《材料分析測試原理與技術》本科課程教學探討

余金山 劉東青 斯永敏

摘要：材料分析測試技術是材料學科研究領域重要的研究方法和手段，《材料分析測試原理與技術》課程是材料工程本科專業的一門學科基礎必修課程，通過該課程的學習，可以使學員掌握現代材料科學領域基本的分析與測試方法，對于學員在今后在材料領域的科研工作具有重要意義。本文從《材料分析測試原理與技術》課程定位與教學目標制定、教學內容的設置、教學方法和理念的探討等方面進行了闡述。

關鍵詞：材料；分析測試技術；課程目標；教學理念；本科教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0094-02

一、前言

材料科學研究的基本內容為材料的制備與處理工藝、材料的性能測試和材料的組成與結構表征。其中材料的制備與處理工藝是研究如何獲得所需的材料；材料的性能測試是研究材料的力學、物理、化學等性能及相應測試表征方法；材料的組成與結構表征是研究材料的化學組成、微觀結構、微觀組織形貌及相應的分析表征方法。材料科學研究的核心任務，就是研究材料的工藝、性能、組成結構及其相互關系。材料組成及微觀組織結構對材料性能有巨大的影響，不同化學元素組成的材料其性質和性能不同；而相同化學組成的材料由于制備工藝（制備、處理）不同而帶來的微觀結構不同，其性能也會有很大不同，所以材料分析測試技術對研究材料的工藝、性能、組成結構及其相互關系這個材料科學的核心任務具有非常重要的作用。

本課程系統講授材料研究過程中常用的微觀結構、微觀組織形貌以及微區化學成分等方面的分析測試原理與技術，是材料工程本科專業的一門學科基礎必修課程。通過本課程的學習，學員能夠熟悉與掌握光學顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析以及電子探針、俄歇能譜、光電子能譜等表面微區成分分析等研究手段的基本原理、基本方法，了解分析儀器構造以及在材料研究中所能解決的實際問題，初步具有材料微觀結構、微觀組織形貌、微區化學成分分析的能力，為今后在材料研究與使用過程中正確合理選擇與綜合選用恰當的分析方法奠定理論與實踐基礎。

二、課程目標定位

1.知識與基本技能學習。開設本課程的目的在于：使學員掌握材料的光學顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析和表面微區成分分析等各種研究手段的基本原理、基本方法；了解各種分析儀器的基本構造；熟悉并掌握上述各種材料分析方法對測試樣品的制作要求，熟悉上述各種材料分析方法在材料研究與使用過程中所能解決的實際問題及其局限性。初步具有材料微觀結構、微觀組織形貌、微區化學成分分析的能力。

2.實際動手能力提升。材料各種分析方法的基本概念與原理、基本方法、儀器設備基本構造、樣品制備方法與要求、特點及其應用等內容的教學以課堂多媒體教學為主，結合一定量的教學實驗及課后作業，使學員全面理解與掌握本課程知識，并能夠做到融會貫通。

課堂教學以學員為主體，使用啟發式教學。實驗教學要求學員親身參與、親自動手，以提高分析解決實際問題的能力。

3.創新能力培養。首先，要使學員充分認識“材料分析測試原理與技術”在本專業乃至材料研究及使用過程中的重要地位，從而能夠積極主動進行學習。課堂教學過程中除課程內容學習外，注重學員學習能力、分析問題能力的培養，做到既教書又育人；在教授學員課程知識的過程中，結合課程中涉及的材料各種分析方法的發現、發明及發展的歷程，注重對學員創新能力的培養。使學員素質和能力得到全面提高。

三、教學內容設置

材料分析從測試技術涵蓋的內容非常方法，包括材料的微觀形貌觀察、微觀結構表征和化學成分測定。自然科學發展到今天，已經發展了多種技術手段來實現以上測試內容。作為一門本科生的課程不可能把所有的材料分析測試技術與方法全部覆蓋，一般只能根據本校材料學科的特色進行取舍。根據國防科技大學材料學科的特點，本課程的教學內容主要包括以下幾個方面。

1.光學顯微分析技術。掌握光學顯微鏡的成像原理及樣品要求；掌握光學顯微鏡樣品的制備技術；掌握體視學基礎及圖像定量分析；理解光學顯微鏡的物性參數；理解顯微硬度測定原理及方法；了解相襯顯微鏡、偏光顯微鏡、微分干涉顯微鏡及共聚焦顯微鏡基本原理、構造及應用。

