材料微觀分析測試方法類課程的教學改革探討與實踐

[摘 要] 材料微觀分析測試方法類課程是高等院校材料科學與工程專業的一門主干課程，微觀表征是材料、冶金、化學、物理、生命等科研領域的重要研究手段。結合目前該類課程中存在的問題和專業課思想政治教育的重要性，從教學專業內容優化、思想政治教育元素融入專業教學、教學方式和方法改變（包括科研案例研討、翻轉課堂、課程網站建設）角度對這類課程的教學改革進行探討，對提出的一些措施進行實踐，有助于提高這門課程的教學質量，有利于學生知識、能力、品格和素質的全面發展。

[關鍵詞] 微觀分析測試方法;課程教學;教學改革

[作者簡介] 張景懷（1981—），男，河北吳橋人，博士，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院副教授，博士生導師（通信作者），主要從事新型鎂合金材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）44-0062-05? ? [收稿日期] 2021-07-21

一、引言

新材料是決定國家高端制造及國防安全的關鍵因素，已成為國際競爭的重點領域。目前，新材料及相關技術已滲透到國民經濟、國防建設和社會生活的各個領域，支撐著高新技術產業的發展。因此，更高性能的結構材料和功能材料是材料工作者追尋的不變目標。材料微觀結構決定其宏觀性能是自然界的永恒規律，通過控制材料的微觀結構可獲得滿足性能要求的新材料。為了研究開發新材料，須在不同微觀層次（微米至原子級）觀測和分析材料在制備、加工及服役條件下微結構和微區成分的變化，揭示材料成分—工藝—微結構—性能之間的關系，建立、豐富和發展材料科學基本理論。可見，材料微觀分析在新材料研究中至關重要，是現代材料研究中必不可少的一個環節。目前，材料分析測試技術已應用到材料、冶金、固體化學、固體物理、機械、生物醫學、電子信息、地質礦物等多個科學領域。材料微觀分析測試方法類課程是材料、冶金學科本科生和研究生的必修課程，也是其他相關學科學生的專業選修課。科學技術的快速發展對材料分析手段不斷提出新要求，也促進了新分析方法的不斷出現。因此，材料微觀分析測試方法這類課程的教材建設、教學內容和方式要與時俱進，不斷革新。另外，在全面深化教育改革環境下，為踐行“立德樹人”教學理念，須把思想政治教育有機融入材料微觀分析測試方法課程的教學全過程，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一，促進學生全面發展，充分發揮教書育人的作用。因此，從課程思政角度看，材料微觀分析測試方法這門課程也需要深化課程目標、內容、結構、模式等方面的改革。本文作者近年來承擔材料微觀分析測試方法課程的教學，在教學實踐中總結出一些經驗，有了一些體會，希望有助于該類課程教學質量的提高。

二、課程概況和教學目標

材料微觀分析測試方法類課程的主要內容是講述材料研究中用到的各種分析測試方法，包括X射線衍射分析（XRD）、透射電子顯微分析（TEM）、掃描電子顯微分析（SEM）、電子探針分析（MPMA）、掃描隧道顯微分析（STM）、原子力顯微分析（AFM）、原子探針層析（APT）、X射線光電子能譜分析（XPS）、熱分析（TG、DTA、DSC、DMA）、紅外光譜（FT-IR）、紫外-可見光吸收光譜（UV-VIS）、核磁共振譜（NMR）、質譜（MS）等的基本原理、檢測過程與測試結果解析方法和典型應用。不同高校的該類課程具體內容略有不同，其中X射線衍射分析、透射電子顯微分析和掃描電子顯微分析是其中核心內容。課程學習預期達到如下目標：第一，熟練掌握現代測試儀器的構造、工作原理及實驗方法，具有進行材料組織和結構分析的能力;第二，能夠根據科研和工程實際問題，合理選擇現代分析測試設備用于材料的微結構和性能分析，并據此提出實際問題的解決方案;第三，了解現代分析測試方法的發展趨勢，不斷追蹤材料分析測試領域的技術發展，能夠在科研和工程實踐中不斷學習，并利用現代分析測試手段的新成果。

該類課程的主要特點是：涉及內容面廣且雜，知識點眾多，因為如上所述，材料分析測試儀器繁多，每一種儀器的工作原理、操作過程、數據解析方法和適用范圍都不相同;課程理論性較強，需要學生具有材料物理化學、晶體學、光學、高等數學、量子力學、電磁學等知識儲備。同時，該類課程應用性非常強，要培養學生能夠正確運用材料微觀分析測試的技術和方法，為今后開展有關科學研究奠定堅實的基礎。

