材料物理專業(yè)開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)的嘗試

李延波

摘 要 材料物理方向的學(xué)習(xí)內(nèi)容十分廣泛，對(duì)理論知識(shí)和動(dòng)手能力都要求較高。目前的以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)方式存在許多不足之處，本文以“固相法制備無(wú)鉛壓電陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)”為例，介紹了我校對(duì)材物專業(yè)開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的嘗試，并對(duì)實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 綜合實(shí)驗(yàn) 材料物理

Abstract Material physics direction of learning content is very extensive， both theoretical knowledge and practical ability requirements are higher. The way to test the current has many deficiencies， the lead-free piezoelectric ceramics prepared by solid phase synthesis experiment as an example， introduces the attempt to carry out a comprehensive professional proofreading material experiments， and to find problems in the implementation process are analyzed and summarized.

Keywords experimental teaching； comprehensive experiment； material physics

0 引言

材料物理專業(yè)的主要研究方向有固體物理、陶瓷功能材料、磁性材料、形狀記憶合金材料以及有機(jī)發(fā)光材料、高儲(chǔ)能密度介電材料、熱電材料以及環(huán)境功能材料等新型功能材料等。該專業(yè)的課程內(nèi)容包括材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、材料合成制備、材料及器件的性能檢測(cè)等。包含的內(nèi)容非常廣泛，其綜合性及實(shí)踐性非常高。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是專業(yè)教學(xué)中的重要組成部分，它不僅僅可以使學(xué)生可以理論聯(lián)系實(shí)際，更好地掌握理論知識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科研能力等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸，是培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、自主能力的重要手段，是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的有效途徑。根據(jù)教育部《2003-2007教育振興行動(dòng)計(jì)劃》，推動(dòng)高等學(xué)校加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學(xué)水平和教育質(zhì)量的精神，實(shí)驗(yàn)的作用和地位日益顯現(xiàn)。如何開(kāi)設(shè)合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)把學(xué)過(guò)的理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)并且把各種知識(shí)串連起來(lái)是一個(gè)重要的課題。可以說(shuō)只有把學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)能用到實(shí)驗(yàn)上來(lái)，才算真正掌握了這些知識(shí)。實(shí)踐是認(rèn)知的基礎(chǔ)。[1，2]對(duì)于材料學(xué)科來(lái)說(shuō)，科學(xué)的方法和科學(xué)的思維方式需要在實(shí)際操作中才能得到，否則課本上的知識(shí)只能永遠(yuǎn)在課本上。

1 目前存在的主要問(wèn)題

材料物理專業(yè)主要課程包括“晶體學(xué)”“材料物理”“材料現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)”“材料合成制備技術(shù)”等。這些課程從原料的合成制備，到材料的結(jié)構(gòu)表征以及最后的性能測(cè)試，內(nèi)容是材料、器件合成制備的不同過(guò)程，但其理論課程內(nèi)容相互關(guān)系較小。作為各個(gè)獨(dú)立的課程，如不能從整體上思考，會(huì)直接影響教學(xué)的效果，比如，材料的合成制備過(guò)程，會(huì)影響材料的結(jié)構(gòu)，而材料的結(jié)構(gòu)又會(huì)影響其性能及使用，從單個(gè)的課程中難以看到這些相互影響。以往的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主：即教師擺好儀器，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)一步一步把實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下去，然后記錄數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。就內(nèi)容來(lái)說(shuō)，單個(gè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作用比較片面，學(xué)生難以更深入地理解教學(xué)內(nèi)容；從主動(dòng)性來(lái)說(shuō)，學(xué)生沒(méi)有自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，難以調(diào)動(dòng)積極性。而沒(méi)調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性的結(jié)果很可能是學(xué)生實(shí)驗(yàn)做完后，并沒(méi)有真正理解自己做的東西，然后很快就會(huì)忘掉。

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通常的內(nèi)容是對(duì)樣品進(jìn)行處理，比如球磨；使用儀器對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，比如密度測(cè)試、LCR電橋的測(cè)試、居里溫度測(cè)試等等，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都墨守成規(guī)，學(xué)生做了實(shí)驗(yàn)，但并不知道這些處理方式就是在材料合成中起什么作用，也不知道測(cè)試得到這些數(shù)據(jù)代表著什么含義。并且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也難以與當(dāng)前行業(yè)的動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來(lái)。

