《材料分析方法》教學思考

張 艷 李方杰 郭隱犇 徐書生

（上海工程技術大學材料工程學院 上海 201620）

隨著現代科學技術的發展和進步，材料分析方法課程于二十世紀末出現在材料類專業高等教育中，并逐步發展成為一門專業主干課程。目前，我國多數普通高等工科院校的材料相關專業均設置了該課程或相似課程。與其他科技領域一樣，半導體科學技術也有其本身特色的檢測與分析研究。半導體領域是介于基礎研究和應用之間的交叉邊緣，也是一個跨學科（半導體物理，半導體化學，材料科學，各種實驗科學和技術等）的交叉學科邊緣，所包含的范圍很廣泛。由此可見，為了保證材料能用于器件，而器件又滿足實際應用要求，材料分析和檢測工作是不可或缺的。

本課程具有知識覆蓋面廣，學科交叉性強；理論性強；實操要求高；某些章節過于抽象四大特點。針對上述問題，在教學過程中對教學方式和方法進行改進和優化。

1 教學內容安排方式及組織實施

正是由于學科與多學科交叉，與現今科學聯系緊密，故更新極為迅速。課程內容主要介紹材料分析測試方法，按照分析結果進行分類：組織形貌所用的光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等；物相分析所用的X射線衍射儀和電子衍射分析；成分分析所用的測試手段有能譜儀、X射線光電子譜和俄歇電子能譜等。采用該種分類方式能夠對多種測試手段進行有效歸納，條理性更為清晰。

采用多媒體教學、案例討論相結合的教學模式和方法進行講授。用文本案例或影像資料重現真實情況，讓學生在案例的分析、解決過程中形象的感受分析測試方法，并通過對現實問題的分析幫助學生融會貫通，掌握運用理論剖析問題的方法。通過傳授最新的科學理論和科學技術，以培養“愛崗、敬業”的專業技術人才，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的加過情懷和使命。

2 教學理念方面

好的大學課程，應能夠結合學科特色，融匯特色方法，將知識的掌握與能力的訓練妥善的整合為一體，突破傳統知識灌輸式教學的禁錮。更為重要的是通過教學互動，啟發學生領悟隱藏課堂講授背后的“思政元素”“科學素養”，從而使得課堂不僅成為知識的殿堂，更為德的指南。

3 教學方法手段

（1）在教學方法方面：由于課程涉及到全新的理論知識，知識辨識度不高、易混淆，且難度也較大，這時學生心理上難免會產生一定的疲倦感和畏懼感。

根據課程的特點，采用在教學方法上可以選擇以案例啟發式引出課程內容。例如，從我國五千年源遠流長的中華文化引入教學。古文物是歷史印證。2000多年前漢代工匠在銅鏡上鑄刻下“中國安”“中國寧”“中國強”的文字，時至今日，我們看了都深深體會到五千年的中國歷史長河中烙刻在每個中國人心中的“國家興亡，匹夫有責”的使命。在工匠精益求精的技藝下，銅鏡展示出來歷史文脈和鐫刻著文化自信。我們在欣賞和驚嘆之余，如何深入了解古文物，實現現代科技和古代文明的溝通，以及我們當代的人們與上古祖先的文化重逢呢？以及面對殘缺的古文物，如何與古文物對話，進行針對性的保護修復處理？都需要借助先進的科學儀器，例如我們將要學習的掃描電子顯微鏡。通過上述背景介紹，將課程思政融入到專業課的教學中，引導學生堅定文化自信，培養精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的加過情懷和使命。

在課程難點理論部分的講解中，可以嘗試通過提出問題——質疑——理論講解——交流應用活動的教學模式。輔助動畫模型，生動展示各種易混淆知識點。通過提出問題，思考問題，解決問題等教學過程，結合學生觀察對比，概況歸納來激發學生的學習興趣，調動學生的主體能動性，讓每一個學生充分參與到學習活動中來。學生在通過設置的問題情景中，通過觀察、類比、思考、探究、概括和歸納嘗試相結合，體現了學生的主體地位，培養了學生由具體到抽象的科學思維能力，形成了實事求是的科學態度，增強了鍥而不舍的求學精神。隨后針對課程開始時設置的案例，進一步進行利用所學進行解讀和分析，培養學生的分析能力。案例中貫穿整個課程，從而對整個課程實現閉環設計，并實現課堂思政。

