《材料现代分析技术》课程教学方法研究与实践

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[摘 要]《材料现代分析技术》课程在实际授课中存在理论性过强、内容晦涩难懂，学生学习积极性不高、兴趣不大的问题。教学实践中可以采用两种有效的教学方法：加强背景资料的收集和介绍，提升学生的学习情趣；强化和内容相关案例的收集和介绍，增强学生对知识的归属感。实践表明上述方法可以有效提升教学效果，激发学生进一步学习的兴趣，变被动为主动，有效提高了学生的创新思维能力和理论与工程实践相结合的能力。

[关键词]材料分析技术 教学方法 实践

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）21-0108-02

一、引言

《材料现代分析技术》课程是材料科学与工程类专业的一门专业特色课，是该专业的主干课程，在整个培养计划的专业课程架构中起着至关重要的作用。众所周知，材料是人类进化史的里程碑、现代文明的重要支柱、发展高新技术的基础和先导。现代材料的发展在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及显微组织关系的理解。材料现代分析技术和仪器的发展，加深了对材料结构和性质的认识，促进了对材料本质的了解，使得对材料的组分构成、制备方法和工艺、组织结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究愈来愈深入，为材料科学理论体系的形成打下坚实的基础。国内的清华大学、哈尔滨工业大学的材料（金属材料、无机非金属材料及有机高分子材料）及热加工（热处理、铸造、锻压、焊接）专业均开设了《材料现代分析技术》这门课，国外的如麻省理工学院的材料科学与工程专业也开设了《衍射与结构》、《材料的成像（微观分析）》等类似的课程。由此可见，该课程在材料科学与工程类专业中的重要性。由于不同学校的专业倾向性不同，课程整体设置不同，讲授内容和侧重点也不同，因此根据自身的情况开设一门符合本专业特点的《材料现代分析技术》课程是非常有必要的。

二、我校开设该课程的基本情况

我校自2008年成立材料科学与工程专业以来，所在的材料科学系就根据国家本科生培养计划，结合学校优势专业和重点发展方向设置了《材料现代分析技术》这门专业特色课。我们选用获全国普通高等学校优秀教材一等奖，哈尔滨工业大学周玉院士主编的“十五”国家规划教材《材料分析测试技术》为主讲教材。课程主要讲授的内容包括X射线衍射、电子衍射原理、电子光学基础、衍衬运动学基础等基本理论和X射线衍射仪、电子显微镜等现代仪器的基本原理和结构，重点讲授材料结构、晶体缺陷以及微区成分、微区形貌的基本方法，使学生掌握现代材料的分析测试方法和手段，提高研究和解决材料理论和工程实际问题的能力。

三、《材料现代分析技术》课程教学研究与实践

该课程涉及大量材料科学和物理等领域的基础知识，也涉及理论知识的工程实践应用，还包含较多抽象的概念和晦涩难懂的公式推导，学生普遍反映该课程较难学。如何提高学生的学习原动力和兴趣，让学生能够由被动变为主动学习；如何提升学生的创新思维能力，让学生能够把理论知识和工程实践应用有机联系起来，是摆在授课老师面前的两道难题。因此，通过不断改进教学方法、教学手段来提升教学效果是非常有必要的。笔者自该专业成立以来就一直担任该课程的主讲老师，积累了一定的教学实践经验。

（一）加强背景资料的收集和介绍，提升学生的学习情趣

该课程涉及的主要内容多是抽象的知识，如果直接进入主题，没有预先做一些铺垫，学生往往会感到困惑，直接影响其继续听课的兴趣和对知识的深入理解。针对这个问题，可以通过预先介绍相关的背景资料来解决。例如在讲授X射线性质的章节时，我首先介绍X射线发现者伦琴的生平，然后讲述伦琴通过偶然现象发现X射线的过程，并给学生观看伦琴夫人在X射线作用下与底片上留下的完整手骨影子，并提及我国的李鸿章在X射线被发现后仅7个月就体验了此种新技术，成为拍X光片检查枪伤的第一个中国人。通过这些背景的介绍，极大地调动了学生的积极性，学生迫切需要知道X射线的本质是什么，X射线和其他电磁波的本质区别是什么，X射线的具体用途有哪些。这样再讲授以上内容就变得顺理成章。在讲授X射线在晶体中的衍射章节时，我先介绍X射线衍射用于晶体结构分析的背景，也就是19世纪末20世纪初国际上困扰人们的两个难题。第一个难题就是1895年伦琴发现X射线后，认为是一种电磁波，但无法证明。要证明X射线是一种电磁波，只需证明它可以通过光栅产生衍射，衍射产生的子波干涉后可以在记录板上留下衍射花样。然后提出X射线无法得到衍射花样的两个原因：1.X射线根本不是一种电磁波；2.X射线是一种电磁波，但由于波长极短，通过人工的方法无法制造出可以满足衍射条件的具有足够小狭缝的光栅。第二个难题就是同一时期晶体学家根据晶体的一些特性推测其由周期排列的原子、分子或离子组成，但无法证明。这两个看似风马牛不相及的难题被德国物理学家劳埃巧妙联系在一起，他以单晶体作为天然光栅、原子之间的间距作为狭缝。狭缝尺寸如此小的光栅是人工无法制造出来的。他让X射线照射到单晶体，然后观察是否会产生衍射现象。结果他得到了世界上第一幅晶体的衍射花样，震惊世界。劳埃不仅证实了X射线是一种电磁波，还同时证明了晶体的周期性。然后我又介绍了迄今为止和X射线及晶体衍射研究相关的诺贝尔获得者以及他们的获奖成果，从1901年X射线的发现者伦琴，1914年X射线衍射现象的发现者劳埃，1915年布拉格方程的推导者布拉格父子，到1962年脱氧核糖核酸DNA双螺旋结构的发现者威尔金斯、沃森和克里克，再到1994年在中子衍射领域作出突出贡献的布罗克豪斯和沙尔。通过以上背景的介绍，明显提升了学生的兴趣，学生很渴望了解X射线在晶体中产生衍射需要满足什么条件，不同晶体是否会得到不同的衍射花样，衍射花样是否能够反映晶体结构等等。接下来再讲授这些内容，学生就很容易带着问题来听课，课堂纪律明显提高，学生积极性也得到了提高。

