《材料現代分析技術》課程教學方法研究與實踐

[摘 要]《材料現代分析技術》課程在實際授課中存在理論性過強、內容晦澀難懂，學生學習積極性不高、興趣不大的問題。教學實踐中可以采用兩種有效的教學方法：加強背景資料的收集和介紹，提升學生的學習情趣；強化和內容相關案例的收集和介紹，增強學生對知識的歸屬感。實踐表明上述方法可以有效提升教學效果，激發學生進一步學習的興趣，變被動為主動，有效提高了學生的創新思維能力和理論與工程實踐相結合的能力。

[關鍵詞]材料分析技術 教學方法 實踐

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）21-0108-02

一、引言

《材料現代分析技術》課程是材料科學與工程類專業的一門專業特色課，是該專業的主干課程，在整個培養計劃的專業課程架構中起著至關重要的作用。眾所周知，材料是人類進化史的里程碑、現代文明的重要支柱、發展高新技術的基礎和先導。現代材料的發展在很大程度上依賴于對材料性能與其成分及顯微組織關系的理解。材料現代分析技術和儀器的發展，加深了對材料結構和性質的認識，促進了對材料本質的了解，使得對材料的組分構成、制備方法和工藝、組織結構與性能，以及它們之間的相互關系的研究愈來愈深入，為材料科學理論體系的形成打下堅實的基礎。國內的清華大學、哈爾濱工業大學的材料（金屬材料、無機非金屬材料及有機高分子材料）及熱加工（熱處理、鑄造、鍛壓、焊接）專業均開設了《材料現代分析技術》這門課，國外的如麻省理工學院的材料科學與工程專業也開設了《衍射與結構》、《材料的成像（微觀分析）》等類似的課程。由此可見，該課程在材料科學與工程類專業中的重要性。由于不同學校的專業傾向性不同，課程整體設置不同，講授內容和側重點也不同，因此根據自身的情況開設一門符合本專業特點的《材料現代分析技術》課程是非常有必要的。

二、我校開設該課程的基本情況

我校自2008年成立材料科學與工程專業以來，所在的材料科學系就根據國家本科生培養計劃，結合學校優勢專業和重點發展方向設置了《材料現代分析技術》這門專業特色課。我們選用獲全國普通高等學校優秀教材一等獎，哈爾濱工業大學周玉院士主編的“十五”國家規劃教材《材料分析測試技術》為主講教材。課程主要講授的內容包括X射線衍射、電子衍射原理、電子光學基礎、衍襯運動學基礎等基本理論和X射線衍射儀、電子顯微鏡等現代儀器的基本原理和結構，重點講授材料結構、晶體缺陷以及微區成分、微區形貌的基本方法，使學生掌握現代材料的分析測試方法和手段，提高研究和解決材料理論和工程實際問題的能力。

三、《材料現代分析技術》課程教學研究與實踐

該課程涉及大量材料科學和物理等領域的基礎知識，也涉及理論知識的工程實踐應用，還包含較多抽象的概念和晦澀難懂的公式推導，學生普遍反映該課程較難學。如何提高學生的學習原動力和興趣，讓學生能夠由被動變為主動學習；如何提升學生的創新思維能力，讓學生能夠把理論知識和工程實踐應用有機聯系起來，是擺在授課老師面前的兩道難題。因此，通過不斷改進教學方法、教學手段來提升教學效果是非常有必要的。筆者自該專業成立以來就一直擔任該課程的主講老師，積累了一定的教學實踐經驗。

（一）加強背景資料的收集和介紹，提升學生的學習情趣

該課程涉及的主要內容多是抽象的知識，如果直接進入主題，沒有預先做一些鋪墊，學生往往會感到困惑，直接影響其繼續聽課的興趣和對知識的深入理解。針對這個問題，可以通過預先介紹相關的背景資料來解決。例如在講授X射線性質的章節時，我首先介紹X射線發現者倫琴的生平，然后講述倫琴通過偶然現象發現X射線的過程，并給學生觀看倫琴夫人在X射線作用下與底片上留下的完整手骨影子，并提及我國的李鴻章在X射線被發現后僅7個月就體驗了此種新技術，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。通過這些背景的介紹，極大地調動了學生的積極性，學生迫切需要知道X射線的本質是什么，X射線和其他電磁波的本質區別是什么，X射線的具體用途有哪些。這樣再講授以上內容就變得順理成章。在講授X射線在晶體中的衍射章節時，我先介紹X射線衍射用于晶體結構分析的背景，也就是19世紀末20世紀初國際上困擾人們的兩個難題。第一個難題就是1895年倫琴發現X射線后，認為是一種電磁波，但無法證明。要證明X射線是一種電磁波，只需證明它可以通過光柵產生衍射，衍射產生的子波干涉后可以在記錄板上留下衍射花樣。然后提出X射線無法得到衍射花樣的兩個原因：1.X射線根本不是一種電磁波；2.X射線是一種電磁波，但由于波長極短，通過人工的方法無法制造出可以滿足衍射條件的具有足夠小狹縫的光柵。第二個難題就是同一時期晶體學家根據晶體的一些特性推測其由周期排列的原子、分子或離子組成，但無法證明。這兩個看似風馬牛不相及的難題被德國物理學家勞埃巧妙聯系在一起，他以單晶體作為天然光柵、原子之間的間距作為狹縫。狹縫尺寸如此小的光柵是人工無法制造出來的。他讓X射線照射到單晶體，然后觀察是否會產生衍射現象。結果他得到了世界上第一幅晶體的衍射花樣，震驚世界。勞埃不僅證實了X射線是一種電磁波，還同時證明了晶體的周期性。然后我又介紹了迄今為止和X射線及晶體衍射研究相關的諾貝爾獲得者以及他們的獲獎成果，從1901年X射線的發現者倫琴，1914年X射線衍射現象的發現者勞埃，1915年布拉格方程的推導者布拉格父子，到1962年脫氧核糖核酸DNA雙螺旋結構的發現者威爾金斯、沃森和克里克，再到1994年在中子衍射領域作出突出貢獻的布羅克豪斯和沙爾。通過以上背景的介紹，明顯提升了學生的興趣，學生很渴望了解X射線在晶體中產生衍射需要滿足什么條件，不同晶體是否會得到不同的衍射花樣，衍射花樣是否能夠反映晶體結構等等。接下來再講授這些內容，學生就很容易帶著問題來聽課，課堂紀律明顯提高，學生積極性也得到了提高。

