XRD的實驗教學改革與研究

張 鵬，吳抒遙，關宏宇，單煒軍

（遼寧大學化學院，遼寧 沈陽 110036）

X-射線粉末衍射儀的英文名稱是X-ray powder diffractometer簡寫為XRD。其任務主要是用來分析多晶體聚集體的聚集結構[1]。此技術早在1916年建立，至今已有100多年的歷史。X-射線粉末衍射儀在很多方面起著至關重要的作用，是很多研究院、各大高校實驗室及質量監(jiān)督部門的常用設備。因是一種非破壞性的測試方法，其樣品可直接回收再利用等優(yōu)點，近年來已經發(fā)展為高校科研物相分析的常用方法。應用面也是越來越廣，比如物理、化學、礦業(yè)、冶金和藥物等許多科學、技術部門不可或缺的技術。

不僅晶態(tài)物質的結構可測非晶態(tài)物質也同樣適用。對于單相的純物質而言，可與粉末庫的標準物質圖進行比對做定性分析。定性分析只能說明樣品的組成，還可以通過定量分析的方法測定多相物質的組成比。

近年來，我國很多高校存在重理論輕實踐的問題，教學期間實驗數量跟不上且枯燥，學生使用的實驗設備老舊，實驗內容不變，實驗報告的機械化。一般的實驗過程都是由老師示范，學生模仿，得出結果后，由老師檢查，若符合誤差范圍，實驗結束。

傳統的實驗教學方案，只能加固學生對實驗結果的印象，更好的理解課本知識，這樣傳統的教學方案只能應付學科考試，學生對其收獲微乎其微。同樣，傳統實驗對教師來說也只是機械地重復，這樣也限制了老師的創(chuàng)新型，而老師的這種思維模式很自然地會傳遞給學生，從而形成了惡性循環(huán)。

隨著公共衛(wèi)生事件突發(fā)，全國各高校及其他科研機構所面臨的共同形勢促進了對儀器分析的教學改革。因此，學校應該對XRD儀器分析實驗課進行改革探索，通過優(yōu)化XRD儀器分析實驗的教學環(huán)節(jié)、模式和方法進行創(chuàng)新設計，使儀器分析實驗課成為實用型人才培養(yǎng)的理想平臺。[2]

1 XRD儀器分析實驗教學的問題

除當下社會環(huán)境的影響外，還有一些具體因素使得每一個教育工作者去身臨其境的思考，而思考的問題側面反映了目前儀器分析所面臨的問題。

儀器設備價格昂貴有輻射，不敢讓學生自主操作。很多高校由于經費緊張，因此大型精密儀器數量有限，從而導致用于教學與科研使用的是同一臺設備。既有時間沖突又存在實際實驗教學中只能以小組為單位同時參與，使得學生獨立操作儀器設備的機會較少，教學效果不理想。同時因X-射線粉末衍射儀具有一定程度的輻射，無論在科研與教學過程中，都不放心讓同學們獨立自主的操作，需要在老師的指導下操作部分過程，加大老師工作量的同時也降低了同學們主動學習的積極性。

對于設備的保養(yǎng)維修缺乏經驗。對于大型精密儀器設備需要定期保養(yǎng)與維修，在這方面各院校自身體系尚不成熟且維修經費不足，大部分維修工作只能尋求專業(yè)工程師的幫助。如遇儀器突發(fā)故障只能憑借使用經驗降低危險，而維修工作只能從工程師獲取經驗，外部信息單一，維修進程曲折時間長。對于需要更換的零部件采購問題同樣存在途徑單一的難題，現國內對X-射線粉末衍射儀器的零部件生產商非常少，絕大部分需要進口途徑，且不同型號的儀器設備零部件不能通用，這對目前儀器的保養(yǎng)與維修來說有劣勢存在。

科學發(fā)展日新月異，對測試方法有新的需求。各院校的科研項目及教學內容都有不同，即使是同一高校同一院系科研項目方向也不盡相同，這導致對分析測試的方法需求不一致。X-射線粉末衍射分析雖然適用范圍很廣，但對不同物相的衍射強度不相同，所以靈敏度不同，而導致一些對吸收系數有特殊需求的樣品難以檢出，需要做參數重新設置進行調試。這就加大了測試時長與難度，有時會導致學生在預約測試時間內無法完成測試。

實驗教學模式單一，缺乏開放性和綜合性。由于各大高校及院系的實驗儀器在使用過程中基本上遵循課程體系按部就班進行，這就導致了學生只能在課程設計體系中進行實驗儀器操作和使用。然而 XRD儀器具有很多功能，可以進行多種分析，學生在課堂中所接觸到的儀器使用操作單一，很難全面的、綜合的了解XRD儀器的所有用途，從而不能夠更好地靈活使用儀器去創(chuàng)造更多的、更具創(chuàng)新性的科研成果。

