摘" 要：X射線衍射技術(shù)是一種重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，X射線衍射技術(shù)是材料科學(xué)與工程、物理、無(wú)機(jī)化學(xué)等專業(yè)的必修課程，是一門(mén)理論與實(shí)踐并重的課程，涉及多學(xué)科理論的交叉運(yùn)用，涉及內(nèi)容多，課時(shí)有限，講授難度大。文章從按需施教的角度出發(fā)，對(duì)改革X射線衍射技術(shù)的教學(xué)方式和內(nèi)容進(jìn)行討論，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)需求進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)，希望能夠以此有效滿足廣大非晶體專業(yè)師生選修X射線衍射技術(shù)的需求。圍繞師生科研實(shí)際需求，以提升實(shí)操技能來(lái)解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的困難，同時(shí)幫助學(xué)生樹(shù)立科學(xué)研究的自信心。

關(guān)鍵詞：X射線衍射技術(shù);多學(xué)科交叉;教學(xué)改革;按需施教

中圖分類號(hào)：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1673-7164（2024）32-0037-04

X射線衍射技術(shù)是利用X射線在晶體中發(fā)生的衍射現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的方法。1912年，勞厄等人根據(jù)理論證實(shí)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(gè)周期排列的原子結(jié)構(gòu)可以成為X射線衍射的“衍射光柵”。X射線是波長(zhǎng)在幾十到幾百皮米的電磁波，具有波動(dòng)性和衍射的特性。[1]當(dāng)X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)具有相同數(shù)量級(jí)，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(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映了該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律。因此，通過(guò)分析物質(zhì)的X射線衍射花樣獲得物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，這正是X射線衍射的基本原理。

X射線衍射技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、冶金、環(huán)境、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù)，[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(shù)可以確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、晶體的對(duì)稱性、原子的排列方式等信息，進(jìn)而進(jìn)行材料的物相定性或定量分析。

2. 晶體結(jié)構(gòu)分析：通過(guò)解析X射線衍射技術(shù)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(gòu)分析：利用X射線衍射技術(shù)分析材料中晶體的取向和排列方式。

4. 宏觀應(yīng)力或微觀應(yīng)力的測(cè)定：X射線衍射技術(shù)可以用于測(cè)定材料中的宏觀應(yīng)力或微觀應(yīng)力。

5. 晶粒大小測(cè)定：通過(guò)X射線衍射技術(shù)，可以測(cè)定材料中晶粒的大小。

6. 結(jié)晶度測(cè)定：X射線衍射技術(shù)還可以用于測(cè)定材料的結(jié)晶度。

總之，X射線衍射是一種非常重要的結(jié)構(gòu)分析方法，可以幫助人們深入了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是面向材料工程類本科專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的核心主干課程之一，也是無(wú)機(jī)化學(xué)、物理類專業(yè)必修課程之一。

一、課程存在的問(wèn)題

習(xí)近平總書(shū)記指出：“要推動(dòng)前沿新興學(xué)科和交叉學(xué)科的教育建設(shè)和發(fā)展，高等人才教育需要面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度與深度進(jìn)軍?！盵3]因此，培養(yǎng)學(xué)科交叉人才具有重大意義。多學(xué)科交叉融合指的是跨越不同學(xué)科界限，進(jìn)行研究、教學(xué)與應(yīng)用的一種綜合性方式。它通過(guò)將各學(xué)科的知識(shí)、方法和技術(shù)相互滲透與融合，旨在解決單一學(xué)科難以攻克的復(fù)雜問(wèn)題。多學(xué)科交叉融合不僅是當(dāng)前科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，也是培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力人才的關(guān)鍵途徑。多學(xué)科交叉融合在教育、科研、產(chǎn)業(yè)等方面都具有重要的意義。在教育方面，多學(xué)科交叉融合有助于培養(yǎng)復(fù)合型人才，提高人才的創(chuàng)新能力和適應(yīng)性。在科研方面，多學(xué)科交叉融合有助于開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。在產(chǎn)業(yè)方面，多學(xué)科交叉融合有助于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。多學(xué)科交叉融合是當(dāng)前科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)之一，具有重要的意義和價(jià)值。未來(lái)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合的理論研究和實(shí)踐活動(dòng)，以推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞“X射線衍射技術(shù)教學(xué)改革”開(kāi)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(xué)科交叉融合的背景下X射線衍射技術(shù)教學(xué)仍存在一些不足。

首先，X射線衍射學(xué)這門(mén)課程理論性強(qiáng)，晶體衍射學(xué)中包含基礎(chǔ)性的交叉學(xué)科理論，現(xiàn)有X射線晶體學(xué)教學(xué)內(nèi)容分散，不能滿足師生的需求。而這些內(nèi)容由于涉及多學(xué)科理論的交叉運(yùn)用，抽象內(nèi)容較多，講授難度大。[8-9]對(duì)于晶體學(xué)基礎(chǔ)薄弱的非材料、無(wú)機(jī)化學(xué)和物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)晶體學(xué)課程需要花費(fèi)很多時(shí)間學(xué)習(xí)空間群的演化過(guò)程、結(jié)構(gòu)矩陣的換算、模型精修的數(shù)學(xué)原理。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生較難想象出作為該教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的晶體結(jié)構(gòu)的三維圖形，加上大量深?yuàn)W復(fù)雜的物理原理和數(shù)學(xué)公式，打擊了部分學(xué)生學(xué)習(xí)X射線技術(shù)的興趣、積極性和熱情。但X射線衍射技術(shù)在生物學(xué)、冶金、環(huán)境、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，因此，X射線技術(shù)教學(xué)應(yīng)當(dāng)因材施教，需要開(kāi)設(shè)一門(mén)實(shí)用導(dǎo)向的X射線晶體學(xué)選修課程滿足廣大非晶體專業(yè)學(xué)生及科研工作者的需求，解決X射線晶體學(xué)知識(shí)傳播途徑不通暢、傳播內(nèi)容碎片化的問(wèn)題。

