“材料分析測試”實驗課程教學改革研究

朱巖巖，卞振濤，曹紅霞，張萍花

（宿州學院 化學化工學院，安徽宿州 234000）

“材料分析測試”實驗是化學化工學院應用化學、化學工程與工藝、新能源材料與器件專業的必修實驗課程，也是在材料化學、材料分析方法、儀器分析等理論課程的基礎上所開展的一門重要實驗課。課程介紹了材料在不同領域的應用現狀、應用前景以及研究進展。講解了多種材料分析方法及表征手段。目標是通過課堂教學、實驗操作使學生了解典型的無機非金屬、金屬、高分子、復合材料的制備方法。掌握常用的現代分析測試儀器，能夠正確地選擇合適的實驗方法去解決問題。進一步培養和提高學生在材料、化學、物理、生物等交叉學科的創新思維和實踐能力。為今后工作、學習以及畢業論文實驗提供必要的知識面和方法。因此，“材料分析測試”實驗課的教學質量對學生專業學習和綜合能力發展起到非常重要的作用[1-2]。然而，傳統的“材料分析測試”實驗教學中仍存在結構陳舊、方式單一、考核不合理、學生動手和創新能力較弱等問題[3-5]。針對這些問題，文章提出了一系列改革措施，并設計了掃描電鏡實驗為例。希望通過這些措施的改革和探索，提高教學效果和教學質量，并得到學生們的肯定。

1 “材料分析測試”實驗教學存在的問題

1.1 實驗教學結構陳舊

“材料分析測試”實驗的教學內容主要為一些簡單的實驗和基礎性操作，關于設計型、綜合型、應用型實驗所占比例較少。這種陳舊的教學結構不利于培養學生的創新思維和綜合能力。

1.2 實驗教學方式單一

“材料分析測試”實驗教學時，通常是教師為主導的模式，根據教材講解實驗目的、實驗原理、實驗儀器、操作步驟、結果分析等各部分內容。學生則被動地按部就班完成實驗，缺少對實驗現象和數據結果的分析。單一的教學方式很難調動學生的學習興趣和學習自主性，不利于培養學生解決實際問題的能力。

1.3 實驗中學生動手和創新能力較弱

“材料分析測試”實驗課程中使用的大多數進口儀器設備，價格比較昂貴、數量少且維修成本高。因此一般是由老師進行操作演示，學生能夠動手參與的機會很少。從而導致學生普遍注意力不夠集中，實驗過程中思考交流較少，對實驗和儀器理解不深，總體教學效果不好。

1.4 實驗考核不合理

“材料分析測試”實驗課的考核方式一般由平時成績和實驗報告成績組成?？紤]到學生參與度少，所做實驗內容類似，并不能直接用實驗報告情況作為學生的最終實驗成績。不合理的考核方式會降低學生的積極性，產生實驗報告抄襲的不良現象。

2 “材料分析測試”實驗教學的改革措施

針對上述“材料分析測試”實驗課程教學中存在的問題，進行教學反思，探索出了相對應的教學改革措施。

2.1 優化教學結構

根據學生學習情況，除了常規實驗操作外，增加一些設計、綜合和應用類型實驗，提升學生的創新思維和綜合能力。比如開展“鋰離子電池的制備及電化學性能研究”“靜電紡絲法制備納米纖維及樣品微觀形貌觀察”等實驗。同時選取與生活相關的綠色環保實驗，激發學生的學習興趣。如“磁性碳基復合材料的制備及電磁波吸收性能研究”“MOFs材料的制備及光催化降解有機染料廢水”等。

2.2 豐富教學方式

采用多媒體輔助實驗教學，提前準備關于儀器設備的內部結構、工作原理、操作步驟、注意事項等照片和視頻。傳入慕課平臺，學生可以靈活安排時間，反復學習[6-7]。其次，老師在實驗課時應邊操作邊提問，檢查學生的預習情況和引導思考性學習。調整學生分組做實驗，有益于鍛煉團隊意識和合作能力。此外，課上將額外補充學習文獻檢索、數據處理、繪圖分析和論文寫作等方面內容，為學生畢業論文和科學研究打下堅實的基礎。