三、課程教學中存在的一些問題

（一）課程設置問題

材料微觀分析測試方法類課程可涉及十余種儀器的表征技術，不同儀器的分析測試原理和數據解析方法各不相同。同時，這類課程學科交叉性強，且兼具理論性和實踐性。由于專業課受學時限制，很多高校把課程設置在32～48學時。教師在有限學時內很難同時兼顧各種分析方法原理和應用的深入講解，學生在有限時間內不易系統掌握各種材料微觀表征技術和方法。因此，如何平衡教學深度和廣度是該類課程教師面臨的一個難題。

（二）教學內容和教材問題

隨著近年科學技術的飛速發展，材料分析測試儀器和技術快速更新換代，一些新興表征技術不斷涌現，很多教材和教學內容沒有及時更新，課程內容前沿性不夠。教材中的一些落后型號儀器設備現在已逐漸被淘汰，很少使用，新型號儀器操作方法及數據處理方式已有了很大改變。一些已應用較少的過時技術和方法，如X射線衍射中的勞埃法、周轉晶體法、德拜相機、物相手工檢索以及透射電鏡樣品制備中的復型法等仍然存在于教材和教學內容中，陳舊內容的存在必然擠占有限的課時。而一些新興高效的技術和方法，如同步輻射高能X射線衍射技術、掃描透射電子顯微技術、原位透射電子顯微技術、聚焦離子束法等卻并沒有涉及，所學知識不足以支持學生今后的科研工作，不利于材料專業新型高素質人才的培養。

（三）實踐條件問題

材料微觀分析測試方法是一門實踐性很強的課程，每種表征手段對應一種先進設備，且大部分是大型貴重的精密儀器，各類儀器數量很有限（有些可能僅有一臺或沒有）。因此，任何高校在教學實踐時都不可能做到人手一臺實踐操作。例如，最新的透射電子顯微鏡，通過安裝球差矯正器可有效矯正磁透鏡的球差，從而使電鏡的空間分辨率提高到亞埃級（原子級），可為材料宏觀性能的微觀機制建立提供有力的直接證據，有助于解決目前材料領域存在的“卡脖子”問題。但裝配球差矯正器的透射電子顯微鏡非常昂貴，需要專業人員操作和維護，且不是所有高校都有配置，學生一般沒有機會直接接觸到此類電鏡。

（四）學習興趣和教學效果問題

該課程為交叉學科，涉及儀器原理多，某些概念抽象，知識點多而分散。傳統的教學方式為PPT課件和板書講授，難以形象反映儀器的工作和測試原理以及具體操作過程，學生完全是被動接受知識。這種“填鴨式”教育方式使得課程較為枯燥和抽象，造成學生不易理解，學習積極性不高，多以應付作業和考試為主，在以后的實際科研中不能夠合理應用具體表征技術解決具體的材料相關科學問題。另外，高等教育的目的是培養德才兼備、全面發展的人才。因此，除了培養學生的專業技能，立德樹人更是高等教育的根本任務和時代使命。以往的課程教學完全是傳授專業知識，忽略了專業課程在思想政治教育中發揮的重要作用。

四、課程教學改革的措施與實踐

（一）教學專業內容優化

材料多種多樣，根據材料的特性，可以分為結構材料和功能材料;根據組成結構可以分為金屬、無機非金屬、有機、高分子材料和各種復合材料;根據其功用又可分為航空航天材料、軌道交通材料、建筑材料、生物材料等。同為材料科學與工程專業，不同高校的側重差別很大。不同材料根據其特征，需要的表征技術不盡相同。因此，材料微觀分析測試類課程內容可以根據本學校學院的人才培養目標和專業特色進行精簡，參考公開教材編寫適合自己的教材，重點介紹其中部分儀器和分析方法。尤其是對于研究生的培養，可以根據本學院研究團隊對材料的研究特點，著重講授學生在后續科研實驗中真正能夠用到的儀器和表征方法，使學生能夠學以致用，有助于提高學院研究生的培養質量和科研水平。

