材料現代分析方法課程教學改革的探索與實踐

王 萌 馬向東 李燁文 金若其 艾于翔

（中國礦業大學（北京）材料科學與工程系，北京 100083）

0 引言

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，是人類文明的重要里程碑。當今社會將能源、信息和材料并列為新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息發展的物質基礎。材料的組成、結構和性能是材料科學研究的重點。改進材料的微觀結構是提高材料性能、開發新材料的有效途徑。因此，材料學科的發展與材料分析技術的發展密切相關。隨著對高性能材料需求的不斷增長，材料的結構和性能表征分析技術顯得越來越重要。目前，國內外眾多高校在材料類本科生和研究生培養計劃中都開設了材料現代分析方法課程，旨在培養學生掌握現代材料科學研究中常用的先進分析技術，了解儀器工作原理、基本結構和操作步驟，正確選用合適的分析方法解決實際科研工作中的問題，從而為學生將來從事材料領域相關工作或攻讀研究生提供必備的材料測試技術基礎理論與科研技能[1]。然而，隨著先進分析技術的不斷發展和進步，目前常用的材料分析方法種類多且雜，使得該課程涉及的學科面廣、理論知識抽象、實踐難度大，造成教學效果不夠理想。筆者根據該課程授課過程中發現的問題，從課程內容設置、教學模式、教學方法等方面進行和教學改革探索實踐，供讀者及相關授課教師參考指正。

1 課程內容的設置與優化

材料現代分析方法是關于材料成分、結構、微觀形貌與缺陷等的現代分析、測試技術及其有關理論基礎的科學，課程內容涉及物理學、光學、材料科學基礎等多個學科，涵蓋知識面廣，且表征分析方法眾多，如光學顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析、熱分析、光譜分析、質譜分析、電化學分析等[2]。而每種分析方法都有其各自的特點，涉及的基礎理論知識、儀器工作原理、試驗技術和數據分析方法也各不相同[3，4]。因此難以在有限的課程教學時間內對所有分析方法進行全面系統深入地介紹。筆者結合本校材料科學與工程專業的培養計劃特點和實際實驗儀器設備情況，以分析儀器和實驗技術為基礎，將光學顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內容作為本課程的主要授課內容，其他表征方法則要求學生在其他課程、課下和相關科研訓練環節中自主學習掌握。光學顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內容看似獨立，但內在物理基礎都是基于電磁輻射或粒子束與材料的相互作用。基于光學顯微鏡儀器構造和操作相對簡單、學生對光學物理和金相分析相關知識熟悉度高，在本課程授課過程中，以光學顯微鏡為基礎，利用對比方法重點介紹X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等分析儀器在工作原理和儀器構造上的異同，并詳細說明相關的材料微觀組織結構和微區成分的分析方法原理及其應用。通過教學內容的貫穿和對比，提高了章節間的連續性和系統性，幫助學生準確掌握理論框架，加深學生對知識點的理解和記憶。

2 教學模式的改革與實踐

材料現代分析方法是理論與實踐緊密結合的一門課程，除了掌握基本結構和工作原理之外，更重要的是讓學生學會正確選用合適的分析方法以解決實際材料研究工作中的問題[5]。在早年授課過程中，學生普遍反映課程理論知識難度高、微觀原理較抽象、對相關儀器和操作方法無法形成具象認知。針對上述問題，中國礦業大學自2018年開設了材料現代分析技術綜合實踐選修課程，旨在使學生能運用材料現代分析技術的基本理論，通過實際操作掌握材料分析的基本實驗方法。配合材料現代分析方法的三個板塊的授課內容，實踐課程將45號鋼和GCr15軸承鋼作為實驗樣品，要求學生自主制訂實驗方案，獨立進行儀器操作和測試，完成樣品熱處理—性能測試—結構表征整體過程，提交實驗分析報告。具體內容涉及使用高溫爐進行熱處理，使用金相顯微鏡進行組織觀察，使用X射線衍射儀和Jade軟件進行樣品成分和結構分析，使用掃描電子顯微鏡進行形貌觀測，使用硬度測試儀進行硬度分析。在實踐過程中學生能夠真正應用所學的表征方法和手段去解決具體實驗問題，在提高創新意識的同時可鍛煉動手能力。從教學效果來看，學生參與實踐課程的積極性較高，在實驗過程中能主動思考、發現和解決問題，對相關表征儀器的工作原理、操作步驟和數據分析認識加深，更加準確地把握了理論課程的基礎知識框架。

