王 萌 馬向東 李燁文 金若其 艾于翔

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程系，北京 100083）

0 引言

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類文明的重要里程碑。當(dāng)今社會(huì)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(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能是材料科學(xué)研究的重點(diǎn)。改進(jìn)材料的微觀結(jié)構(gòu)是提高材料性能、開發(fā)新材料的有效途徑。因此，材料學(xué)科的發(fā)展與材料分析技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著對(duì)高性能材料需求的不斷增長(zhǎng)，材料的結(jié)構(gòu)和性能表征分析技術(shù)顯得越來越重要。目前，國(guó)內(nèi)外眾多高校在材料類本科生和研究生培養(yǎng)計(jì)劃中都開設(shè)了材料現(xiàn)代分析方法課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代材料科學(xué)研究中常用的先進(jìn)分析技術(shù)，了解儀器工作原理、基本結(jié)構(gòu)和操作步驟，正確選用合適的分析方法解決實(shí)際科研工作中的問題，從而為學(xué)生將來從事材料領(lǐng)域相關(guān)工作或攻讀研究生提供必備的材料測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)理論與科研技能[1]。然而，隨著先進(jìn)分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)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(xué)科面廣、理論知識(shí)抽象、實(shí)踐難度大，造成教學(xué)效果不夠理想。筆者根據(jù)該課程授課過程中發(fā)現(xiàn)的問題，從課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)模式、教學(xué)方法等方面進(jìn)行和教學(xué)改革探索實(shí)踐，供讀者及相關(guān)授課教師參考指正。

1 課程內(nèi)容的設(shè)置與優(yōu)化

材料現(xiàn)代分析方法是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測(cè)試技術(shù)及其有關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)，課程內(nèi)容涉及物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等多個(gè)學(xué)科，涵蓋知識(shí)面廣，且表征分析方法眾多，如光學(xué)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(zhì)譜分析、電化學(xué)分析等[2]。而每種分析方法都有其各自的特點(diǎn)，涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)、儀器工作原理、試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法也各不相同[3，4]。因此難以在有限的課程教學(xué)時(shí)間內(nèi)對(duì)所有分析方法進(jìn)行全面系統(tǒng)深入地介紹。筆者結(jié)合本校材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃特點(diǎn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備情況，以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，將光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內(nèi)容作為本課程的主要授課內(nèi)容，其他表征方法則要求學(xué)生在其他課程、課下和相關(guān)科研訓(xùn)練環(huán)節(jié)中自主學(xué)習(xí)掌握。光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析和電子顯微分析三部分內(nèi)容看似獨(dú)立，但內(nèi)在物理基礎(chǔ)都是基于電磁輻射或粒子束與材料的相互作用?；诠鈱W(xué)顯微鏡儀器構(gòu)造和操作相對(duì)簡(jiǎn)單、學(xué)生對(duì)光學(xué)物理和金相分析相關(guān)知識(shí)熟悉度高，在本課程授課過程中，以光學(xué)顯微鏡為基礎(chǔ)，利用對(duì)比方法重點(diǎn)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(gòu)造上的異同，并詳細(xì)說明相關(guān)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用。通過教學(xué)內(nèi)容的貫穿和對(duì)比，提高了章節(jié)間的連續(xù)性和系統(tǒng)性，幫助學(xué)生準(zhǔn)確掌握理論框架，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。

