胡強飛，胡 坤，陳少華，馬 婕，錢 泉，劉 輝

(安徽建筑大學(xué)金屬材料工程系，安徽 合肥 230601)

材料分析方法是材料類專業(yè)(金屬材料工程、無機非金屬材料和高分子材料等)學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，在材料相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中占據(jù)地位，國內(nèi)外幾乎所有高校的材料類專業(yè)均開設(shè)了該課程[1-2]。從現(xiàn)有的材料科學(xué)研究四面體框架可知，材料分析方法是研究材料加工制備、成分結(jié)構(gòu)、性能和使用效能之間關(guān)系的關(guān)鍵，該課程主要培養(yǎng)學(xué)生了解現(xiàn)代材料主要分析測試方法的基本原理、儀器設(shè)備及樣品制備，表征材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)特征、微觀組織等，使學(xué)生對材料分析方法有一個較系統(tǒng)的了解和認(rèn)識。但是該課程的理論涉及材料、物理、化學(xué)等多個學(xué)科，內(nèi)容抽象且難于理解，是材料類專業(yè)課學(xué)習(xí)難度最大的課程之一[3-4]。傳統(tǒng)的教學(xué)方法和實踐已經(jīng)不能滿足當(dāng)下教學(xué)需求和社會對材料類專業(yè)人才的更高要求，為了改變這一困境，本文從材料分析方法課程教學(xué)的工作實際及學(xué)校專業(yè)實際條件出發(fā)，從課程建設(shè)和實踐教學(xué)等方面著手，進(jìn)行了探討和初步實踐，這對深化我校材料類本科教學(xué)改革及新工科建設(shè)具有重要意義。

1 材料分析方法課程概況和存在的主要問題

材料分析方法課程的講授，面臨內(nèi)容繁雜、理論抽象和概念較多等困難，而授課學(xué)時嚴(yán)重偏少，以安徽建筑大學(xué)金屬材料工程專業(yè)該課程為例，只有48學(xué)時，主要講授X射線衍射、材料電子顯微分析、表面分析和光譜等內(nèi)容，只能在較短時間內(nèi)對理論部分做較為簡單的介紹，結(jié)果就是講的內(nèi)容種類較多，每一種都只是淺嘗輒止，最終的教學(xué)效果不太理想。自金屬材料工程專業(yè)開設(shè)以來，材料分析方法課程一直是專業(yè)課學(xué)習(xí)重要組成部分，基本能按要求完成課程教學(xué)目標(biāo)，但目前還存在著一些不足亟須改進(jìn)。

首先，在課程內(nèi)容安排方面重點不突出。在專業(yè)教材方面，采用南京理工大學(xué)朱和國教授等編著的《材料科學(xué)研究與測試方法》，內(nèi)容覆蓋面廣，詳略得當(dāng)，系統(tǒng)介紹了X射線衍射原理及方法、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、材料表面分析和光譜等測試手段。為了盡可能讓學(xué)生熟悉了解更多的材料分析方法，起初講授的內(nèi)容過多，而且都不怎么深入，對理論本身理解不到位，更不用說實際操作了，學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果一般。

其次，實踐教學(xué)條件不足。由于課程涉及到昂貴的大型分析儀器，比如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜技術(shù)、原子力顯微鏡、X射線衍射儀等[5]，儀器要么沒有要么就是臺套數(shù)只有1～2套，僅存的儀器還需要滿足大量的科研任務(wù)，本科生親自操作的機會基本沒有，相關(guān)實驗絕大多數(shù)只能是演示性實驗，完全不能滿足該課程實踐性強的要求，學(xué)生大多是走馬觀花，起不到很好的效果。

最后，實驗結(jié)果處理分析薄弱。課程講授部分側(cè)重基本原理的講解，實驗儀器重點介紹原理和操作，而對于測試結(jié)果的處理和分析明顯不足。造成的結(jié)果就是開展了很多測試，根據(jù)測試結(jié)果畫了許多圖，就是不明白怎么解析圖進(jìn)而分析實驗結(jié)果得出有用的結(jié)論。比如較為常用的XRD分析軟件Jade和XPS分析軟件XPS Peak沒有涉及，基本要靠自學(xué)摸索，過程漫長效率低下，且對處理出的結(jié)果難以做出較為合理的分析，基本不能獨立開展材料的研究和測試。

