精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)淺談

婁超

摘 要 材料學(xué)是學(xué)生接觸材料領(lǐng)域、定位未來方向的入門課程，學(xué)習(xí)和掌握該課程內(nèi)容意義至關(guān)重要。但該課程的專業(yè)性較強，學(xué)生較難理解，從而降低了學(xué)習(xí)興趣。本文結(jié)合筆者多年的教學(xué)與科研經(jīng)驗，就精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢做一定的分析，為材料專業(yè)人才培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞 材料學(xué) 精密分析儀器 教學(xué)管理

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.08.059

Abstract Materialogy is a basic course covering a wide range of materials and applications. So learning and mastering this course is very significant， but most students are difficult to understand and know materialogy due to the complicated and professional knowledge， which stifle interest in learning. This paper summarizes advantage of auxiliary teaching of precise instrument on materialogy based on experiences of author in teaching and research to provide reference for the training of material science.

Key words materialogy； precise instrument； teaching management

材料學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系的學(xué)科，為材料設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)。隨著科技的不斷發(fā)展，材料學(xué)研究的對象和內(nèi)容也不斷擴展，其基本分類包括高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料等。在實際生活中，人們往往關(guān)心的是材料本身的性能，一種是特征性能，即材料本身固有性質(zhì)，包括熱學(xué)性能、力學(xué)性能等；另一種是功能性能，指一定條件下功能轉(zhuǎn)化的性質(zhì)，例如熱—電、光—熱轉(zhuǎn)化性能。但最終決定材料物理、化學(xué)性質(zhì)的因素，還是材料本身微觀結(jié)構(gòu)特征。材料學(xué)作為材料專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)項目，要求學(xué)生了解材料的組成與應(yīng)用、材料的結(jié)構(gòu)與性能等知識。然而，這門課程的許多內(nèi)容學(xué)生只能在書本上掌握相關(guān)材料的理論知識，通過簡單定義與圖片了解材料的微觀世界，陌生而復(fù)雜的表述與微觀結(jié)構(gòu)組織，這對于初次接觸材料學(xué)的同學(xué)是枯燥且乏味的，會在一定程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了促進材料學(xué)科發(fā)展、提高學(xué)校科研條件，很多高校都配備了用于表征材料微觀組織的大型精密分析儀器，例如電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、XRD分析設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)精密分析儀器的輔助功能也不斷更新，以進一步細致分析了解材料的微觀世界，例如電子背散射衍射設(shè)備（SEM-EBSD）、電子顯微鏡能譜（EDS）、電子能量損失譜（EELS）等。通過這些設(shè)備表征，我們能夠充分了解材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征及變化，對微觀世界有一個更具體的認識。但目前很多高校的精密分析儀器的使用僅局限于科學(xué)研究，而且由于儀器操作復(fù)雜、設(shè)備管理要求高、教學(xué)與科研脫節(jié)等多種因素導(dǎo)致無法實現(xiàn)精密分析儀器輔助教學(xué)的目的。筆者將立足于多年的教學(xué)與科研經(jīng)驗，從科研與教學(xué)相結(jié)合的角度出發(fā)，來思考材料學(xué)教學(xué)的方法。

1 打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，實現(xiàn)教學(xué)與科研相結(jié)合

傳統(tǒng)的教學(xué)往往圍繞教學(xué)大綱和書本展開，最終淪為枯燥的教學(xué)演講。現(xiàn)代的青年教師一般是教學(xué)科研型人才，除了日常的教學(xué)，還承擔(dān)著一些科研項目。在傳授理論知識的同時，還應(yīng)結(jié)合自身的研究課題、成果，舉例說明各個知識要點，實現(xiàn)理論與科研實踐相結(jié)合，使學(xué)生能夠加深對所學(xué)知識的理解，了解不同材料的發(fā)展狀況以及其在航空航天、國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活中的應(yīng)用，從而擴展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.1 介紹基礎(chǔ)科研成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