2 教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

材料現(xiàn)代分析方法是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的一門課程，除了掌握基本結(jié)構(gòu)和工作原理之外，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)正確選用合適的分析方法以解決實(shí)際材料研究工作中的問題[5]。在早年授課過程中，學(xué)生普遍反映課程理論知識(shí)難度高、微觀原理較抽象、對(duì)相關(guān)儀器和操作方法無法形成具象認(rèn)知。針對(duì)上述問題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自2018年開設(shè)了材料現(xiàn)代分析技術(shù)綜合實(shí)踐選修課程，旨在使學(xué)生能運(yùn)用材料現(xiàn)代分析技術(shù)的基本理論，通過實(shí)際操作掌握材料分析的基本實(shí)驗(yàn)方法。配合材料現(xiàn)代分析方法的三個(gè)板塊的授課內(nèi)容，實(shí)踐課程將45號(hào)鋼和GCr15軸承鋼作為實(shí)驗(yàn)樣品，要求學(xué)生自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行儀器操作和測(cè)試，完成樣品熱處理—性能測(cè)試—結(jié)構(gòu)表征整體過程，提交實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告。具體內(nèi)容涉及使用高溫爐進(jìn)行熱處理，使用金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，使用X射線衍射儀和Jade軟件進(jìn)行樣品成分和結(jié)構(gòu)分析，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀測(cè)，使用硬度測(cè)試儀進(jìn)行硬度分析。在實(shí)踐過程中學(xué)生能夠真正應(yīng)用所學(xué)的表征方法和手段去解決具體實(shí)驗(yàn)問題，在提高創(chuàng)新意識(shí)的同時(shí)可鍛煉動(dòng)手能力。從教學(xué)效果來看，學(xué)生參與實(shí)踐課程的積極性較高，在實(shí)驗(yàn)過程中能主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題，對(duì)相關(guān)表征儀器的工作原理、操作步驟和數(shù)據(jù)分析認(rèn)識(shí)加深，更加準(zhǔn)確地把握了理論課程的基礎(chǔ)知識(shí)框架。

3 教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

3.1 案例式教學(xué)

針對(duì)本課程涉及的各種測(cè)試方法的工作原理、儀器結(jié)構(gòu)及在材料分析中的應(yīng)用，采用案例式教學(xué)方法，通過具體的科研實(shí)例和工程實(shí)例分享及表征測(cè)試結(jié)構(gòu)的分析探討，突出理論與實(shí)際的聯(lián)系。例如，在講解X射線衍射時(shí)，以學(xué)生熟知的珠光體為例，利用常規(guī)化學(xué)分析方法無法說明每種元素的存在狀態(tài)，而X射線衍射分析方法則可分析出碳元素的存在狀態(tài)，從而幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)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(shù)時(shí)，通過結(jié)合科學(xué)研究最新進(jìn)展，展示粉筆灰、頭發(fā)、血小板細(xì)胞、SARS病毒和2019-nCoV病毒等材料的掃描電鏡圖片，吸引學(xué)生的目光，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生理解微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響；通過展示位錯(cuò)線、層錯(cuò)像、第二相粒子等晶體缺陷的透射電鏡圖片，讓學(xué)生對(duì)這些十分抽象的晶體學(xué)理論概念形成具象認(rèn)識(shí)。

3.2 啟發(fā)式教學(xué)

在授課過程中通過啟發(fā)、誘導(dǎo)、提問、設(shè)問和反問等互動(dòng)方式，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，啟發(fā)學(xué)生自主進(jìn)行思考。在講解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，引入相關(guān)研究背景和最新科研成果進(jìn)展的介紹，增加與學(xué)生互動(dòng)、與其他課程相關(guān)內(nèi)容互動(dòng)的環(huán)節(jié)，使學(xué)生更好地理解相關(guān)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。例如，在介紹電子顯微學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，首先通過互動(dòng)提問引發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)有光學(xué)顯微分析技術(shù)在材料領(lǐng)域研究中的應(yīng)用和局限性，提出問題，將前期學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行回憶和串聯(lián)，并由此引申，帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧電子顯微技術(shù)的發(fā)展歷史，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到電子顯微技術(shù)對(duì)當(dāng)今科技發(fā)展和材料領(lǐng)域研究的重要性。在透射電子顯微鏡的儀器結(jié)構(gòu)介紹時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生尋找光學(xué)顯微鏡和透射電鏡的儀器結(jié)構(gòu)的異同，加深學(xué)生對(duì)透射電鏡儀器結(jié)構(gòu)和工作原理的認(rèn)識(shí)和理解。