2 材料分析方法課程的改革舉措

在理論教學(xué)安排中，結(jié)合金屬材料工程專業(yè)特點和學(xué)校實際硬件條件，重點選取講解X射線衍射(原理、分析及應(yīng)用)、材料電子顯微分析(掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡)、表面分析技術(shù)(X射線光電子能譜儀和原子力顯微鏡)和光譜分析(紅外光譜、拉曼光譜和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜)四大部分內(nèi)容，并且在儀器應(yīng)用分析部分簡要介紹Jade和XPS Peak等分析軟件的主要功能和操作，為后續(xù)的測試分析打下良好的基礎(chǔ)。

為了盡可能讓學(xué)生實際接觸測試設(shè)備和方法，安排專門配套的實驗課程。實驗項目的安排要緊密貼近理論部分內(nèi)容，要包括掃描電子顯微鏡、X射線衍射和拉曼光譜等內(nèi)容，讓學(xué)生體會材料化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和形貌分析等常見測試。比如基于磁控濺射在鋼表面使用不同工藝制備不銹鋼鍍層，使用掃描電子顯微鏡觀察鍍層形貌和厚度(如圖1所示)，利用能譜分析元素含組成和含量，結(jié)合X射線衍射分析物相組成和含量等，建立鍍層制備工藝-結(jié)構(gòu)-耐蝕性能之間的關(guān)系。在此過程中逐步理解各個儀器設(shè)備的主要作用，不僅促進(jìn)了對材料分析方法課程體系及內(nèi)容的理解，還能夠?qū)Σ牧峡茖W(xué)研究的基本思路有一定的領(lǐng)會。

圖1 鋼表面磁控濺射不銹鋼截面形貌(a)和EDS(b)

在教學(xué)方式上，針對該課程抽象性強的特點，盡量把抽象內(nèi)容具象化。比如基于實驗原理通過仿真計算的方式將其結(jié)果以動畫等形式展示出來[6]，直觀形象的讓學(xué)生了解實驗背后的原理和測試過程與方法。比如說講解物質(zhì)對X射線的吸收作用時，可以采用動畫的形式(如圖2(a)所示)，形象地描述光電效應(yīng)、俄歇效應(yīng)和熒光效應(yīng)產(chǎn)生過程，對俄歇電子等相關(guān)概念有更好的理解。再比如在學(xué)習(xí)電子衍射花樣形成原理時，涉及到倒易空間和正空間的轉(zhuǎn)換及衍射等知識，可以運用晶體衍射等相關(guān)軟件對電子衍射過程進(jìn)行演示(如圖2(b)所示)，調(diào)節(jié)樣品厚度、相機常數(shù)、加速電壓和電子束方向等，觀察得到的衍射花樣，使整個實驗更直觀形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，提高學(xué)習(xí)效果。

圖2 俄歇效應(yīng)與熒光效應(yīng)動畫(a)和NaCl晶體透射電子顯微鏡衍射圖(b)

以學(xué)生為中心，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，教師主要起引導(dǎo)作用。傳統(tǒng)的教學(xué)偏重于理論教學(xué)，而忽略培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，當(dāng)前的教育教學(xué)改革應(yīng)進(jìn)一步強調(diào)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新思維能力和理解應(yīng)用能力。因此課堂教學(xué)可借鑒目前頗受歡迎的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，讓學(xué)生在課下通過自學(xué)完成對部分知識的學(xué)習(xí)，利用上課時間教師設(shè)計一些問題情境引導(dǎo)學(xué)生理清知識脈絡(luò)，使用具體研究案例，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，同時組織學(xué)生團隊間協(xié)助合作、交流討論的形式，實現(xiàn)對新知識的理解吸收與應(yīng)用研究[7-8]。比如以某銅合金法蘭失效為例，讓學(xué)生運用材料分析方法從材料的角度分析法蘭失效原因。引導(dǎo)學(xué)生從材料科學(xué)研究基本思路出發(fā)，把銅合金耐蝕性能看成一個使用效能，那么影響因素可能就是材料加工制備方式和成分結(jié)構(gòu)，因此可以先從化學(xué)成分檢驗和原始材料組織觀察入手，判斷材料成分和組織是否合格；再從腐蝕前后材料表面和截面形貌入手(如圖3所示)，并結(jié)合能譜等手段分析腐蝕產(chǎn)物情況。綜合多種分析方法結(jié)果，從材料成分、組織結(jié)構(gòu)和腐蝕產(chǎn)物相組成等方面做出判斷，銅合金法蘭材質(zhì)選擇不合適，其在海水中發(fā)生了嚴(yán)重的脫鋅腐蝕，最終造成法蘭失效。