2.X射線衍射分析。掌握晶體衍射的基本原理；掌握X射線衍射定性相分析和定量相分析基本原理；掌握晶體點陣類型和立方晶系點陣常數的確定及衍射指數的標定方法；理解晶體倒易點陣的概念；理解X射線粉末衍射實驗技術；了解X射線的產生及其與物質的相互作用；了解X射線衍射線性形分析和材料宏觀應力分析。

3.電子顯微分析。掌握晶體電子衍射原理；熟悉電子與物質的交互作用區及其所產生的物理信號；理解電子與物質的交互作用和材料分析的關系；理解電子光學基礎；理解透射電鏡的結構與成像原理；熟悉透射電鏡的物性參數；熟悉透射電鏡樣品的制備技術；了解透射電子顯微分析技術在物質和材料研究中的應用；理解掃描電子顯微鏡工作原理與結構；熟悉掃描電子顯微分析的性能特點；了解掃描電子顯微分析在物質與材料研究中的應用。

4.材料表面的微區成分分析技術。掌握電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜定性和定量分析的方法和析譜方法；理解電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜的工作原理；熟悉設備構造與技術特點；了解誤差來源及分析精度；了解電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜分析在物質與材料研究中的應用。

5.波譜分析技術。掌握紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜測試技術；理解紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜的基本原理；了解紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜分析技術在物質與材料研究中的應用。

材料分析測試技術是一門實踐性很強的課程，所以，除了以上的理論學習內容以外，還安排了豐富的實驗課程內容。具體包括：光學顯微鏡的操作與使用、顯微圖像定量分析、X射線衍射儀的操作與使用、X射線衍射定性物相分析、掃描電鏡與透射電鏡的操作與使用演示、紅外光譜實驗等。

三、課程基本理念

將課堂教學、討論、實驗教學以及課后作業等教學環節有機結合在一起，以學員為主體，注重啟發式教學。課堂教學注重各種材料微觀結構、微觀形貌及微區成分等分析方法的基本原理與技術的學習與掌握；實驗教學環節強調學員積極參與，注重學員材料各分析方法的基本實驗技能的訓練；討論及課后作業注重學員綜合分析與解決實際問題能力的培養。使學員材料分析測試方面的素質和能力得到全面提高。

四、課程設計思路

本課程教學由課堂教學、實驗教學兩大部分組成。課堂教學分為三方面內容：材料的晶體結構的X射線衍射分析方法、材料微觀組織形貌的顯微分析方法及材料微區成分分析方法。主要介紹各種分析方法的基本概念與原理、基本方法、儀器設備基本構造、樣品制備方法與要求、特點及其在材料研究及使用過程中的應用等。結合課后作業，使學員能夠對本課程知識融會貫通。實驗教學設置了分析儀器構造與操作認知、樣品制備以及測試數據分析等多個環節。分組進行，培養學員動手能力和獨立分析解決問題的能力。

五、結束語

據統計，20世紀以來，獲得諾貝爾獎的科研成果中，有一半以上與科學儀器和實驗技術、實驗方法和創新有關，或者直接應用了最近的科學儀器和實驗技術。材料分析測試技術的發展對整個材料科學的推動作用是毋庸置疑的。作為材料工程專業本科學員，掌握通用的材料分析測試技術是今后從事工作和研究所必須的。本文對該課程教學目標定位、教學內容設置以及教學理念進行了探討。

參考文獻：

[1]戎詠華，姜傳海.材料組織結構的表征[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[2]談育熙，胡志忠.材料研究方法[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]周玉，武高輝.材料分析測試技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

[4]范樂慶，林建明，林煜.材料近代分析測試方法課程教學改革的實踐與探索[J].廣東化工，2013，40（24）：165-166.

[5]李海濤，榮守范，秦湘閣，等.材料分析測試技術課程實踐教學改革與探討[J].鑄造設備與工藝，2015，（3）：55-57.

[6]張靜武，傅萬堂，李慧，等.“材料近代分析測試方法”課程的教學改革與實踐[J].中國大學教學，2010，（4）：37-39.

[7]于翔，王延偉.材料分析方法與測試技術教學改革初探[J].課程教育研究，2012，（33）：252-252.

The Discussion of Undergraduate Education Course "The Principles and Technique of Microstructure Analysis in Materials"

YU Jin-shan， LIU Dong-qing， SI Yong-min

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract：The technique for materials testing and analysis is an important approach in materials research. "The Principles and Technique of Microstructure Analysis in Materials" is a fundamentally required undergraduate education course for materials science and engineering. In this paper，the establishing of course objectives，selection of course content and investigation of educational concept of this course are discussed.

Key words：Microstructure Analysis；course objectives；educational concept；undergraduate education