多學科交叉融合背景下X射線衍射教學改革的思考

摘" 要：X射線衍射技術是一種重要的實驗技術，X射線衍射技術是材料科學與工程、物理、無機化學等專業的必修課程，是一門理論與實踐并重的課程，涉及多學科理論的交叉運用，涉及內容多，課時有限，講授難度大。文章從按需施教的角度出發，對改革X射線衍射技術的教學方式和內容進行討論，根據學生的專業需求進行針對性的教學設計，希望能夠以此有效滿足廣大非晶體專業師生選修X射線衍射技術的需求。圍繞師生科研實際需求，以提升實操技能來解決學生學習中的困難，同時幫助學生樹立科學研究的自信心。

關鍵詞：X射線衍射技術;多學科交叉;教學改革;按需施教

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）32-0037-04

X射線衍射技術是利用X射線在晶體中發生的衍射現象來進行物質結構分析的方法。1912年，勞厄等人根據理論證實了在晶體材料中相距幾十到幾百皮米（pm）的原子是周期性排列的，這個周期排列的原子結構可以成為X射線衍射的“衍射光柵”。X射線是波長在幾十到幾百皮米的電磁波，具有波動性和衍射的特性。[1]當X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長具有相同數量級，因此不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度與晶體結構密切相關，每種晶體所產生的衍射花樣都反映了該晶體內部的原子分配規律。因此，通過分析物質的X射線衍射花樣獲得物質的結構信息，這正是X射線衍射的基本原理。

X射線衍射技術是一種廣泛應用于材料科學、物理、化學、生物學、冶金、環境、地質、醫學等領域的技術，[2]其主要用途如下。

1. 材料的物相定性或定量分析：利用X射線衍射技術可以確定物質的晶體結構、晶格常數、晶體的對稱性、原子的排列方式等信息，進而進行材料的物相定性或定量分析。

2. 晶體結構分析：通過解析X射線衍射技術的衍射圖樣可以確定晶體中原子的排列方式和間距。

3. 材料的織構分析：利用X射線衍射技術分析材料中晶體的取向和排列方式。

4. 宏觀應力或微觀應力的測定：X射線衍射技術可以用于測定材料中的宏觀應力或微觀應力。

5. 晶粒大小測定：通過X射線衍射技術，可以測定材料中晶粒的大小。

6. 結晶度測定：X射線衍射技術還可以用于測定材料的結晶度。

總之，X射線衍射是一種非常重要的結構分析方法，可以幫助人們深入了解物質的微觀結構和性質，是面向材料工程類本科專業學生開設的核心主干課程之一，也是無機化學、物理類專業必修課程之一。

一、課程存在的問題

習近平總書記指出：“要推動前沿新興學科和交叉學科的教育建設和發展，高等人才教育需要面向國家重大戰略需求，不斷向科學技術廣度與深度進軍?！盵3]因此，培養學科交叉人才具有重大意義。多學科交叉融合指的是跨越不同學科界限，進行研究、教學與應用的一種綜合性方式。它通過將各學科的知識、方法和技術相互滲透與融合，旨在解決單一學科難以攻克的復雜問題。多學科交叉融合不僅是當前科學發展的一個重要趨勢，也是培養具備創新能力人才的關鍵途徑。多學科交叉融合在教育、科研、產業等方面都具有重要的意義。在教育方面，多學科交叉融合有助于培養復合型人才，提高人才的創新能力和適應性。在科研方面，多學科交叉融合有助于開拓新的研究領域，推動科學技術的發展和創新。在產業方面，多學科交叉融合有助于推動產業升級和轉型，提高企業的競爭力和創新能力。多學科交叉融合是當前科學發展的趨勢之一，具有重要的意義和價值。未來，需要進一步加強多學科交叉融合的理論研究和實踐活動，以推動科學技術的發展和創新，培養更多創新型人才，推動經濟社會的發展和進步。國內外學者圍繞“X射線衍射技術教學改革”開展了廣泛的研究，取得了較為豐碩的研究成果，[4-7]但在多學科交叉融合的背景下X射線衍射技術教學仍存在一些不足。

