《現代材料分析方法》教學改革探索

王丁　祝元坤　詹科　王現英

摘要：《現代材料分析方法》是針對上海理工大學材料科學與工程學院三年級本科生所開設的一門重要的專業必修課。課程包括顯微分析、結構分析、成分分析和性能分析四大模塊，共涉及12種重要的表征儀器。針對此課程覆蓋面廣、知識點分散及實驗設備受限等問題，分別采用a思維導圖、虛擬教學平臺、案例教學等多種教學輔助方法提高學生的學習興趣，增強對儀器的動手操作能力。采用個性化的考核方式，客觀評價學生對知識的掌握程度。相關探索有助于激發學生對《現代材料分析方法》的學習興趣并對其他類似課程的教學實踐予以啟發。

關鍵詞：現代材料分析方法；虛擬操作平臺；教學改革；案例教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0119-02

據《中國新材料行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》分析，世界材料產業的產值以每年約30%的速度增長，化工新材料、微電子、光電子、新能源成了研究最活躍、發展最快的新材料領域。隨著材料科學的發展，新材料逐漸趨于納米化、智能化、復合化，對其結構和性能的研究越來越依賴于先進的測試分析技術。為了培養新時代創新型材料學科專業人才，上海理工大學材料學院開設了《現代材料分析方法》專業必修課[1]，使學生了解材料結構與性能的表征方法和相關測試儀器的結構原理，掌握現代儀器分析方法涉及的制樣技術，以及圖譜解析方法和它們在材料研究領域中的具體應用。《現代材料分析方法》課程的綜合性和實踐性強，知識領域廣，內容抽象，不易理解與掌握。很多學生對其不感興趣或聽不懂，導致該課程的教學效果普遍不理想。針對課程特點，通過改進教學方法和教學思路，培養學生的學習興趣，進而提高教學質量。從思維導圖、虛擬操作平臺和案例教學三方面入手，輔助個性化設計的考核方式使學生較好地掌握儀器使用方法，經過多年的探索，獲得了較好的教學效果。

一、思維導圖的應用

現代材料分析方法種類繁多、知識面廣、內容概念復雜，異于理論性和連貫性較強的基礎學科。因此，需要針對理科學生思維的特點，從不同表征方法的內在聯系入手，借助思維導圖這一有利工具，把各種分析方法進行聯系，從根本上理解不同分析表征方法的特點和優勢并做到有效區分和選擇。例如，從電子與材料的相互作用出發，通過思維導圖可以把電子和材料相互作用產生的各種情況逐一列出。如圖1，SEM主要是利用電子和材料相互作用產生的二次電子和背散射電子。由于產生的原理不同所以導致其兩種模式所獲得的差異結果。TEM主要是利用其薄膜樣品透過電子及散射電子在熒光屏上成像，通過調整物鏡光闌控制通過的光束從而獲得明場、暗場和高分辨模式。俄歇電子能譜主要是檢測發射的俄歇電子，XPS和EDX分別是檢測X射線為能量源激發出的光電子和以電子束為激發源激發出X射線。通過簡單的思維導圖就可以很容易的發現他們之間的不同和聯系。基于以上分析我們可以看出，思維導圖在現代材料分析方法中的應用可以有效貫穿各自孤立的表征方法并能夠有效的區分其不同點和適用范圍。

二、虛擬操作平臺的應用

《現代材料分析方法》是實踐性很強的課程。然而，由于教學資源的局限性及表征儀器的復雜性，很難保證每個學生都有上機操作的機會，從而導致學生在認知上基本停留在理論概念階段。網絡的發展極大地提高了我們信息獲取的可能性。通過引入網絡提供或自己設計的表征儀器虛擬操作平臺，使學生更加深入、形象地學習儀器操作方法并通過類比實驗教學達到掌握儀器操作的目的。以《現代材料分析方法》課程掃描電子顯微鏡（SEM）授課為例，重點是讓學生理解SEM樣品測試的原理、結構及應用。首先根據教學大綱安排相關教學內容，在介紹完基本原理后，調用澳大利亞顯微鏡和顯微分析研究中心開放性主頁所提供的應用與教學使用目的的虛擬操作平臺[2]。此操作平臺包括顯微分析及結構分析所有儀器虛擬操作。通過現場演示操作此虛擬平臺加深學生的印象。采用背散射電子和二次電子兩種成像方式分別模擬表征同一樣品使學生了解兩種成像方式獲得圖像的差異性。此外，還可以使用其他開放性網絡資源或相關儀器公司培訓時提供的3D動畫演示軟件，使學生有直觀感受，對所學知識印象更加深刻。若能使學生在實驗教學環節前預操作一遍相關虛擬軟件，通過和實驗教學環節類比或對比相關實驗則會有更加深入的了解。