3.3 融入課程思政元素

通過將材料表征方法發(fā)展歷程、國(guó)內(nèi)外科學(xué)家故事、目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)表征儀器發(fā)展現(xiàn)狀等思政元素多元化、“潤(rùn)物細(xì)無聲”地融入教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)思維，樹立學(xué)生的民族自豪感和使命感。從課程講授、課堂討論互動(dòng)、課后作業(yè)三個(gè)方面進(jìn)行課程思政的探索和實(shí)踐。例如在課程講授過程中，通過勞厄發(fā)現(xiàn)X射線的衍射特性，到布拉格父子設(shè)計(jì)X射線光譜儀并應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)研究的介紹，向?qū)W生展示科學(xué)研究者所應(yīng)具備的探索和創(chuàng)新精神；通過電子顯微鏡的發(fā)明歷史介紹，向?qū)W生展示基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相輔相成的關(guān)系，提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的重視，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣；通過白春禮院士研制我國(guó)第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡CSTM-9000的故事，學(xué)習(xí)科學(xué)家精神，增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)情懷。在課堂討論互動(dòng)中，通過2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)冷凍電鏡技術(shù)發(fā)明者之一的理查德·亨德森的研究經(jīng)歷，向?qū)W生展示在熟悉的研究領(lǐng)域要敢于突破創(chuàng)新，接受新技術(shù)新思想并將之巧妙結(jié)合利用；通過新冠肺炎病毒檢測(cè)方法的不斷完善和進(jìn)步，向?qū)W生展示科技的進(jìn)步對(duì)人類健康安全的重大意義和學(xué)習(xí)現(xiàn)代表征方法的重要性，提高學(xué)生的民族自信心，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。在課后作業(yè)方面，通過讓學(xué)生調(diào)研最新電子顯微技術(shù)和相關(guān)儀器聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科技創(chuàng)新的重要性，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)熱情，樹立“勇于攻堅(jiān)克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競(jìng)爭(zhēng)和未來發(fā)展制高點(diǎn)”的奮斗目標(biāo)。

3.4 采用多種教學(xué)手段

通過多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，充分利用多媒體教學(xué)手段，提高教學(xué)效率。例如，制作視頻動(dòng)畫對(duì)X射線與物質(zhì)的相互作用、電子與物質(zhì)的相互作用進(jìn)行說明，增加直觀性，幫助學(xué)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(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；利用視頻動(dòng)畫對(duì)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(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方法進(jìn)行解析和演示，對(duì)課本和PPT教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的豐富和補(bǔ)充；通過實(shí)際儀器分析視頻播放或材料制備分析視頻播放，使學(xué)生形成更加直觀的印象，加深學(xué)生對(duì)這些材料分析技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

材料現(xiàn)代分析方法是材料類專業(yè)學(xué)生的主干課程，針對(duì)授課過程中遇到的問題，筆者進(jìn)行了課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐。在教學(xué)內(nèi)容方面，首先結(jié)合我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行了課程知識(shí)點(diǎn)的梳理優(yōu)化，將課程內(nèi)容系統(tǒng)分為三大板塊，幫助學(xué)生理清課程學(xué)習(xí)思路。在教學(xué)模式方面，除理論授課外，我校設(shè)置了材料現(xiàn)代分析技術(shù)綜合實(shí)踐作為配套實(shí)驗(yàn)選修課程，根據(jù)理論知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，在學(xué)生自主設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征的過程中加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，全方面培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和綜合素質(zhì)。在教學(xué)方法方面，通過應(yīng)用案例式、啟發(fā)式、互動(dòng)式等教學(xué)方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；通過融入課程思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感和使命感；通過多種教學(xué)手段的應(yīng)用，將理論學(xué)習(xí)與動(dòng)畫、視頻演示相結(jié)合，加深了學(xué)生的直觀印象，強(qiáng)化了教學(xué)效果。該課程取得了良好的教學(xué)實(shí)踐效果，對(duì)培養(yǎng)具有基礎(chǔ)科研技能的研究型和應(yīng)用型人才起到重要作用。