首先，X射線衍射學這門課程理論性強，晶體衍射學中包含基礎性的交叉學科理論，現有X射線晶體學教學內容分散，不能滿足師生的需求。而這些內容由于涉及多學科理論的交叉運用，抽象內容較多，講授難度大。[8-9]對于晶體學基礎薄弱的非材料、無機化學和物理學專業的學生來說，傳統晶體學課程需要花費很多時間學習空間群的演化過程、結構矩陣的換算、模型精修的數學原理。在實際教學中，學生較難想象出作為該教學內容學習基礎的晶體結構的三維圖形，加上大量深奧復雜的物理原理和數學公式，打擊了部分學生學習X射線技術的興趣、積極性和熱情。但X射線衍射技術在生物學、冶金、環境、地質、醫學等領域被廣泛地應用，因此，X射線技術教學應當因材施教，需要開設一門實用導向的X射線晶體學選修課程滿足廣大非晶體專業學生及科研工作者的需求，解決X射線晶體學知識傳播途徑不通暢、傳播內容碎片化的問題。

其次，X射線衍射技術是一門實踐性很強的課程，X射線衍射課程重視對學生理論基礎和實踐能力的雙重培養，課程強調理論教學和實驗教學相結合。目前本門課程在本科生中的培養模式是理論課+實驗課的形式，不過X射線衍射儀較貴，高校中X射線衍射儀的數量相當有限，且需要承擔大量的科研測試任務。因此，在X射線衍射實驗教學中學生往往缺乏親手操作的機會，而是采用以教師操作學生觀摩為主的實驗教學模式，甚至部分高校并沒有X射線衍射儀，造成X射線衍射技術實踐教學效果不理想。

最后，X射線衍射技術在科學研究領域扮演著至關重要的角色。“科研”和“教學”是高校培養人才的兩大根基。為了解決課堂所學與實際的科研所需之間差距越來越大的問題，需要科研與教學深度融合?？蒲腥谌胝n堂教學還面臨著“引入什么樣的科研案例”“如何合理利用有限的教學課時”等問題。如何使得高水平研究成果推動X射線衍射技術教學取得進步，還需要進一步的研究和實踐打磨。

二、X射線衍射按需施教的教學思考

X射線衍射是非常重要的實驗技術之一，對于研究物質的晶體結構、物相、分子構型等具有重要意義。然而，由于X射線衍射技術涉及較為復雜的物理和數學理論，對于沒有晶體學基礎的初學者來說可能存在一定的學習難度。因此，針對X射線衍射的教學，需要采取按需施教的方法，根據學生的背景和需求進行針對性教學。本研究認為，以圖1為X射線衍射技術課程備課綱要，將X射線衍射技術課程內容和實踐部分按專業需求重新組織，有針對地教學，在有限的課時內完成課程目標，讓X射線衍射技術基礎知識及應用走入廣大師生科研和工作中，成為他們今后的伙伴和工具。

基于上述，X射線衍射技術教學按需施教改革可以從以下幾個方面進行思考。

（一）教學對象分析

X射線技術除了用于科研教育外，在醫療、工業和安全檢查等領域也有廣泛的應用。

在科研領域，X射線技術被用于研究物質的微觀結構、原子排列等，如X射線衍射、X射線光譜等。這些研究對于理解物質的性質、開發新材料等具有重要意義。

在醫療領域，X射線技術被廣泛應用于診斷疾病，如拍攝X光片、CT掃描等。醫生通過X射線圖像可以觀察患者體內的情況，如骨折、腫瘤等，為診斷治療提供重要依據。

在工業領域，X射線技術可用于檢測材料內部的缺陷、結構、厚度等，如金屬、塑料、陶瓷等材料的無損檢測。此外，X射線技術還可用于研究材料的晶體結構、相變等物理性質。

在安全檢查領域，X射線技術被用于檢測行李、貨物等物品中的違禁品、危險品等，如機場、車站、港口等場所的安全檢查。

X射線技術在各個領域都有廣泛的應用，為人們的生活和工作帶來了便利和保障。但是，X射線衍射技術對于沒有晶體學基礎的初學者來說可能較為抽象，因此在教學前需要了解學生的專業背景和需求，根據學生的專業、已掌握的基礎知識、應用需求等來確定教學內容和教學方法。例如，對于物理專業的學生，可以較為深入地講解X射線衍射的物理原理和數學模型;而對于化學或材料科學專業的學生，可以理論和實踐結合，更多地結合實際應用案例來進行教學;對于力學專業的學生，重點介紹利用X射線衍射技術測定材料中的宏觀應力或微觀應力及相關數據分析。