為了改善這種狀況，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮到調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要讓學(xué)生真正參與進(jìn)去，能夠自己查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)步驟。 而綜合實(shí)驗(yàn)不僅僅是對(duì)理論課程的驗(yàn)證，更是對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，使得學(xué)生可以從整體上理解各個(gè)課程和部分的含義。并且通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，可以選擇合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生接觸到相關(guān)研究方向比較前沿的內(nèi)容，而理論課程因?yàn)槭艿浇滩南拗疲瑹o(wú)法做到這一點(diǎn)。[3-4]

2 材料物理專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的一個(gè)實(shí)例

下面以我校材料物理專業(yè)開(kāi)設(shè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“固相法制備無(wú)鉛壓電陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)”為例，介紹綜合實(shí)驗(yàn)的整體實(shí)施及作用。

首先，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題非常重要，所謂選題，就是教師選擇合適的題目，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)定一個(gè)大方向。就我們采用的“固相法制備無(wú)鉛壓電陶瓷”這個(gè)題目來(lái)說(shuō)，壓電陶瓷是一種壓電材料，其主要作用是利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，廣泛應(yīng)用于軍事、航天及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，如超聲波發(fā)生器、相機(jī)和顯微鏡的鏡頭、燃油點(diǎn)火器、艦艇的聲納系統(tǒng)等等，目前全球市值大約有150億美元。但目前所使用的壓電陶瓷有98%是主要成份為鉛的鋯鈦酸鉛（PZT），鉛作為重金屬無(wú)論是在生產(chǎn)制造過(guò)程中還是使用中以及最后廢物，處理，鉛都對(duì)人體及環(huán)境有損害。全球多個(gè)國(guó)家都先后發(fā)布了禁止含鉛元器件使用的條文。所以無(wú)鉛壓電陶瓷是現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)之一。選擇該題目可以使學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更接近研究前沿，更重要的是無(wú)鉛壓電陶瓷的綜合實(shí)驗(yàn)的制備過(guò)程采用固相燒結(jié)法，該方法不僅是工業(yè)生產(chǎn)合成的常用方法，而且固相合成所用的高溫爐一般高校材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配備，并且壓電陶瓷要用到的測(cè)試設(shè)備都比較常見(jiàn)或者價(jià)格便宜配備容易，比如LCR電橋、阻抗分析儀、準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)試儀等。其題目?jī)?nèi)容也契合材料物理專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)。endprint

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，無(wú)鉛壓電陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)的步驟大體可分為“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”、“合成制備”、“性能測(cè)試”、“結(jié)果分析”四個(gè)部分，

“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”部分需要教師首先告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基本要求，比如本實(shí)驗(yàn)的基本要求為“固相燒結(jié)法制備無(wú)鉛壓電陶瓷”，即要求學(xué)生所做的材料為“無(wú)鉛壓電陶瓷”，合成方法為“固相燒結(jié)”法。然后還需要指導(dǎo)教師列出實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器以及試劑的條件。學(xué)生在此基礎(chǔ)上明確自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模殚喯嚓P(guān)的文獻(xiàn)，盡量選擇實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用試劑和設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的。然后選擇合適的配方及實(shí)驗(yàn)方案，方案交給老師后，教師再根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體時(shí)間安排和設(shè)備條件，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行修改調(diào)整。調(diào)整后，學(xué)生就可以根據(jù)各自小組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該步驟，學(xué)生會(huì)首先掌握或者強(qiáng)化針對(duì)特定需求查閱資料、分析篩選資料從中提取自己需要的知識(shí)點(diǎn)的能力。而要完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、做出實(shí)驗(yàn)配方及實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)，學(xué)生需要了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)從合成制備到性能測(cè)試的全部流程，包括原料配方，合成過(guò)程中需要用到的各種儀器設(shè)備和參數(shù)設(shè)定，以及化學(xué)試劑。