圖3 銅合金在海水中腐蝕表面(a)和截面(b)形貌

以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目為重要載體，綜合運用各種材料分析方法研究具體問題。目前大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目基本上做到了全覆蓋，所有學(xué)生按3～4人一個團隊組織起來在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下研究材料相關(guān)問題。對照實際項目目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生從課題內(nèi)容出發(fā)，針對項目內(nèi)容需求合理選擇材料分析方法，制定合理的測試方案分析研究問題。比如碳鋼在海水中形成的腐蝕產(chǎn)物膜對腐蝕行為的影響，需要使用掃描電子顯微鏡觀察碳鋼腐蝕后的微觀形貌，能譜分析腐蝕產(chǎn)物組成，通過XRD衍射分析腐蝕產(chǎn)物膜組成，運用XPS分析膜層每層結(jié)構(gòu)組成，在這個過程中逐漸學(xué)會相關(guān)專業(yè)軟件的使用，結(jié)合其他方式綜合分析腐蝕產(chǎn)物膜成分、結(jié)構(gòu)、組成對碳鋼腐蝕行為的影響。其中涉及的XRD和XPS分析等過程可以先做一個簡要介紹，然后把網(wǎng)上優(yōu)秀的視頻教程等資源推介給學(xué)生學(xué)習(xí)，讓他們自主分析，再對出現(xiàn)的問題有針對性地展開解答。這樣分析一個具體問題后，熟悉了最開始的電極制備、形貌結(jié)構(gòu)表征和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析這一較為完整的流程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的獨立的課程知識串聯(lián)起來成為一個整體，增強學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果，同時對學(xué)生開展了科研訓(xùn)練，培養(yǎng)了材料科學(xué)研究的基本思維，為學(xué)生后續(xù)開展畢業(yè)設(shè)計及以后從事相關(guān)科研工作打下一個良好的基礎(chǔ)。

考核內(nèi)容更加全面，綜合考慮理論知識、實際案例分析和實驗操作等因素?？己朔制綍r成績與期末考試成績，平時成績占40%，期末考試成績占60%。平時成績包括課堂作業(yè)、出勤、課堂表現(xiàn)、案例分析等?？荚噧?nèi)容中基本概念和原理占比50%～60%，運用基本理論知識進(jìn)行分析占20%～30%，理論結(jié)合實際占10%～20%。

3 結(jié) 語

材料分析方法是材料類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是建立材料“制備加工-成分結(jié)構(gòu)-性能-使用效能”關(guān)系的橋梁，是材料學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。針對目前該課程存在的問題，從教學(xué)理念上轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，教師主要起引導(dǎo)作用；從教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合金屬材料工程專業(yè)特點和學(xué)校條件，精簡內(nèi)容，重點突出；從教學(xué)方式上，變抽象為具象，利用各種技術(shù)讓知識生動起來；從教學(xué)方法上，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目為載體，實踐與理論結(jié)合，由點到面串聯(lián)起各種測試方法綜合運用；從教學(xué)評價上進(jìn)一步降低考試比重，考慮案例分析和實驗操作等因素，健全評價體系。用于材料性能檢測、微觀結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分分析的試驗方法和檢測手段不斷豐富，新型儀器設(shè)備的不斷更新，為材料科學(xué)研究提供了強有力的物質(zhì)支撐，科研工作者掌握好材料分析測試方法能更好地開展科學(xué)研究工作?？傊?，材料分析方法課程教學(xué)內(nèi)容的選擇要考慮專業(yè)特點和實際條件、理論聯(lián)系實際和新興教學(xué)技術(shù)手段等，盡最大努力調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力，取得更好的教學(xué)效果。在今后的教學(xué)實踐中團隊教師將不斷探索優(yōu)化，為培養(yǎng)社會滿意的高素養(yǎng)的金屬材料專業(yè)人才而持續(xù)努力。