“實例系統化”在無機材料分析與測試課程教學中的應用

王秀英 張鋒 費旭 史非 徐龍權

摘要：《無機材料分析與測試》是一門實用性強的基礎課程。這門課程的開設，主要是為了讓學生掌握最基本的無機材料分析方法以及測試技術。筆者根據自身多年的教學經驗，通過本文提出在教學過程中采用“實例系統化”，即在講解所有的表征技術時使用相同的材料作為應用實例，以提高學生的學習興趣和達到學以致用的目的。

關鍵詞：無機材料分析與測試;實例;數據庫

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）47-0145-02

一、引言

《無機材料分析與測試》課程是材料、化學等專業的一門重要基礎課，是使學生具備應用無機材料表征技術的基本能力，為學生能夠獨立地進行無機材料的分析和研究工作及科學思維和創新能力的發展提供基礎和保障的課程。因此，本課程作為材料、化學等專業一門必修的重要基礎課，已在理工科院校越來越受到重視。其講授內容主要包括無機材料形貌、結構、物相和微區成分分析的理論基礎，是融合了化學、物理學、量子力學等的多學科知識，原理抽象，學生較難理解，且課時少，教學內容多，分析表征方法的原理又各不相同，知識點散，不易抓住重點。而教材內容的安排大多偏重于介紹儀器的工作原理，具體應用實例所占的篇幅較少，這不但使學生對理論知識理解困難，感性認識也相對匱乏，所以學生普遍感覺本課程內容抽象，理解掌握困難，是材料、化學類學科中難度較大的一門課程。

《無機材料分析與測試》課程所講授的內容和涉及的儀器設備屬于大型精密儀器，不僅價格昂貴，平時維護費用也較高。同時需要操作人員經過專門培訓才能使用，且承擔大量的科研測試任務。這些因素決定了這門課涉及的實驗教學內容只能以演示為主，而這只能讓學生對測試方法有一個初步的認知，并不能達到深入的了解和掌握。所以在畢業設計環節，往往會出現學生不僅對如何正確選用各種分析方法感到困惑，也很難正確地分析測試數據，這不僅延緩了畢業設計的進度，也影響了論文的質量。實際上，不管是考慮到本科學生的畢業設計還是他們今后的工作需求，只要掌握如何利用分析測試設備為自己的學習和研究服務即可，也就是說這些設備的具體操作和使用方法并不是他們必須掌握的重點。因此本課程的實驗教學的內容側重點應該由對大型儀器的參觀改為對實驗結果的分析更為合理，而選擇合適的案例則變得尤為關鍵。結合我校專業和學科特點及師生的實際需求，我們提出在教學過程中采用“實例系統化”。

二、“實例系統化”的應用

（一）應用模式

所謂“實例系統化”，就是我們在講解某一方法時，以當前研究最熱門的先進無機材料為實例，而我們在講解后續的各種方法時，也以相同的材料為實例。比如，無機材料TiO2、石墨烯等在當前熱門的太陽能電池、光催化、鋰電池等領域中有廣泛的應用和研究，我們在講解各種分析方法時，都以TiO2、石墨烯等的表征數據為實例進行介紹。特別是對含有相同元素的某類材料的表征數據可以進行對比講解（如C元素在石墨烯與C3N4中XPS數據的對比分析），以此加深學生對測試方法原理的理解。

在我們以往的教學模式中或者絕大部分的教材中，案例分析一般都不會選用同一種物質。我們采用“實例系統化”這樣一種模式，可以說是一次全新的嘗試，出發點就是讓學生通過用同一種物質將不同的分析測試方法聯系起來。這樣做，首先會使學生在接觸一種新的測試方法時有一個感性的認識，因為他們在前面課程的學習過程中已經對這種物質的某種表征數據比較熟悉了，再接觸一種全新的方法不會很抵觸。而且，很多分析測試方法有著必然的聯系，比如我們在講解銳鈦礦TiO2的XRD數據時，會指出各個衍射峰所對應的晶面間距，而我們在講解銳鈦礦TiO2的高分辨透射數據或者對其衍射花樣進行標定時，也會涉及晶面間距，這樣我們就能通過同一種物質將這兩種分析方法有機結合起來，使學生更容易接受和消化所學內容。同時也培養了學生及時溫習已學知識的習慣，避免“學后面忘前面”的情況發生。更為重要的是，各種分析表征技術的綜合運用能力的培養可以使學生的科學思維和創新能力得到更好的鍛煉。