“合成制備”的步驟，即學(xué)生按照修改后的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該步驟也是綜合實(shí)驗(yàn)的中心，壓電陶瓷的實(shí)驗(yàn)步驟大體可以分為配方稱重、混料、預(yù)燒、壓片、燒結(jié)等步驟，不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及實(shí)驗(yàn)條件上稍有偏差。配方稱重部分，學(xué)生需要根據(jù)所使用的壓片模具的直徑、擬壓片的厚度，以及樣品的理論密度計(jì)算出單片重量，再根據(jù)要求的片數(shù)得到總重量，最后根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的配方分子式，計(jì)算出需要的各個(gè)原料化合物的質(zhì)量。該步驟可有效鍛煉學(xué)生實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)分子式計(jì)算各單個(gè)配料的能力。稱重完成后，則根據(jù)實(shí)際情況，使用研缽或球磨機(jī)混合樣品，混合后，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案直接進(jìn)行預(yù)燒，或者成型后預(yù)燒，最后再進(jìn)行成型燒結(jié)。通過(guò)此步驟，學(xué)生可以掌握一般功能陶瓷燒結(jié)的過(guò)程。

“性能測(cè)試”，該步驟是對(duì)燒結(jié)得到壓電陶瓷片進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件，可以對(duì)居里溫度Tc、壓電常數(shù)d33、機(jī)電耦合系數(shù)Kp、密度€%j、損耗角正切tg€%]等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)次步驟，學(xué)生可以掌握燒結(jié)后樣品的上電極處理、LCR電橋使用、阿基米德法測(cè)量密度、介電曲線法測(cè)量居里溫度，阻抗分析儀測(cè)量機(jī)電耦合系數(shù)的能力。相比單個(gè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，會(huì)更加深刻理解各參數(shù)的意義。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)幫助理解材料的配方與合成工藝步驟對(duì)樣品性能的影響。

“結(jié)果分析”，得到性能測(cè)試結(jié)果后，對(duì)比自己的試樣性能與所參閱文獻(xiàn)的性能，分析實(shí)驗(yàn)中的不足之處和可以改進(jìn)的地方。對(duì)比自己得到的數(shù)據(jù)與同學(xué)其它同學(xué)的數(shù)據(jù)，加深理解原料配方、實(shí)驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果的影響，并把總結(jié)書(shū)寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。

3 結(jié)果與討論

目前“無(wú)鉛壓電陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)”已在我校材料物理方向開(kāi)展過(guò)一屆，在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得到了極大的提高。他們會(huì)反復(fù)演算配方，認(rèn)真進(jìn)行各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，互相比較各自的樣品性能，分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。總體來(lái)說(shuō)該綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展比較成功。

但是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中也暴露了一些問(wèn)題，首先，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力要求較高，需要有較好的查閱分析文獻(xiàn)能力，才能從論文中總結(jié)出配方、儀器、實(shí)驗(yàn)條件等參數(shù)。設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生完成該項(xiàng)目難度較大。其次，開(kāi)放性的綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)教師的能力要求很高，學(xué)生可能會(huì)查閱到高中各樣的文獻(xiàn)，對(duì)教師的專業(yè)知識(shí)和指導(dǎo)能力提出了極高的要求，指導(dǎo)教師需要對(duì)所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的方向具備一定的研究基礎(chǔ)。再次，實(shí)驗(yàn)室的條件難以滿足完全的開(kāi)放設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需求，各種配方需要的化學(xué)藥品種類極多，實(shí)驗(yàn)室可能只有其中的一小部分，實(shí)驗(yàn)室的儀器也難以滿足需要，特殊的儀器實(shí)驗(yàn)室很少能配備，因整個(gè)實(shí)驗(yàn)合成制備部分需要兩天左右，如果每個(gè)學(xué)生的燒結(jié)溫度都不相同的話，最基本的高溫爐都無(wú)法滿足需求，我們實(shí)際試驗(yàn)中采用的是分少數(shù)幾個(gè)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式。最后，目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟中，最后對(duì)得到的樣品只進(jìn)行了性能檢測(cè)，并未進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，而結(jié)構(gòu)分析是材料研究中的重要部分，有了結(jié)構(gòu)分析才能真正讓材料的“結(jié)構(gòu)”、“性能”和“應(yīng)用”聯(lián)系起來(lái)。這些都需要以后的進(jìn)一步發(fā)展改善。

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