“材料研究方法”課程多媒體仿真輔助教學研究

沈永龍，胡俊華

（鄭州大學 a.材料科學與工程學院；b.低碳環保材料智能設計國際聯合研究中心（國家級），河南 鄭州 450001）

引言

科技是第一生產力，隨著經濟的發展和社會的進步，人類對高科技產品的需求越來越大。20世紀，人們把信息、材料和能源譽為人類當代文明的三大支柱。之后，以高技術群為代表的新技術革命又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。因此，材料與國民經濟建設、國防建設和人民群眾的生活密切相關。進入21世紀以來，我國高度重視新材料的發展，國家發布了一系列政策推動和布局新材料及新技術，如《中國制造2025》《新材料產業發展指南》《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》等。

為了實現國家戰略任務，突破西方國家對新材料及新技術的封鎖，人才培養是關鍵，并對我國未來的發展起著決定性作用。高校作為人才培養的主要基地，大學生是高校人才培養的核心之一。大學在國家和社會轉型過程中發揮著不可替代的作用，是社會文化的重要平臺和陣地。全球化把大學推到社會變革的前沿，大學成為社會的一面旗幟，大學的形象如何、構建什么樣的大學成為大學發展中的重要課題，這直接關系到大學培養什么樣的人和為誰培養人的根本問題，關系著科教興國戰略的實施，關系著社會主義教育事業的成敗，關系著國家民族的繁榮發展。2017年1月，教育部、財政部、國家發展改革委聯合印發了《統籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法（暫行）》，進一步明確：以一流為目標、以學科為基礎、以績效為杠桿、以改革為動力，推動一批高水平大學和學科進入世界一流行列或前列。到本世紀中葉，一流大學和一流學科的數量和實力進入世界前列，基本建成高等教育強國［1］。這是在新的歷史時期，為提升我國高等教育發展水平做出的一項重大戰略決策。在“雙一流”大學建設的實施辦法中要求高校：一是健全科研組織和科研機制，推動協同創新產生顯著成效。解決國民經濟中的重大關鍵性技術和工程應用問題，實現重大的顛覆性技術創新。二是加強社會服務，增強產學研深度融合，推動科研成果轉化，為國家和區域經濟轉型、產業升級和技術創新服務。三是在大學人才培養方面，堅持立德樹人，培育和踐行社會主義核心價值觀，在拔尖創新人才培養模式、協同育人機制、創新創業教育等方面成效顯著，同時人才培養質量得到社會的高度認可。如此，高校才能在“雙一流”大學建設中發揮其在創新人才培養、科研成果轉化和科技創新等方面的作用，進一步提升高校科技創新和科技服務水平，最終實現“雙一流”大學的建設目標。

材料科學既是基礎學科，又是新技術革命的先導。材料科學的特點是活躍、交叉和發展迅速。隨著科學技術的高速發展，新技術、新產品和新工藝對新材料的要求越來越多，也促進了當前材料科學技術的迅速發展。現在，材料學科及其教育的重要性已被大家所認知，大部分高校都開設了材料科學與工程專業。因此，在本科階段和研究生階段，學生需要有堅實的基礎理論知識水平和掌握扎實的專業基本技能，這樣才能在將來更加深入地學習和勝任專業領域的工作。

一、課程內涵

傳統的材料科學與工程專業包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料和材料加工成型等。由于這些具體的專業具有共同或相似的學科基礎、科學內涵、研究方法與研究設備，同時，為了實現“厚基礎、寬專業、高素質、強能力、具有創新精神”的培養目標，體現“大材料”學科共同的知識體系，在開設材料科學與工程專業的高校中，“材料近代研究方法”是重要的基礎課程之一，是材料專業的“眼睛”，是學生認識和了解各種材料的窗口，也是材料科學與工程專業的核心課程之一，學好并掌握這門課程對材料專業人才培養起到了至關重要的作用。這門課程主要講授X射線衍射（XRD，分析材料晶體結構）、掃描電子顯微鏡（SEM，分析材料表面形貌）、傳統透射電子顯微鏡（TEM，分析材料晶體結構和電子衍射分析）、熱分析（DSC-TG，分析加熱過程中材料中的物理和化學過程）、X射線光電子譜（XPS，分析分子、原子結構，化學態和價帶等）、紅外光譜（IR，分析有機物官能團）和能譜（EDS，用于分析重元素的元素鑒別和定量計算）。這些測試表征技術均屬于傳統材料結構表征，可用于對常規材料（合金、金屬、無機物和高分子）進行結構分析。

隨著科學技術的不斷進步，越來越多的新材料被發現，如新型納米材料、石墨烯、量子點和有機/無機鈣鈦礦材料等，并在能源與環境器件中得到了廣泛應用，常規表征技術無法滿足新材料的結構表征要求，因此高分辨率的電子顯微表征技術［2］，如球差電子顯微分析系統（TEM-Cs）［3］、冷凍電鏡系統［4］（Cryo TEM）、聚焦離子束（FIBs）透射電鏡制樣系統、電子能量損失譜［5］（EELS）、原子力-拉曼聯用系統（TERs）［6］和X射線/紫外光電子譜（XPS/UPS）等進入科研人員的日常研究中。這些先進的結構表征設備，使我們可以“看到”原子、分子結構，為研究材料顯微結構與宏觀性能之間的聯系提供了方法，有助于解決材料在實際使用過程中存在的問題。因此，“材料分析表征技術”是材料專業學生的重要基礎課程，也是學生將來在研究生階段學習和工作的基礎。同時，學生能掌握國內外研究動態，能夠對材料進行更加深入的表征和理解，開闊視野，并提升知識水平。

