束方向等，观察得到的衍射花样，使整个实验更直观形象地呈现在学生面前，提高学习效果。

图2 俄歇效应与荧光效应动画(a)和NaCl晶体透射电子显微镜衍射图(b)

以学生为中心，充分调动学生的积极性，教师主要起引导作用。传统的教学偏重于理论教学，而忽略培养学生的实践能力，当前的教育教学改革应进一步强调学生的动手能力、创新思维能力和理解应用能力。因此课堂教学可借鉴目前颇受欢迎的“以学生为中心”的教学理念，让学生在课下通过自学完成对部分知识的学习，利用上课时间教师设计一些问题情境引导学生理清知识脉络，使用具体研究案例，调动学习的积极性，同时组织学生团队间协助合作、交流讨论的形式，实现对新知识的理解吸收与应用研究[7-8]。比如以某铜合金法兰失效为例，让学生运用材料分析方法从材料的角度分析法兰失效原因。引导学生从材料科学研究基本思路出发，把铜合金耐蚀性能看成一个使用效能，那么影响因素可能就是材料加工制备方式和成分结构，因此可以先从化学成分检验和原始材料组织观察入手，判断材料成分和组织是否合格；再从腐蚀前后材料表面和截面形貌入手(如图3所示)，并结合能谱等手段分析腐蚀产物情况。综合多种分析方法结果，从材料成分、组织结构和腐蚀产物相组成等方面做出判断，铜合金法兰材质选择不合适，其在海水中发生了严重的脱锌腐蚀，最终造成法兰失效。

图3 铜合金在海水中腐蚀表面(a)和截面(b)形貌

以大学生创新训练项目为重要载体，综合运用各种材料分析方法研究具体问题。目前大学生创新训练项目基本上做到了全覆盖，所有学生按3～4人一个团队组织起来在指导教师指导下研究材料相关问题。对照实际项目目标，引导学生从课题内容出发，针对项目内容需求合理选择材料分析方法，制定合理的测试方案分析研究问题。比如碳钢在海水中形成的腐蚀产物膜对腐蚀行为的影响，需要使用扫描电子显微镜观察碳钢腐蚀后的微观形貌，能谱分析腐蚀产物组成，通过XRD衍射分析腐蚀产物膜组成，运用XPS分析膜层每层结构组成，在这个过程中逐渐学会相关专业软件的使用，结合其他方式综合分析腐蚀产物膜成分、结构、组成对碳钢腐蚀行为的影响。其中涉及的XRD和XPS分析等过程可以先做一个简要介绍，然后把网上优秀的视频教程等资源推介给学生学习，让他们自主分析，再对出现的问题有针对性地展开解答。这样分析一个具体问题后，熟悉了最开始的电极制备、形貌结构表征和后续的数据分析这一较为完整的流程，让学生学习的独立的课程知识串联起来成为一个整体，增强学生课程学习效果，同时对学生开展了科研训练，培养了材料科学研究的基本思维，为学生后续开展毕业设计及以后从事相关科研工作打下一个良好的基础。

考核内容更加全面，综合考虑理论知识、实际案例分析和实验操作等因素。考核分平时成绩与期末考试成绩，平时成绩占40%，期末考试成绩占60%。平时成绩包括课堂作业、出勤、课堂表现、案例分析等。考试内容中基本概念和原理占比50%～60%，运用基本理论知识进行分析占20%～30%，理论结合实际占10%～20%。

3 结 语

材料分析方法是材料类专业的重要专业基础课程，是建立材料“制备加工-成分结构-性能-使用效能”关系的桥梁，是材料学科发展和人才培养的关键。针对目前该课程存在的问题，从教学理念上转变为“以学生为中心”，充分调动学生的主观能动性，教师主要起引导作用；从教学内容上，结合金属材料工程专业特点和学校条件，精简内容，重点突出；从教学方式上，变抽象为具象，利用各种技术让知识生动起来；从教学方法上，以大学生创新训练项目为载体，实践与理论结合，由点到面串联起各种测试方法综合运用；从教学评价上进一步降低考试比重，考虑案例分析和实验操作等因素，健全评价体系。用于材料性能检测、微观结构分析和化学成分分析的试验方法和检测手段不断丰富，新型仪器设备的不断更新，为材料科学研究提供了强有力的物质支撑，科研工作者掌握好材料分析测试方法能更好地开展科学研究工作。总之，材料分析方法课程教学内容的选择要考虑专业特点和实际条件、理论联系实际和新兴教学技术手段等，尽最大努力调动学生的主观能动性，培养学生创新意识及创新能力，取得更好的教学效果。在今后的教学实践中团队教师将不断探索优化，为培养社会满意的高素养的金属材料专业人才而持续努力。