（二）建立表征數據庫

要做到“實例系統化”，首先需要對先進無機材料有一個全面的了解。縱觀無機材料當前研究熱點，結合我校教師的研究背景，初步確定出幾大熱門研究方向，如太陽能電池、光催化、燃料電池、鋰電池、量子點LED等。進而歸納整理出研究熱門的無機材料，如TiO2、石墨烯、CdSe、Fe2O3、ZnO、C3N4等。然后就這些材料的表征數據按照表征技術（XRD、SEM、TEM、XPS等）進行分類總結，建立無機材料實例表征數據庫。這不僅為教學提供了豐富的案例，也為學生今后繼續深造和從事材料研究、生產等提供了翔實的參考資料。但需要注意的是，科學技術的不斷發展必然會導致新材料的層出不窮，各種分析檢測技術的革新也是日新月異，這意味著實例表征數據庫需要及時更新，緊跟科技發展步伐?，F在網絡信息發達，各大儀器廠家新儀器、新技術的推陳出新都能在網上及時獲知，各大高校也都有TOP期刊的電子資源，這給我們及時更新數據庫提供了便利條件。

應用這樣的實例不僅可以將研究前沿與表征技術緊密結合，突顯前沿性和實用性，使枯燥的知識變得易于接受，而且可以讓學生對無機材料當前的研究動態有全面的了解。經過調研，我校教師在這幾個領域均有深入研究，將專業教師的研究內容納入實例中，不僅可以讓學生能夠根據自身的興趣來選擇合適的畢業設計任務，還能激發他們踴躍參與大學生創新項目。筆者在教學中采用“實例系統化”后，最直接的感受是學生做畢業論文上手很快，對很多數據信手拈來，不需要再花費大量的時間查閱文獻，而且對數據的分析、實驗條件的優化能力也得到顯著提高。

（三）引入專題討論課

本課程內容多課時少，如果在課堂上給學生講解大量的案例是不現實的，而先進無機材料的種類又豐富多樣?；谶@種情況，我們引入了專題討論課。討論課是“教師和學生共同參與探尋知識的一種教學方法”，在很多課程的教學中都有成功案例。通過探索，我們總結出一種在《無機材料分析與測試》課程的教學過程中運用專題討論課的方法。其具體實施過程為：首先由教師擬定5～6個先進無機材料專題，該材料是教師在以往授課中未涉及到的。然后由學生依據自身興趣自主選擇或教師指定，就某一材料專題形成興趣小組。學生需要在國際權威科學雜志如《先進材料》、《美國化學會志》及《材料化學》上就所選“材料”查閱近年來發表的文獻，并精選出能夠體現該“材料”里程碑式的科學發現及涵蓋講授過的所有分析測試技術的文獻。文獻選定后，經過整理、分析和討論，最終由每個小組推選一名報告人，就本專題以科研論文討論的形式讓學生課堂匯報，匯報重點為多種測試方法的綜合運用分析。匯報課由教師主持，學生代表依次上臺，以多媒體為輔助進行匯報陳述。在每一位學生的匯報結束后，教師給予點評，在肯定其優點的同時指出不足。

雖然討論課會占據一部分課時，但是它的課程內容遠遠比相應課時教師講授課內容多。而且它的實施不僅開拓了學生視野，培養了他們的自學能力、查閱文獻能力、表達能力，還進一步豐富了實例表征數據庫內容。更為重要的是，學生通過文獻精讀，培養了科研思維，即如何通過嚴謹的數據分析得出科學研究的結論，而小組討論的方式還能有助于學生之間溝通和協作能力的培養。與此同時，教師的教學能力也能得到進一步的鍛煉，因為在討論課上可能會出現突發狀況，比如學生不愿意發言，情緒失控以及專題的討論要點與教師之前的設想大相徑庭等，這會影響課堂教學效果。所以要想上好討論課，需要教師花費大量的時間與精力進行準備，做好應對各種突發情況的備用方案。

三、結束語

《無機材料分析與測試》是一門應用性強的綜合性課程，在教學過程中采用“實例系統化”，突出前沿性和實用性的同時，還能顯著提高學生的學習興趣，并為他們的后續學習打下良好的基礎。目前，國內各大高校及研究所均有材料類眾多專業期刊的電子資源，如此豐富的參考資料不僅能夠讓老師及學生及時了解無機材料前沿方向研究動態，也能提供翔實系統的表征數據?！皩嵗到y化”不僅可以在《無機材料分析與測試》課程中加以應用，而且在凡是涉及到材料表征技術的相關課程中都可以實施，所以它的應用前景是非常廣闊的。

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