二、教學中存在的問題

（一）課堂教學與實驗教學銜接不暢

如前所述，課程主要講授X射線衍射、電子顯微分析、光譜和熱分析，尤其是電子顯微分析中的透射電子顯微分析技術。其在材料學、物理、化學和生命科學等研究中具有重要作用，但是透射電子顯微技術的相關設備價格昂貴，維護成本高，且操作復雜，因此學生無法實際操作。同時，這些設備在運轉期間對所放置的實驗室空間的溫度、濕度、機械振動和環境磁場強度都有嚴格的要求，因此學生無法進行現場觀摩，導致學生無法理解課堂所講，無法深入理解設備的工作原理。此外，基于針尖增強的顯微拉曼分析技術，可以用于分析單分子的拉曼光譜，雖然設備工作環境要求遠低于球差透射電鏡，但是由于測試過程中需要用到大量的貴金屬金和銀探針作為測試耗材，因此無法通過學生直接操作來理解其基本原理和測試過程。

（二）教學方法較為單一

一般通過PPT或者板書講解課堂的重點內容，并通過示例講解實際測試結果和數據分析。在此情況下，如果學生無法對測試的基本原理有深入的理解，則無法真正理解示例分析，也不能靈活應用到實際分析測試中。比如在透射電子顯微分析中，一般情況下介紹的圖像主要有中心明場像、中心/環形暗場像、衍射襯度像、高分辨透射電子像和高角環形暗場像等。如果在課堂上只向學生介紹某個圖片是哪一種圖像，而不講為什么會形成這種圖像，以及形成圖像的基本原理，那么學生無法真正理解圖像中所包含的有用信息。因此，亟須對課程進行教學改革和創新。目前，多媒體仿真動畫技術是解決該問題的方法之一，其在“材料表征技術”的課堂授課中受到越來越多的關注。多媒體仿真技術是將理論與實踐相結合的新型教學方式，其將復雜枯燥的理論轉變為可視的多媒體內容，能夠讓學生直接“看到”電子（光子）與物質的相互作用過程，以及建立在復雜的數學物理模型基礎上的圖像和譜的產生過程，揭示物質結構內部的本質，建立物質結構與性能的直接聯系。因此，采用多媒體動畫仿真教學具有以下優點：（1）可視化，直觀且便于理解；（2）低成本；（3）可用于大規模教學課堂實踐；（4）適用于不同學習階段的本科教學和研究生教學等。

三、教學示例

示例1：透射電子顯微系統的光路。傳統的透射電子顯微系統中只有平行束操作模式，因此其光路僅有一種，即電子束從電子源射出后，經過照明系統到達樣品上方，在與樣品相互作用后，彈性散射電子束與透射束經過成像系統到達觀察屏。隨著技術的發展，會聚束操作模式的出現，使得我們可以利用非彈性散射電子進行成像和能譜分析，因此了解其光路對于理解非彈性電子產生的圖像非常重要。在會聚束模式中，經過照明系統的入射電子束被第二聚光鏡會聚成會聚束，其束斑尺寸通常為幾納米，類似于電子探針，電子束將以探針形式掃描樣品表面，產生的散射電子將直接被環形探測器檢測。

樣品中的重元素所產生的非彈性散射電子散射角通常比較大，因此會被高角環形暗場探測器檢測到，形成高角環形暗場像（HAADF圖像），同時，樣品中的輕元素由于其產生的非彈性散射電子散射角很小，因此會被環形暗場探測器檢測到，形成環形暗場像（ADF圖像）。透射電子束直接穿過環形探測器，不被接收，因此在會聚束模式下一般都能獲得暗場像，且信號來源于入射電子束與樣品相互作用所產生的非彈性散射電子。這與傳統的平行束模式下的彈性散射電子信號圖像有本質區別。正是由于在會聚束模式下會聚電子束動態掃描樣品表面，我們才可以進行透射電子顯微系統下的能譜分析。

隨著日本電子制造的Ω磁透鏡系統和Gatan制造的GIF（Gatan Imaging Filter）系統，我們可以研究分析入射電子束與樣品發生相互作用后的能量損失，即電子能量損失譜（EELS）。通過Gatan的GIF系統安裝在透射電鏡的觀察屏下方，因此其光路通過GIF之前的光路與透射電鏡系統一致，之后將在GIF系統中通過能量狹縫而被探測器探測到，形成電子能量損失譜。日本電子的Ω磁透鏡系統通常安裝在透射電子顯微系統中的物鏡下方，具有不同能量的電子通過該磁透鏡系統后會通過能量狹縫而獲得電子能量損失譜。因此，其光路代替了原有透射電鏡物鏡下方的光路。因此，如能將以上信息通過多媒體動畫展示，將會取得更好的教學效果。

示例2：拉曼光譜為弱信號，其信號強度通常僅為入射光強度的10-5～10-12。因此，如果所需要測試的樣品信號極弱，我們將無法獲得有效的拉曼光譜，比如單層石墨烯的拉曼光譜。如何提高拉曼光譜強度是做好表征工作的重要內容之一。針尖增強顯微拉曼系統（TERs）利用金屬銀針的拉曼共振增強效應，可以顯著增強拉曼信號，從而獲得單層石墨烯的拉曼光譜。因此，通過多媒體動畫展示針尖強化機理及過程，將有利于學生理解增強拉曼光譜的產生。

結語

以多媒體仿真動畫模擬XRD、電子顯微分析（SEM、TEM、EELS）、拉曼（TERs）和XPS的基本原理，以及設備操作和圖像/譜的分析，并通過相應的多媒體演示動畫形式展現出來，結合課堂知識點講解，使學生直觀地感知、認識并理解基礎概念，掌握基本原理，認識不同結構表征技術之間的優缺點和相互聯系，能夠準確分析數據。