授課教師應積極關注當前先進儀器和表征方法進展，重點參考最新出版的教材，及時更新陳舊的專業內容，拓展最新分析測試方法，使學生緊跟分析測試專業領域前沿[1]。例如，位錯在教材中多以文字和示意圖來描述，比較抽象，很不直觀，即便課件或科技論文中位錯的透射電鏡衍襯像和高分辨像照片也是靜態顯示，無法直接觀察位錯如何運動（變形機制）以及位錯運動中如何受阻（強化機制），而最新的原位透射電子顯微學（in-situ TEM）可直接在納米/原子級層次實時觀察和記錄樣品在外力作用下的微觀結構演化過程，包括位錯運動過程。這種位錯運動的直接觀察能夠使科研工作者更好地理解相關機理，有助于在基礎理論方面取得突破性成果，從而指導下一代高性能新材料的設計。這要求授課教師本身具備良好材料和分析表征的科研能力和水平，以科研促進和提升教學，通過精心備課，傳授學生最新、最實用的材料分析測試專業知識。

（二）思想政治教育元素融入專業教學

教育部于2020年印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，提出結合專業特點分類推進課程思政建設。對于理工類專業課程，要把馬克思主義立場觀點教育與科學精神培養結合，提高學生正確認識、分析和解決問題的能力。理學類專業課程，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感;工學類專業課程，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[2]。每門專業課都有各自的知識體系和特點，要努力實現專業知識點與思想政治教育元素的有機融合。授課時，思想政治教育內容不影響專業課程的知識體系和邏輯關系，使學生在不知不覺地受到思想政治教育，從而培養德才兼備的新時代人才。在材料微觀分析測試方法類課程中，可考慮以下切入點進行思想政治教育教學設計。

1.培養探索未知、追求真理的精神。興趣是學習的動力，在材料微觀分析測試方法類課程的第一次課緒論中，教師要培養學生探索未知和追求真理的興趣，對科學研究尤其是電子微觀世界的專注和熱情，使學生體會微觀分析測試在科學研究中的重要性，期望青年學生揭示更多的物質微觀奧秘。隨著現代科技的不斷進步，人類對宇宙的探索不斷向更宏觀和更微觀的兩極發展[3]。為什么執著于“看”清越來越小的微觀世界？一方面，進入微觀世界能夠從本質上更好地理解宏觀世界;另一方面，材料微觀結構決定宏觀性能。“納米科技”已充分表明，物質結構變化會帶來性質的顯著變化。研究“納米”的重要工具就是顯微鏡。光學顯微鏡的發明打開了人類通往微觀世界的大門，對微觀未知的興趣使研究人員執著于顯微鏡分辨率的突破。以電子顯微鏡成功研制為代表，人類進入納米世界，目前球差矯正透射電子顯微鏡（也包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）已可實現原子級分辨率。人類利用顯微鏡觀察微觀世界的能力不斷提高并將一直持續，這得益于科研人員在基礎理論研究領域的不斷突破和技術人員對制造工藝的精益求精。顯微技術對科技發展和社會進步起到巨大的推動作用，得到了全球科技界的廣泛承認。1986年，透射電子顯微鏡的發明者和掃描隧道顯微鏡的發明者獲得諾貝爾物理學獎;2014年，超分辨率熒光顯微鏡發明者獲得諾貝爾化學獎;2017年，冷凍電鏡技術獲得諾貝爾化學獎;電子衍射助力準晶的發現獲得2011年諾貝爾化學獎。

2.感悟科技報國情懷，弘揚愛國奮斗精神。科學無國界，但科學家有祖國，人才是一個國家最寶貴的財富。學生可以出國深造，但學成之后要回報祖國。在教學中，教師要結合專業知識點融入典型案例，把科技報國情懷和科技強國觀念融入學習過程。（1）X射線中的故事。通過講解康-吳效應及物理學家吳有訓（中國科學院院士，物理學家、教育家，中國物理學研究的“開山祖師”）的生平和成就，明確我國科學家的貢獻，使學生了解我國科學家在世界物理研究中的地位，激發學生的愛國主義情懷，為祖國的科技發展貢獻力量。（2）在講解透射電子顯微鏡研制的理論基礎、透射電子顯微鏡的發展和透射電子顯微學的發展過程中，教師可以介紹當前透射電子顯微鏡的型號、性能及其最新發展，通過對比我國電子顯微鏡的現狀與國際發達國家電子顯微鏡現狀，使學生體會專業發展的緊迫感，激發學生科研報國的熱情;同時，介紹學校從之前僅有兩臺普通電鏡到目前建成哈爾濱工程大學分析測試中心，擁有包括新型掃描電鏡和掃描透射電鏡在內的多種類先進儀器設備，反映了黨和國家對科技人才培養的高度重視，由此激發學生的愛國情懷、制度自信以及專業責任感和使命感。（3）在介紹透射電子顯微學應用時，結合我國科學家在此方面的杰出貢獻，讓學生感悟科技報國情懷，弘揚愛國奮斗精神。例如，郭可信院士和葉恒強院士是我國著名的晶體學和電子顯微學專家，他們利用高超的透射電子顯微技術和專業知識，與國外學者（以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼，2011年諾獎得主）同時獨立地發現晶體（后來命名為準晶）塊體中存在傳統晶體學不允許的五次對稱性。“準晶”動搖了晶體周期性的規律，拓展了對物質基本結構的認識。郭院士和葉院士為我國的“準晶”研究追趕甚至超越國際先進水平做出巨大貢獻。