三、案例教學的應用

案例教學法由美國哈佛法學院前院長C.C.Langdel于1870年提出。案例教學法是借案例作為教學材料，結合教學主題，通過討論、問答等師生互動的教學過程，讓學習者了解與教學主題相關的概念或理論并培養學習者高層次能力的教學方法[3]。作為科研第一線的教師，針對相關儀器的教學，應緊密結合自己在科研中的使用經驗有效設置若干問題，通過問題的討論和解答使學生理解科研的方法和思路。以碳納米管對內部填充的金屬納米顆粒催化性能的限域效應研究為例[4]。先采用不同濃度的硝酸，加熱處理分別獲得兩端開口或閉口的碳納米管。然后在惰性氣氛下熱處理，選擇性去除表面官能團獲得不同規格的碳納米管。通過特定方法制備碳納米管內部填充金屬納米顆粒的催化劑并研究其催化性能。因此，涉及到一系列的測試表征方法的選擇。首先，如何表征碳納米管的端部是開口還是閉口？學生經引導會提出使用TEM表征手段。接著，提問同學從TEM表征中還可以得到哪些信息？這里可以讓學生把自己認為可以獲得的信息列出來。針對列出的結果繼續問學生哪些正確哪些錯誤，錯誤的那些要通過哪些其他的表征方法獲得。碳納米管表面官能團的表征方法又有哪些？這些方法的優缺點分別是什么？碳納米的處理是為了讓金屬納米顆粒有效填充，如何知道納米顆粒是否填充了進去？顆粒的粒徑用什么儀器觀察？如何確定填充度？通過一系列的問題提出，討論解答使學生了解課題研究的思路。最后，給學生分享相關論文，讓學生深刻體會一項課題從構思到實施再到分析總結的過程。相關案例的介紹使學生更加深入的認識到材料分析方法是了解未知世界的工具。

四、個性化考核方式

科學的考核方法是客觀評價學生知識掌握能力的重要環節，對保證教學質量和人才培養目標的實現起著重要作用[5]。目前針對此課程形成了以能力測試為主的考核方式，主要考察本科生對分析測試儀器使用及數據處理的掌握程度。針對本課程的特點，考核分為兩個方面。（1）理論課考試是統一試題，考核學生對相關重要知識的掌握情況。（2）實驗課考試，基于上海理工大學實行的是導師制并且幾乎所有學生都有參與材料相關創新實驗的經歷這一特點。根據學生的研究方向適當分為若干小組，選用每個方向最重要的表征儀器，如對碳材料團隊的學生選用Raman廣譜儀判斷不同碳材料的缺陷及對性能進行預測；對微納材料團隊的學生選擇XRD讓學生研究材料組成和晶體結構等。相關考核注意考查學生理論聯系實際的能力及思維過程，沒有明顯對錯，只有合理與不合理的區別，充分體現答案的多樣性，鼓勵不同見解。靈活多樣的考核方式有助于調動學生的學習積極性，培養學生的自主學習能力和創新能力，達到提高教學質量的目的。

五、結語

教學改革的根本任務是讓學生從被動接受知識轉化為主動學習知識，讓學習變得更加快樂。以上所提到的教學改革方法必須考慮課程的教學重點和教學目的，有機地融入日常教學中，讓豐富的教學手段最大限度的激發學生的學習興趣，啟發學生科學創新思維。在教學團隊教師的共同努力下，經過幾年的實施和調整，明確相關教學改革思想的實施極大地提高了學生上課的積極性與主動性，開拓了學生的思維能力及實際動手能力。學生能夠主動利用相關儀器進行科學研究工作，培養的畢業生具有研究能力和實踐動手能力強、進入工作狀態快的特點，并得到了知名大學和用人單位的認可。

參考文獻：

[1]朱鈺方，朱敏，何星.研究生“生物材料學”課程教學改革初探[J].上海理工大學學報，2014，（36）.

[2]http：//www.ammrf.org.au/myscope/

[3]羅玉梅，王斌，王平.案例教學法在《材料分析方法》課程中的應用與思考[J].教育教學論壇，2012，（22）.

[4]Ding Wang，Guohui Yang，Qingxiang Ma，Mingbo Wu，Yisheng Tan，Yoshiharu Yoneyama，Noritatsu Tsubaki.Confinement Effect of Carbon Nanotubes：Copper Nanoparticles Filled Carbon Nanotubes for Hydrogenation of Methyl Acetate，ACS Catalysis，2012，（2）：1958-1966.

[5]褚海亮.《材料分析方法》教學的改革與探討[J].高校講壇，2012，（17）：124.