由于材料學(xué)中的概念及定義比較抽象，教師必須將這些抽象的知識與實實在在的材料聯(lián)系起來。在講解大量理論內(nèi)容的同時，應(yīng)該結(jié)合教師的一些基礎(chǔ)實驗成果，通過多媒體的方式形象、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，例如金屬材料中晶格、位錯、孿晶等基本概念。教師應(yīng)結(jié)合自身的實驗課題，利用精密分析儀器的操作原理及分析結(jié)果講解材料微觀組織結(jié)構(gòu)的組成和變化，以及其對宏觀性能的影響，讓學(xué)生對不同材料的應(yīng)用范圍和其微觀組織的基本組成與結(jié)構(gòu)有一個初步的認識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的興趣。同時，教師在教學(xué)過程中，應(yīng)該結(jié)合目前社會發(fā)展中材料領(lǐng)域的熱門話題，介紹與材料學(xué)相關(guān)的比較前沿的材料科學(xué)研究，結(jié)合最普遍的材料的微觀結(jié)構(gòu)與組成，從現(xiàn)在的研究成果分析介紹，如碳納米材料等。并且教師在課堂上應(yīng)與學(xué)生進行一系列的互動，例如列舉實驗獲得的圖片，讓學(xué)生結(jié)合知識點進行比對觀察，使學(xué)生能夠更直觀地了解材料學(xué)中的知識概念，從而實現(xiàn)有效教學(xué)。

1.2 結(jié)合精密分析儀器實驗觀摩，整合知識點

基于教師科研課題項目，讓學(xué)生觀摩分析儀器的試驗表征，結(jié)合理論知識進行適當?shù)幕A(chǔ)實驗練習(xí)，讓學(xué)生在實驗室完成對課堂知識的總結(jié)，使學(xué)生的知識點得以整合，拓展其思維。同時，教師對相應(yīng)的實驗結(jié)果進行分析講解，以強化學(xué)生對相關(guān)知識點的理解與掌握。然后教師可以圍繞科研項目中的某個專題開展自由討論，鼓勵學(xué)生自己準備材料，發(fā)表自己對于相關(guān)題目的了解，由此拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，同時活躍課堂氣氛，提高學(xué)生自學(xué)能力。通過理論與實踐的結(jié)合，學(xué)生對材料學(xué)所講授的內(nèi)容有了最大程度的掌握，對自己的學(xué)科領(lǐng)域有所了解，對自己未來從事的職業(yè)不再迷茫；對于有意向攻讀研究生學(xué)位、進一步學(xué)習(xí)的同學(xué)，其對感興趣的研究方向更加明確，報考專業(yè)方向時信心也更加堅定。

1.3 教學(xué)與科研結(jié)合的創(chuàng)新性教學(xué)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體

社會在不斷地進步，對應(yīng)屆畢業(yè)學(xué)生的要求也不斷提高，知識儲備以及動手能力、創(chuàng)新能力自然成為各個企事業(yè)單位選擇員工的優(yōu)先條件。然而，學(xué)生僅僅在課堂上學(xué)到的知識，已經(jīng)無法適應(yīng)社會的發(fā)展，必須培養(yǎng)他們的應(yīng)用能力，以解決日后在工作中遇到的問題。教師在教學(xué)過程中應(yīng)注重理論與實踐相結(jié)合，選擇一些與日常生活密切相關(guān)的實驗項目以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，做到趣味性與實用性相結(jié)合。使學(xué)生感受到材料科學(xué)實驗的實用價值。通過相關(guān)的引導(dǎo)教育后，學(xué)生對于所學(xué)專業(yè)有所了解，對教師的研究方向比較感興趣，可申請加入相應(yīng)教師的研究課題，而教師也可以通過簽署合同的方式約束管理學(xué)生在本科學(xué)習(xí)過程中的科學(xué)研究事宜。這樣不僅能夠協(xié)助教師較好地完成科研項目，也可以鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，實現(xiàn)學(xué)生良好的知識儲備，為即將步入社會做好充足的準備。