3 教學方法的探索與實踐

3.1 案例式教學

針對本課程涉及的各種測試方法的工作原理、儀器結構及在材料分析中的應用，采用案例式教學方法，通過具體的科研實例和工程實例分享及表征測試結構的分析探討，突出理論與實際的聯系。例如，在講解X射線衍射時，以學生熟知的珠光體為例，利用常規化學分析方法無法說明每種元素的存在狀態，而X射線衍射分析方法則可分析出碳元素的存在狀態，從而幫助學生認識到X射線衍射在物相分析上的重要作用。在講解電子顯微分析技術時，通過結合科學研究最新進展，展示粉筆灰、頭發、血小板細胞、SARS病毒和2019-nCoV病毒等材料的掃描電鏡圖片，吸引學生的目光，提高學生的學習興趣；通過展示不同熱處理下鎂鋁合金拉伸后斷面的掃描電鏡微觀形貌照片，幫助學生理解微觀結構對材料力學性能的影響；通過展示位錯線、層錯像、第二相粒子等晶體缺陷的透射電鏡圖片，讓學生對這些十分抽象的晶體學理論概念形成具象認識。

3.2 啟發式教學

在授課過程中通過啟發、誘導、提問、設問和反問等互動方式，激發學生的求知欲望，啟發學生自主進行思考。在講解知識點的同時，引入相關研究背景和最新科研成果進展的介紹，增加與學生互動、與其他課程相關內容互動的環節，使學生更好地理解相關知識，激發學生學習的主動性和積極性。例如，在介紹電子顯微學的基礎知識時，首先通過互動提問引發學生思考現有光學顯微分析技術在材料領域研究中的應用和局限性，提出問題，將前期學習的知識進行回憶和串聯，并由此引申，帶領學生一起回顧電子顯微技術的發展歷史，讓學生充分認識到電子顯微技術對當今科技發展和材料領域研究的重要性。在透射電子顯微鏡的儀器結構介紹時，引導學生尋找光學顯微鏡和透射電鏡的儀器結構的異同，加深學生對透射電鏡儀器結構和工作原理的認識和理解。

3.3 融入課程思政元素

通過將材料表征方法發展歷程、國內外科學家故事、目前國內外先進表征儀器發展現狀等思政元素多元化、“潤物細無聲”地融入教學中，培養學生的科學精神和科學思維，樹立學生的民族自豪感和使命感。從課程講授、課堂討論互動、課后作業三個方面進行課程思政的探索和實踐。例如在課程講授過程中，通過勞厄發現X射線的衍射特性，到布拉格父子設計X射線光譜儀并應用于晶體結構研究的介紹，向學生展示科學研究者所應具備的探索和創新精神；通過電子顯微鏡的發明歷史介紹，向學生展示基礎研究與應用研究相輔相成的關系，提高學生對基礎知識學習的重視，培養學生的科研興趣；通過白春禮院士研制我國第一臺掃描隧道顯微鏡CSTM-9000的故事，學習科學家精神，增強學生的愛國情懷。在課堂討論互動中，通過2017年諾貝爾化學獎冷凍電鏡技術發明者之一的理查德·亨德森的研究經歷，向學生展示在熟悉的研究領域要敢于突破創新，接受新技術新思想并將之巧妙結合利用；通過新冠肺炎病毒檢測方法的不斷完善和進步，向學生展示科技的進步對人類健康安全的重大意義和學習現代表征方法的重要性，提高學生的民族自信心，激發學生的科研興趣。在課后作業方面，通過讓學生調研最新電子顯微技術和相關儀器聯用技術應用現狀，使學生認識到科技創新的重要性，激發學生對課程的學習熱情，樹立“勇于攻堅克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競爭和未來發展制高點”的奮斗目標。

3.4 采用多種教學手段

通過多媒體教學與傳統教學相結合，充分利用多媒體教學手段，提高教學效率。例如，制作視頻動畫對X射線與物質的相互作用、電子與物質的相互作用進行說明，增加直觀性，幫助學生理解這些抽象的物理過程，提高課堂趣味性；通過多媒體播放各種分析圖譜和處理方法，強化學生對知識點的理解；利用視頻動畫對X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等的儀器設備結構和操作方法進行解析和演示，對課本和PPT教學內容進行針對性的豐富和補充；通過實際儀器分析視頻播放或材料制備分析視頻播放，使學生形成更加直觀的印象，加深學生對這些材料分析技術的實踐應用的認識。

4 結語

材料現代分析方法是材料類專業學生的主干課程，針對授課過程中遇到的問題，筆者進行了課程教學改革的探索與實踐。在教學內容方面，首先結合我校材料科學與工程專業的特點，進行了課程知識點的梳理優化，將課程內容系統分為三大板塊，幫助學生理清課程學習思路。在教學模式方面，除理論授課外，我校設置了材料現代分析技術綜合實踐作為配套實驗選修課程，根據理論知識的重點和難點設置實驗課程的內容，在學生自主設計并進行實驗表征的過程中加強對理論知識的理解和掌握，鍛煉學生的動手能力，全方面培養了學生的科研能力和綜合素質。在教學方法方面，通過應用案例式、啟發式、互動式等教學方法，激發了學生的學習興趣和積極性；通過融入課程思政元素，培養學生的科學精神，激發學生的責任感和使命感；通過多種教學手段的應用，將理論學習與動畫、視頻演示相結合，加深了學生的直觀印象，強化了教學效果。該課程取得了良好的教學實踐效果，對培養具有基礎科研技能的研究型和應用型人才起到重要作用。