XRD儀器分析在虛擬實驗室及虛擬儀器的應用上困難大。由于目前環(huán)境因素的限制，部分高校為了學生的實踐技能提升開啟線上實驗教學的設計，一種新型的采用計算機進行模擬的虛擬實驗室系統應運而生，進行輔助教學。而對于X-射線粉末衍射儀可根據圖譜進行結構的定性分析從而對樣品的測試圖譜有一定的要求，為了幫助學生實現這一學習目標，學生必須學會測試設備的調試、設置參數和檢測過程的規(guī)范操作，以達到能夠識別和比較某些物質的衍射峰及譜圖特點，將物質結構與其特定屬性聯系起來。因XRD儀器的組成復雜且具有輻射操作需謹慎，然而線上的虛擬實驗都規(guī)避了這些問題的存在，學生們通過計算機的鼠標控制就得到了標準的圖譜，使得學生這一教學主體對整個實驗儀器的相關性、實用性和激勵效果略微消極。

實驗課程數量不足導致理論與實際結合效果差也是重要問題。對比理論課學習，實驗課程在整個課程體系中占比較少，在X-射線粉末衍射儀器數量本就少的情況下，學生很難在短時間內準確的分析和判斷實驗中所出現的現象，更加難以與結果討論相結合。多數情況下都是一知半解，對理論與實際的結合也是囫圇吞棗，這也在很大程度上阻礙了學生增強分析問題及解決問題的能力。這與教育部及各大高校今年來所倡導的培養(yǎng)學生具有創(chuàng)新能力的目標有些背道而馳。

實驗課程學習中相匹配的教材及學習模式可供參考較少。任何課程的學習都需要適合學生的教材和學習模式或方法可供參考，實驗儀器的教材不應該僅體現實驗學科的邏輯、提示教學進程，還應該具備為學生對實驗的興趣提供指引、喚起求知欲望、提示操作方法、促進學習個性化和差異化及便于鞏固學習成果的特征。而對于儀器分析的實驗教學通常是由教師根據具體的實驗條件及科研環(huán)境有目標有針對性的在教學過程中對教材內容進行方法化處理，形成適用于XRD儀器分析實驗課的有效教學課程。在這個過程中，因不同高校購入的儀器具有不同的生產廠家及型號，使得儀器在使用過程中有參數調試的區(qū)別和具體操作的差異，這就造成了基礎教材的通用性受限制。且XRD儀器因其特征X射線波長不同對應不同物質的檢測范圍，而高校實驗室及科研院所通常都使用固定的一種波長范圍如常見的銅鈀等，這在實驗的教學過程使得學生們對測試方法及適用范圍的理解與運用缺乏更好的實踐檢驗。

實驗指導教師對儀器的靈活使用及講授經驗有待提升。現行條件下，X-射線粉末衍射儀的實驗課程指導教師大多由對應學科理論課程教師組成，理論課老師對理論課程掌握能力理解能力均有很大的保證，但是對儀器的突發(fā)問題、解決方案及靈活的傳授并解答學生的疑惑等方面經驗還有待提升。大多數指導教師只是進行了簡單的儀器使用培訓和常規(guī)的基礎操作的講解開始后對學生進行指導，這種辦法可以保證學生對儀器使用的基本操作有一定的了解，但是學生想要增強儀器使用拓展、功能性研究顯然難以實現，從而也影響了整個實驗教學的創(chuàng)新性和完整性。

2 XRD儀器分析實驗課程教學改革與探索

促進教學質量的提高，滿足學生的實際需要。現有的XRD儀器分析實驗題目大多陳舊落后，教學內容的突出性和應用性不強，難以適應現代分析化學的發(fā)展需求。XRD儀器分析實驗的教學內容應充分體現其實用性，根據教學的特點，在教學的基礎上，實驗內容應更好地體現XRD儀器分析的新理論和新應用，讓學生熟練地掌握XRD儀器分析測試方法，同時，及時了解XRD儀器分析的最新技術成果。在實驗教材內容的選用上，不僅需要體現出實驗學科的邏輯、提示教學的進程，還應該具備為學生的實驗興趣提供指引、促進學習個性化和差異化及便于鞏固學習成果的特征。這里，考慮到實際教學條件及學生不同的專業(yè)背景，可以在專業(yè)培養(yǎng)的基礎上編寫XRD儀器分析實驗教材，結合專業(yè)和行業(yè)需求，選取應用性強的內容，除了可以提升學生的學習興趣還解決了實際動手能力。為了使學生更好地了解XRD儀器分析方法的最新進展，將開展科研課題的內容引入儀器分析實驗的教學內容中，使學生更及時地了解前沿知識。同時可以為任課老師提供定期專業(yè)培訓的機會，及時掌握先進設備的發(fā)展動態(tài)，保證實驗教學的連續(xù)性和有效性。此外，每學年可以開展一次關于儀器操作和案例分析的報告，由學校實驗中心的實驗崗老師或儀器工程師講授，通過與學生的溝通，提高學生對儀器使用的拓展和功能性研究的深入，并將目前信息反饋與開發(fā)商，更新和改革儀器，為更好地科研方便提供技術支持。