由此可知，主講內容相關背景資料的介紹是否充分、是否到位會直接影響教學效果。

（二）強化和內容相關案例的收集和介紹，增強學生對知識的歸屬感

該教材正文中介紹了大量的基礎知識，包括概念、現象的理論解釋和原理、公式的推導等等，但針對某一概念或某一原理的案例很少，很容易讓學生對所學知識沒有歸屬感，即不明白學這些內容的用途是什么，使用的前提是什么，應用的條件是什么，結果形式是什么，如何具體問題具體分析。這些疑問，可以通過講解一些和內容密切相關的案例或者自己的研究成果來解決。在X射線物相分析章節，主要內容就是介紹單相分析的程序和注意的事項，相對簡單，很容易讓學生誤以為物相分析就是一件很簡單的比對工作。事實并非如此，實際中物相的鑒別是非常復雜的一件事。我以我的科研成果為例，介紹激光熔覆層的物相分析過程。1.試樣制備：熔覆層表面通常為火山口或山峰狀，要通過電火花切割法對其表面平整化；2.衍射花樣的標定：由于熔覆材料組分通常較為復雜，含有多種元素，在熔覆過程中會產生較為復雜的多種物相，且激光熔覆快速加熱、快速冷卻的特點也易產生亞穩定過飽和固溶體或中間相，晶格也會發生畸變。這使得其物相分析較為棘手。通常要分為以下幾個步驟：1.根據熔覆材料組分，結合相圖及熱力學計算來預測可能生成的物相種類，以及生成傾向性的排序；2.通過Jade軟件來進一步鑒別，初步標定主要物相組成；3.通過電子探針進行不同形態物相的成分分析，最終確定熔覆層的主要物相組成。在掃描電鏡和能譜分析章節，主要內容就是介紹其在微觀組織的應用，原理相對簡單，但在實際中較復雜。我也以我的科研成果為例介紹不同材料顯微組織分析過程。1.針對不同的材料，如何來選擇合適的腐蝕劑？腐蝕到什么程度較為適宜？2.如樣品導電性不好，需要通過噴金來提高像的襯度；3.在觀察時，如何選擇是用二次電子掃描還是背散射電子掃描？如何根據形貌襯度和原子序數襯度對增強相形態、大小、分布以及原子序數的相對高低進行合理分析？在進行微區成分分析時，如何合理選擇點分析、線掃描和面掃描這三種操作模式？如何對得到的成分信息進行合理分析？

通過大量案例和自身科研成果的介紹，學生加深了對基礎知識的理解，并提高了他們將知識和實踐相結合的能力，教學效果非常明顯。

四、體會和總結

《材料現代分析技術》理論性很強，通過上述介紹的兩種方法可以有效提升教學效果，激發學生進一步學習的興趣，變被動為主動，也增強了學生申報和參加大學生創新項目的積極性，有效提高了學生的創新思維能力和將理論用于解決工程問題的能力。在大學最后一個學期的畢業設計環節，這門課所學的知識得到了充分發揮，畢業設計的效率得到了提高，論文質量也有了較大的改善。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 鐘世云.麻省理工學院材料科學與工程專業本科培養計劃的分析[J].中國大學教學，2013（3）.

[2] 楊新亞.《材料研究與測試方法》的教學改革實踐[J].理工高教研究，2006（2）.

[3] 胡艷華，李鵬飛，郭鋒.提升“材料現代分析方法”課堂教學質量的實踐探索[J].內蒙古工業大學學報（社會科學版），2011（2）.

[4] 曲明貴，張靜武.“材料現代分析測試方法”精品課程建設實踐[J].教育與教學研究，2010（1）.

[責任編輯：鐘 嵐]