3.培養嚴謹求真的科學精神和精益求精的工匠精神。很多材料的結構在微觀上具有不均勻性，這時進行掃描電鏡或透射電鏡微觀表征，要告誡學生實事求是，選取具有代表性的微觀區域進行圖像保存，在發表論文或做報告時呈現給其他學者真實情況，強調科學嚴謹的態度，有意識地引導學生的學術誠信思維。在利用SEM模式下的EDS進行元素點分析時，儀器給出的元素定性和定量結果不一定與分析對象的元素組成完全相符。如果分析對象為亞微米或納米級物相，由于特征X射線激發體積原因（SEM模式下，EDS空間分辨率是微米級），這時儀器給出的分析結果與真實情況會有較大偏差，需要提高自己判斷的準確性和可靠性。若想得到更可靠的精確數據，要進行TEM模式下的EDS分析。在利用電子衍射進行物相晶體結構分析時，一幅衍射圖確定未知物質的三維結構具有不可靠性，一幅衍射圖只能反映一個二維倒易平面陣點的排列。如果想通過電子衍射圖的分析標定來確定未知物質的晶體結構，必須利用系列傾轉技術，獲得幾幅不同晶帶的電子衍射圖并進行正確分析，才能得到真正可信的結論。

4.培養具體問題具體分析的專業能力和職業素養。每一種表征技術都有其獨特優勢，也有其相對弱點，即一定的使用范圍和局限性。在材料測試表征中，須根據具體研究內容，選擇合適的技術和方法進行研究。掃描電鏡、透射電鏡都可進行微觀形貌觀察，對于斷口表面觀察須利用掃描電鏡，對于納米級物相或晶體缺陷（例如位錯）觀察須使用透射電鏡，而對于微米級物相觀察，掃描電鏡和透射電鏡都能勝任。如果考慮工作效率和樣品制備的難易程度，優選掃描電鏡;X射線能譜儀和X射線波譜儀都可以進行化學成分分析，在要求不高時可采用X射線能譜儀進行分析，因為能譜儀分析效率高，在對測試結果要求較高時須利用X射線波譜儀，因為波譜儀雖然工作效率低，但測試精度和能量分辨率高。上述講解內容充分體現學生在分析測試科研中要具備具體問題具體分析的專業能力和職業素養。

（三）授課方式和方法的改革

1.采用科研案例研討式教學。教學科研型大學教師兼具教學和科研的雙重身份，高水平的科研工作可有效促進教學質量。材料微觀表征是材料相關領域科學研究過程中必不可少的重要技術和方法，將教師自身的科研課題及成果引入教學，將枯燥的知識講解變得生動有趣，啟發學生在科研課題研究中如何正確運用分析測試方法進行微觀組織結構分析，并切身體會分析測試方法在科研中的重要性。教師分享自身科研經驗和科學思維，也有利于激發學生的學習興趣和科研興趣。本文作者長期從事鎂合金微觀結構調控及其對合金性能的影響研究，在科研過程中積累了大量的微觀分析測試經驗，發表多篇科研論文。在這些成果中，微觀表征對成果的創新性起到至關重要的作用。例如，將作者發表在《自然通訊》上的研究論文《設計兼具高強和高成形性的新型鎂合金板材》[4]引入教學。合金的高強度機理主要有什么？微米和納米相強化。怎么證明微納米相強化？需要光學顯微鏡/掃描電鏡針對微米相和透射電鏡針對納米相的觀察分析。物相如何確定？需要X射線衍射、電子衍射和X射線能譜/波譜綜合分析。合金高成形性的主要原因有什么？基面織構弱化。如果證明織構弱化？需要做基面極圖分析。如何做基面極圖？可以利用X射線衍射法和電子背散射衍射法。織構弱化是由如何造成的？可能跟晶界元素偏聚有關。如何證明是否發生了元素偏聚？可以利用透射電鏡下的X射線能譜分析和原子探針分析。以上科研案例的研討式教學，既生動了課堂，提高了學生的注意力，也有助于培養學生正確應用分析測試方法的能力和科學實驗思維。