（二）教學內容設計

X射線衍射技術的教學內容主要包括X射線衍射的基本原理、應用、實驗設備、實驗操作、數據處理和分析等方面。在教學時，需要根據學生的需求和背景來選擇合適的教學內容和方法。例如，對于廣大從事生物、環境、地質、醫學、化學研究的X射線衍射技術用戶，這些學生學習的目的是將X射線晶體學作為表征手段應用到科學研究中。如何選擇合適的測試參數做一次成功的測試，如何處理數據，如何從數據中提取到有效的信息，如何判斷數據能不能發表。這些更多地需要實踐技巧。亟須設計一門實用導向的X射線晶體學課程滿足廣大非晶體專業學生及科研工作者的結構解析需求。但是，理論課程學習是成為一個專業的晶體學研究人員的要求，對于物理專業的學生，需要介紹X射線衍射技術的基本原理，并且在條件允許的情況下應該把前沿X射線衍射技術的科研案例引入教學內容，一方面可以有效深化理論基礎的學習，另一方面可以提高學生對X射線技術的興趣。教研協同下培養出高質量的新時代創新人才，能夠為X射線衍射技術的發展打下堅實的基礎，提升科研人員的綜合素質。

課程主要涉及的內容有：1. X射線的產生和性質。2. 幾何晶體學基礎。3. X射線衍射的幾何原理。4. X射線衍射線的強度。5. 多晶體衍射的照相方法。6. X射線物相分析。7. 點陣常數的精確測定。8. 晶粒尺寸和點陣畸變的測定。9. 宏觀應力的測定。10. 非晶材料的X射線散射分析。11. 前言科研實例（及時更新）。12. 實踐。13. 科研實例。14. 應用簡介。其中，5、6、7和8，重點介紹典型案例。

本研究認為，可以參考表1作為不同專業X射線衍射技術課程教學的內容和備課綱要，將X射線衍射技術課程設計成按需施教的課程，更好地滿足廣大師生科研和工作需求。

（三）教學方法選擇

X射線衍射技術的教學可以采用多種教學方式，包括課堂講解、實驗操作、虛擬仿真實驗、科研案例分析、學生調研與討論等。對于不同的教學內容，需要選擇合適的教學方法。例如，對于X射線衍射的基本原理，可以采用課堂講解和案例分析相結合的方法，讓學生更好地理解X射線衍射的原理和應用;對于實驗操作，可以采用虛擬仿真實驗、實驗演示和實際操作相結合的方法，讓學生更好地掌握實驗技能;對于數據解析，可以采用科研案例講解和學生調研與討論相結合的方式，提高學生學習興趣的同時，可以調動學生主動學習的積極性。

（四）教學評估與反饋

在教學過程中，需要不斷進行評估和反饋，了解學生的學習情況和問題，及時調整教學方法和內容。例如可以通過課堂提問、小測驗、實驗報告等方式來了解學生的學習情況，根據學生的反饋及時調整教學策略。也可以通過畢業論文、科研訓練成果等方式來檢驗學生的學習成果和應用能力。

三、結語

X射線衍射技術是材料科學、化學、物理學等領域中非常重要的實驗技術之一，這門課程是一門理論與實踐并重的課程，涉及多學科理論的交叉運用，其抽象內容較多，講授難度大，對于沒有晶體學基礎的初學者來說可能存在一定的學習難度。鑒于扎實的理論基礎是成為一名專業晶體學研究人員的必備條件，并非所有使用X射線衍射技術的用戶都需要掌握這一內容。因此，需要采用按需施教的方法，根據學生的背景和需求進行針對性的教學。在教學前，根據學生的專業、已掌握的基礎知識和科研需求等來確定教學內容和教學方法;在教學過程中，需要不斷進行評估和反饋，了解學生的學習情況和問題，及時調整教學方法和內容。

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