2.3 設置開放實驗室

為了增強學生的實驗動手能力和創新能力，學院設置開放實驗室，給予鍛煉學習的空間和時間[8]。包括合成制備實驗室和分析測試實驗室（自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室），讓學生接觸到更多的材料合成方法和大型儀器。目前，自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室具有X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、X射線熒光光譜儀、拉曼、紫外、紅外、研究級物理吸附儀、同步熱分析等儀器，學生可在老師的指導下快速完成材料制備和分析表征。此外，學校積極鼓勵學生參加大學生科研立項和大學生創新訓練等各類項目，提高學生知識轉化、自主創新的綜合素質。

2.4 完善實驗考核機制

完善實驗考核機制，進行隨堂實驗操作考試，并將操作考試情況、慕課線上視頻學習、知識點測試、實驗報告都作為實驗成績的一部分。這樣可以更加真實合理地評價學生的實驗課學習程度。

3 以掃描電鏡實驗為例進行實驗教學探索

研究發現，人類眼睛能夠分辨的兩點之間的最小距離為0.1～0.2mm，而生物上使用的光學顯微鏡的分辨率約為0.2μm。隨著納米材料的興起和發展，掃描電子顯微鏡成為觀察和表征材料的微觀組織、形貌結構的有力工具，其分辨率可達0.2nm。掃描電鏡的工作原理是：通過電子束在樣品表面一定范圍內進行掃描，采集表層所產生的二次電子信號，獲得試樣形貌襯度的信息。目前，掃描電鏡已廣泛應用于材料科學、化學、生物學、醫學、冶金、地質、機械等科研和工程領域[9]。本文實驗課程教學中使用自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室的日本日立公司SU1510 掃描電子顯微鏡，配套能譜儀X-act。儀器具有體積小、性能高、可變壓力等優點，可以同時滿足樣品形貌觀察和微區成分定性定量分析。

設計掃描電鏡實驗的具體開展過程設計。實驗預習階段，教師通過慕課平臺，向學生介紹各類材料的微觀形貌圖片，生動立體，如視覺盛宴般，打開了精彩的微觀世界大門，激發學生的學習熱情和興趣。同時線上提供實驗課內容及儀器設備相關視頻資料。學生在此基礎上完成實驗預習報告。實驗進行階段，教師帶領學生走進實驗室，結合書本理論知識對掃描電鏡的結構、工作原理、操作步驟及注意事項等進行詳細深入的講解。教學時可將不同形貌的碳材料（碳球、碳納米管、石墨烯）進行觀察對比，作為演示性實驗。同時，為增加實驗的探索性，準備未知的待測樣品（比如不同摩爾比例的C/ZnO復合材料），要求學生分組完成樣品研磨、固定、噴金等過程，并獨立進行檢測，來鍛煉學生的耐心和動手能力。另外，實驗課上穿插提問和討論環節，有利于集中學生注意力，培養思考解決問題的能力。實驗結束階段，注重數據的處理與圖譜分析。學生根據掃描圖片描述樣品形貌結構，依據能譜圖確定微區的化學組成，嚴謹完成實驗報告的寫作。然后，教師通過多方面考查，給出合理的實驗成績。

通過掃描電鏡實驗課設計及教學過程的改革，學生對儀器、操作、數據分析以及繪圖等方面得到了充分理解掌握，綜合能力增強。學生參與度高，總體教學效果和教學質量較好。

4 結語

“材料分析測試”實驗課程的改革順應高校課程改革和國家綠色可持續的發展方向，勢在必行。文中對“材料分析測試”實驗課程的教學結構、教學方式和考核模式等方面進行一系列探索式改革。提出優化實驗內容，培養學生的創新思維和綜合能力。采用慕課輔助教學，激發學生的學習興趣。設置開放實驗室，增加學習主動性和科學研究的熱情。最后考核上強調實驗操作，鍛煉學生的動手能力。以掃描電鏡實驗的設計為例，在今后的實驗教學中，將繼續努力，堅持“以生為本”，爭取把學生培養成為綜合素質高、創新和實踐能力強的全面應用型人才。