由此可知，主讲内容相关背景资料的介绍是否充分、是否到位会直接影响教学效果。

（二）强化和内容相关案例的收集和介绍，增强学生对知识的归属感

该教材正文中介绍了大量的基础知识，包括概念、现象的理论解释和原理、公式的推导等等，但针对某一概念或某一原理的案例很少，很容易让学生对所学知识没有归属感，即不明白学这些内容的用途是什么，使用的前提是什么，应用的条件是什么，结果形式是什么，如何具体问题具体分析。这些疑问，可以通过讲解一些和内容密切相关的案例或者自己的研究成果来解决。在X射线物相分析章节，主要内容就是介绍单相分析的程序和注意的事项，相对简单，很容易让学生误以为物相分析就是一件很简单的比对工作。事实并非如此，实际中物相的鉴别是非常复杂的一件事。我以我的科研成果为例，介绍激光熔覆层的物相分析过程。1.试样制备：熔覆层表面通常为火山口或山峰状，要通过电火花切割法对其表面平整化；2.衍射花样的标定：由于熔覆材料组分通常较为复杂，含有多种元素，在熔覆过程中会产生较为复杂的多种物相，且激光熔覆快速加热、快速冷却的特点也易产生亚稳定过饱和固溶体或中间相，晶格也会发生畸变。这使得其物相分析较为棘手。通常要分为以下几个步骤：1.根据熔覆材料组分，结合相图及热力学计算来预测可能生成的物相种类，以及生成倾向性的排序；2.通过Jade软件来进一步鉴别，初步标定主要物相组成；3.通过电子探针进行不同形态物相的成分分析，最终确定熔覆层的主要物相组成。在扫描电镜和能谱分析章节，主要内容就是介绍其在微观组织的应用，原理相对简单，但在实际中较复杂。我也以我的科研成果为例介绍不同材料显微组织分析过程。1.针对不同的材料，如何来选择合适的腐蚀剂？腐蚀到什么程度较为适宜？2.如样品导电性不好，需要通过喷金来提高像的衬度；3.在观察时，如何选择是用二次电子扫描还是背散射电子扫描？如何根据形貌衬度和原子序数衬度对增强相形态、大小、分布以及原子序数的相对高低进行合理分析？在进行微区成分分析时，如何合理选择点分析、线扫描和面扫描这三种操作模式？如何对得到的成分信息进行合理分析？

通过大量案例和自身科研成果的介绍，学生加深了对基础知识的理解，并提高了他们将知识和实践相结合的能力，教学效果非常明显。

四、体会和总结

《材料现代分析技术》理论性很强，通过上述介绍的两种方法可以有效提升教学效果，激发学生进一步学习的兴趣，变被动为主动，也增强了学生申报和参加大学生创新项目的积极性，有效提高了学生的创新思维能力和将理论用于解决工程问题的能力。在大学最后一个学期的毕业设计环节，这门课所学的知识得到了充分发挥，毕业设计的效率得到了提高，论文质量也有了较大的改善。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 钟世云.麻省理工学院材料科学与工程专业本科培养计划的分析[J].中国大学教学，2013（3）.

[2] 杨新亚.《材料研究与测试方法》的教学改革实践[J].理工高教研究，2006（2）.

[3] 胡艳华，飞，郭锋.提升“材料现代分析方法”课堂教学质量的实践探索[J].内蒙古工业大学学报（社会科学版），2011（2）.

[4] 曲明贵，张静武.“材料现代分析测试方法”精品课程建设实践[J].教育与教学研究，2010（1）.