充實教學方法，增強教學輔助手段。XRD儀器分析實驗通常采用傳統的灌輸式教學模式，一般由老師在黑板上寫詳細實驗步驟，再讓學生“依葫蘆畫瓢”，這種單調而古板教學方法，很大程度上抑制了學生思維的創(chuàng)新。而且，讓學生動手的機會較少，授課效果欠佳。改變傳統的灌輸式教學模式，充分利用先進的實驗教學手段,進行多種方式的教學，提高學生的積極性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如今的互聯網時代，它不僅是一種技術和信息的傳播，更主要的是對思維方式得改革。而優(yōu)勢互補、資源共享，已成為培養(yǎng)學生、促進教學改革、推進學科發(fā)展的重要手段。學生可以通過多種途徑獲取知識，百度文庫，微信公眾等，這些不僅可以提供學生自主學習的需求，還可以進行交流學習。對于教學同樣可以利用多元化資源，讓教學的內容更加生動并與時俱進。例如，在教學中，教師可以采用靈活的虛擬仿真實驗，向學生展示儀器的相關性、實用性，這種方式不但可以使學生更加清晰地了解實驗內容，還可以彌補在操作中不經濟、安全性低等問題[3]。同時，解決了因儀器設備昂貴和維修時間長影響教學質量的問題。考慮到學生對儀器組成及內部結構認知的缺乏，學校可以建立計算機網絡虛擬實驗室，通過信息資源共享，使學生改被動為主動更直觀地學習相關知識，從而不斷提升XRD儀器分析實驗課的教學質量。

抓好實操環(huán)節(jié)。XRD實驗教學的實操環(huán)節(jié)是學生掌握實驗技能的重要環(huán)節(jié)，教師在實驗中，要求學生積極動手操作、細心觀察實驗現象并認真完成實驗的每個環(huán)節(jié)。鼓勵學生熟練掌握儀器設備的操作，提高學生實際動手能力，促進學生對XRD儀器原理的深入思考與理解。實驗后，任課教師引導學生進行科學分析和處理實驗中遇到的難題，培養(yǎng)學生獨立思考解決問題的能力，切實提高學生的綜合素質。培養(yǎng)學生良好的實驗習慣，為國家培養(yǎng)更多的應用型人才。

為了取得良好的教學成果，教師需提高學生的主動性。學生在以往的實驗中，教師會把具體的實驗方法進行講解，學生只要按照老師教的做就可以完成任務，這樣就會造成學生自主探究能力差，做完實驗，還不太清楚原理是什么？為什么這樣做？究其原因是教學方案的引導性不足，沒有調動學生的主動性。教師可以針對目標知識設置一些問題，讓學生通過實驗自主尋找答案，而不是一味地照單抓藥。

信息化手段也可以提高課堂參與度。傳統的教學方案，往往是通過提問來引導學生進行思考，而這樣做的結果一般只有少部分的學生積極參與，大部分學生只是旁觀。這時候，教師可以通過學習平臺發(fā)起討論，讓每一位學生都必須參與教師的問題，同時教師也可以隨時了解每一位學生的情況，從而更加有效地提高課堂教學效率和靈活使用XRD儀器。

如今，多媒體的發(fā)展也為教學提供了生動、多樣的手段。通過多媒體將一些枯燥無味的理論知識變得有趣和直觀，如將X射線產生的原理制作成動畫演示出來，教師平時樣品及制備過程可以通過3D動畫模擬出來，或者錄制成視頻，讓學生在短時間內，對XRD儀器有深入的了解。同時，現在的高校有很多大學生創(chuàng)新大賽、挑戰(zhàn)杯等科研比賽，可以鼓勵學生積極參與，并為學生提供一定的實驗環(huán)境，將實踐教學與這些活動相結合，讓學生在參與項目的過程中發(fā)揮主觀能動性，同時更熟悉XRD儀器。

優(yōu)化教學資源的配置。目前，試驗臺數和學生數的不匹配，也是導致很多學生實操不到位的主要因素之一。一方面，可以增加實驗室的開放時間，利用白天和部分晚上時間對學生進行開放，這樣不但為對實驗感興趣的學生提供了條件，也解決了課程安排緊張的問題，同時也提高了設備的利用率。另一方面，可以利用社會力量，籌措資金，加強校企合作，加大對實驗設備的投入，來緩解學校資源緊張的問題。

新世紀，我們的祖國日益富強，科技成果日新月異，培養(yǎng)應用型人才，是我國高等教育緊迫和長期的重要任務。XRD實驗教學擔負著培養(yǎng)學生理論與實踐能力等方面的重要任務。隨著XRD設備及軟件的快速發(fā)展，通過教學內容和方法的改進使整個實驗教學過程，實現了理論與實踐的滲透和融會貫通。因此，這種實驗教學改革不僅讓學生學到了XRD知識，掌握了XRD的基本操作達到了教學目標，也培養(yǎng)了高素質應用型人才，提升了學生的未來就業(yè)競爭力，使學生能夠真正實現知識、能力、素質的協同發(fā)展。