2.翻轉課堂教學。翻轉課堂教學可以提高學生的學習主動性、參與度和解決問題能力[5]。翻轉課堂的有效實施要基于小班化教學，這樣可保證教師與每個學生之間都有充分的交流和互動。針對某一測試方法，要求學生課外查閱文獻，選取經典文獻，研究這種測試方法的適應范圍、圖像數據描述和結果分析討論，并歸納其中的重要收獲和存疑問題，然后在課上進行講解報告，并與其他學生對報告內容進行討論和提問互動，教師最后對其中的疑點和難點進行歸納和解答。對這種在主動質疑中學會的知識，學生的記憶和理解都會很深刻。同時，也鼓勵學生將科研課題（如大學生創新創業項目）中的材料分析測試數據做成演講報告，在課上與教師和同學進行研討。

3.建立課程學習網站。建立課程學習網站，上傳材料分析測試相關的動畫、視頻等，構建教師和學生的線上交流系統，可輔助學生學習，作為課堂和實踐教學的有效補充，幫助學生更全面地學習和理解知識內容。例如，錄制大型貴重分析測試儀器（例如球差矯正透射電鏡）演示操作視頻并上傳至網站，使學生能夠直觀地反復學習儀器結構、工作原理、操作流程和數據圖像處理、保存及分析，對于學生無法直接實踐操作的大型貴重儀器的學習不失為一種次優辦法，彌補實踐教學條件的不足。課程學習網站應設有多個板塊，如在線資源板塊、在線討論板塊等，使學生能夠課下在線自主學習，且與學生和教師隨時交流討論，提高學生學習的主動性和積極性。

五、結語

隨著新技術的涌現和社會的發展，高校材料微觀分析測試方法類課程必將不斷面臨新挑戰。通過教學內容、教學方法等方面的改革和實踐，可有效提高材料微觀分析測試方法類課程的教學效果，培養學生材料研究中的分析測試專業能力和素質;同時，以材料微觀分析測試方法課程作為載體，將思想政治教育融入專業教學過程，實現知識傳授與價值引領的協同進行，為黨和國家培養全面發展的社會主義合格建設者和可靠接班人做出貢獻。

參考文獻

[1]王慧.關于《電子顯微學》課程改革的探討[J].教育教學論壇，2016，4（41）：77-78.

[2]中華人民共和國教育部.教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].（2020-06-01） [2021-07-21].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[3]莫冰.探索微觀世界[J].大眾科學，2020（3）：60-61.

[4]T.T.T. Trang， J.H. Zhang， J.H. Kim， A. Zargaran， J.H. Hwang， B.-C. Suh， N.J. Kim. Designing a magnesium alloy with high strength and high formability[J].Nature Communications， 2018， 9： 2522.

[5]孫樂，魏鑫，齊銘，曹靜.《材料組織結構的表征》課程的現狀分析與教學改革探索[J].教育現代化，2020，7（6）：52-53+91.

Discussion and Practice on Teaching Reform of the Course of Material Micro-analysis and

Testing Method

ZHANG Jing-huai

（College of Materials Science and Chemical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： The course of Material Micro-analysis and Testing Method is a main course for material science and engineering majors in colleges and universities. Microscopic characterization is an important research means in the fields of materials， metallurgy， chemistry， physics， life science and other scientific research. Combined with the problems existing in the course and the importance of ideological and political education in specialized courses， this paper discusses teaching reform from the perspectives of optimizing professional content， integrating ideological and political elements into professional teaching and changing the teaching methods （including scientific research case study， flipped classroom and course website construction）， and practice some of the proposed measures， which is helpful to improve the teaching quality of this course， and is conducive to the comprehensive development of students knowledge， ability， character and quality.

Key words： Material Micro-analysis and Testing Method; course teaching; teaching reform