2 針對教學(xué)管理中遇到的問題，制定章程，完善管理制度

各個學(xué)校限制大型精密儀器的使用范圍，主要是因為精密分析儀器多為進口，價格昂貴，維護費用高，而且儀器操作復(fù)雜，所以一般會培訓(xùn)相應(yīng)的實驗人員進行操作與管理。這大大降低了儀器使用效率，而且不利于教學(xué)的開展。針對這些情況，學(xué)校應(yīng)該制定相應(yīng)的儀器使用維護管理制度，確保儀器最大化地發(fā)揮其在教學(xué)科研方面的作用。

2.1 學(xué)生應(yīng)不止參觀，還要參與

目前各個學(xué)校購置的高精分析設(shè)備主要服務(wù)于科學(xué)研究，導(dǎo)致儀器使用率低。國外對于大型精密儀器的管理往往是學(xué)生參與大于教師控制，一般對置身于科研項目的研究生或具有濃厚研究興趣的本科生進行儀器操作培訓(xùn)，讓學(xué)生親身參與儀器的運營及維護。同時鼓勵學(xué)生針對研究項目進行科研創(chuàng)新，使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從被動式教育轉(zhuǎn)為主動式學(xué)習(xí)，提供學(xué)生的個性發(fā)展空間。學(xué)生對自己的創(chuàng)新性實驗，必須先擬定出合理的實驗方案，確定實驗條件，再利用分析儀器對材料的微觀組織進行結(jié)構(gòu)與性能表征。教師針對學(xué)生的實驗要求，制定規(guī)范的儀器使用及維護時間表，劃清教學(xué)和科研用精密分析儀器的時間范圍。學(xué)生操作過程中必須要有負責(zé)教師或?qū)嶒炇胰藛T在旁輔助，提醒糾正學(xué)生的錯誤操作方式，同時指導(dǎo)學(xué)生對獲得數(shù)據(jù)的分析過程。通過對學(xué)生一系列的培訓(xùn)，讓學(xué)生能夠熟練操作儀器，并掌握儀器在錯誤操作下或發(fā)生故障時的應(yīng)急處理方法。

2.2 實施儀器操作責(zé)任制，明確學(xué)生操作者的“監(jiān)護人”

放開并不代表放任，實驗室還要制定嚴格的設(shè)備管理制度，發(fā)現(xiàn)問題要責(zé)任落實到位。研究生群體由于學(xué)業(yè)與科研需求，使用相關(guān)設(shè)備的頻率較大，其作為基于精密分析儀器下優(yōu)化式教學(xué)的優(yōu)先受益者，導(dǎo)師必須作為實驗教學(xué)的“監(jiān)護人”。實驗前，教師必須對學(xué)生預(yù)習(xí)情況進行考核，針對學(xué)生自己擬定的實驗方案提出相關(guān)問題，對學(xué)生敘述出錯的地方和重要的注意事項，教師應(yīng)進行適當?shù)难a充。當學(xué)生開始接觸操作設(shè)備時，導(dǎo)師要起到指導(dǎo)及監(jiān)督的作用；當學(xué)生在實驗過程中遇到技術(shù)問題，應(yīng)及時與導(dǎo)師溝通，避免不當操作；當學(xué)生不遵守操作規(guī)程，誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞，導(dǎo)師應(yīng)負有連帶責(zé)任。對于本科教學(xué)來說，課程指導(dǎo)教師或?qū)嶒炇蚁嚓P(guān)設(shè)備負責(zé)人應(yīng)充當“監(jiān)護人”。當學(xué)生親手操作時，指導(dǎo)教師應(yīng)盡量做到全程指導(dǎo)與監(jiān)督，對學(xué)生提出的問題做出及時解答，使學(xué)生在教研結(jié)合的課堂上充分消化材料學(xué)知識；對學(xué)生的錯誤使用設(shè)備方式應(yīng)及時提醒糾正，防止造成更大的經(jīng)濟損失。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)課堂式的材料學(xué)教學(xué)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代素質(zhì)教育的要求。為了提高本科及研究生教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)與科研相結(jié)合的教育模式已經(jīng)成為現(xiàn)代教育必不可少的手段。通過精密分析儀器輔助材料學(xué)教學(xué)來加深學(xué)生對知識點的認知，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生學(xué)會獨立分析與解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的探索能力與創(chuàng)新思維，從而讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)取得良好的學(xué)習(xí)效果。