多媒體課件的設計方面：通過多媒體輔助動畫的形式，生動的解釋了理論過程，吸引學生注意力，加強學生對于知識的掌握。

（2）案例引用：在教學過程中引入案例，結合章節內容設計情景案例，并運用視頻、圖片等多媒體資料豐富案例內容，讓學生通過對案例的觀看、分析、討論，使學生形象、直觀地感受專業知識，加深學生對教學內容的理解。

例如：集成電路產業是支撐經濟社會發展的戰略性、基礎性、先導性產業，也是中國當前需要重點突破的“卡脖子”領域。3月5日，李克強總理在政府工作報告中強調，要打好關鍵核心技術攻堅戰，促進科技創新與實體經濟深度融合。我們同學們已經學習過，芯片生產過程可以分成3個部分，分別是芯片設計、芯片制造和封裝測試。隨著產業升級，在MEMS/微系統中，封裝可能比芯片制造更加困難，成本可能上升為70%～90%；封裝已經成為新器件商業化的瓶頸。器件失效中，約有1/3與封裝有關。我們需要發揮艱苦奮斗，自力更生的精神突破“卡脖子”問題。同時，作為電子封裝專業的同學們，更要掌握先進的分析手段，能夠準確判斷產品的失效問題，提高產品的質量，從點點滴滴做起。我們所學習的掃描電子顯微分析技術可以有效觀測不同的缺陷導致的失效，例如無鉛焊料的錫晶須，引線鍵合過程中的金線斷路，目前高端芯片封裝中倒裝焊中焊接頭斷裂等。通過上述背景介紹，引導學生堅定培養精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的加過情懷和使命。

（3）教學課堂環節多樣化：學生以課前演講、案例分析和小組討論的方式參與課堂教學，讓學生成為學習的主體；學生積極參與課堂討論，及時發現學生的問題和困惑。還可以結合翻轉課堂，制作線上小視頻供學生課下學習復習，課堂上學生小組可以通過課堂搶答、提問等方式對班級學生進行提問，對于學生在提問和回答中出現的問題，老師及時糾錯和解答，從而提高學生學習的積極性，有利于學生消化、吸收學習內容，鞏固專業知識。

（4）重視實踐環節：針對該課程缺乏實踐教學，均以理論介紹為主。更需要將理論教學和實驗教學相結合。本課程可與專業綜合實驗進行配套學習。課程講授理論知識，綜合實驗進行實際操作。本課程實驗可以與其他相關課程實驗相關聯。例如，電子封裝中涉及到封裝體的表征測試以及可靠性研究，這就需要借助掃描電子顯微鏡等進行形貌分析。如圖1所示，通過掃描電子顯微鏡觀測金絲球焊第一焊點和第二焊點的形貌。通過相關課程的聯動，有利于讓學生對整個專業的知識構架有清晰認識，培養學生的動手能力，加深對理論知識的理解和運用。此外，學生可以在各種創新實驗以及創新訓練項目中對本課程進行實踐，有利于提高學生的創新能力和科研能力。

圖1：金絲球焊第一焊點（a）和第二焊點（b）的形貌

4 結語

綜上所述，通過對教學內容合理安排和組織實施，將學科特點與知識點相結合，提高《材料分析方法》課程的教學質量，幫助學生建立一個完整的材料分析方法的知識體系，以材料結構表征技術為主線，通過原理介紹、研究實例分析和綜合項目訓練，使學生在掌握材料表征技術的基礎上，了解材料研究過程的一般性思維與方法，使學生切實掌握半導體材料領域的現代測試技術的基本原理，掌握不同測試技術的分析特點；培養學生能運用所學知識，思考問題、分析問題、解決問題的意識，培養學生綜合應用材料基本知識和分析方法解決材料制備和應用中的科學、工程問題。