其次，X射線衍射技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，X射線衍射課程重視對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力的雙重培養(yǎng)，課程強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。目前本門(mén)課程在本科生中的培養(yǎng)模式是理論課+實(shí)驗(yàn)課的形式，不過(guò)X射線衍射儀較貴，高校中X射線衍射儀的數(shù)量相當(dāng)有限，且需要承擔(dān)大量的科研測(cè)試任務(wù)。因此，在X射線衍射實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生往往缺乏親手操作的機(jī)會(huì)，而是采用以教師操作學(xué)生觀摩為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，甚至部分高校并沒(méi)有X射線衍射儀，造成X射線衍射技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果不理想。

最后，X射線衍射技術(shù)在科學(xué)研究領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色?！翱蒲小焙汀敖虒W(xué)”是高校培養(yǎng)人才的兩大根基。為了解決課堂所學(xué)與實(shí)際的科研所需之間差距越來(lái)越大的問(wèn)題，需要科研與教學(xué)深度融合?？蒲腥谌胝n堂教學(xué)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(xué)課時(shí)”等問(wèn)題。如何使得高水平研究成果推動(dòng)X射線衍射技術(shù)教學(xué)取得進(jìn)步，還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)踐打磨。

二、X射線衍射按需施教的教學(xué)思考

X射線衍射是非常重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，對(duì)于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、物相、分子構(gòu)型等具有重要意義。然而，由于X射線衍射技術(shù)涉及較為復(fù)雜的物理和數(shù)學(xué)理論，對(duì)于沒(méi)有晶體學(xué)基礎(chǔ)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能存在一定的學(xué)習(xí)難度。因此，針對(duì)X射線衍射的教學(xué)，需要采取按需施教的方法，根據(jù)學(xué)生的背景和需求進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)。本研究認(rèn)為，以圖1為X射線衍射技術(shù)課程備課綱要，將X射線衍射技術(shù)課程內(nèi)容和實(shí)踐部分按專業(yè)需求重新組織，有針對(duì)地教學(xué)，在有限的課時(shí)內(nèi)完成課程目標(biāo)，讓X射線衍射技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)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(shù)教學(xué)按需施教改革可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行思考。

（一）教學(xué)對(duì)象分析

X射線技術(shù)除了用于科研教育外，在醫(yī)療、工業(yè)和安全檢查等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

在科研領(lǐng)域，X射線技術(shù)被用于研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、原子排列等，如X射線衍射、X射線光譜等。這些研究對(duì)于理解物質(zhì)的性質(zhì)、開(kāi)發(fā)新材料等具有重要意義。

在醫(yī)療領(lǐng)域，X射線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于診斷疾病，如拍攝X光片、CT掃描等。醫(yī)生通過(guò)X射線圖像可以觀察患者體內(nèi)的情況，如骨折、腫瘤等，為診斷治療提供重要依據(jù)。

在工業(yè)領(lǐng)域，X射線技術(shù)可用于檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷、結(jié)構(gòu)、厚度等，如金屬、塑料、陶瓷等材料的無(wú)損檢測(cè)。此外，X射線技術(shù)還可用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、相變等物理性質(zhì)。

在安全檢查領(lǐng)域，X射線技術(shù)被用于檢測(cè)行李、貨物等物品中的違禁品、危險(xiǎn)品等，如機(jī)場(chǎng)、車站、港口等場(chǎng)所的安全檢查。

X射線技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，為人們的生活和工作帶來(lái)了便利和保障。但是，X射線衍射技術(shù)對(duì)于沒(méi)有晶體學(xué)基礎(chǔ)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能較為抽象，因此在教學(xué)前需要了解學(xué)生的專業(yè)背景和需求，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)、已掌握的基礎(chǔ)知識(shí)、應(yīng)用需求等來(lái)確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。例如，對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生，可以較為深入地講解X射線衍射的物理原理和數(shù)學(xué)模型;而對(duì)于化學(xué)或材料科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，可以理論和實(shí)踐結(jié)合，更多地結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例來(lái)進(jìn)行教學(xué);對(duì)于力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，重點(diǎn)介紹利用X射線衍射技術(shù)測(cè)定材料中的宏觀應(yīng)力或微觀應(yīng)力及相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

X射線衍射技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容主要包括X射線衍射的基本原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和分析等方面。在教學(xué)時(shí)，需要根據(jù)學(xué)生的需求和背景來(lái)選擇合適的教學(xué)內(nèi)容和方法。例如，對(duì)于廣大從事生物、環(huán)境、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)研究的X射線衍射技術(shù)用戶，這些學(xué)生學(xué)習(xí)的目的是將X射線晶體學(xué)作為表征手段應(yīng)用到科學(xué)研究中。如何選擇合適的測(cè)試參數(shù)做一次成功的測(cè)試，如何處理數(shù)據(jù)，如何從數(shù)據(jù)中提取到有效的信息，如何判斷數(shù)據(jù)能不能發(fā)表。這些更多地需要實(shí)踐技巧。亟須設(shè)計(jì)一門(mén)實(shí)用導(dǎo)向的X射線晶體學(xué)課程滿足廣大非晶體專業(yè)學(xué)生及科研工作者的結(jié)構(gòu)解析需求。但是，理論課程學(xué)習(xí)是成為一個(gè)專業(yè)的晶體學(xué)研究人員的要求，對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生，需要介紹X射線衍射技術(shù)的基本原理，并且在條件允許的情況下應(yīng)該把前沿X射線衍射技術(shù)的科研案例引入教學(xué)內(nèi)容，一方面可以有效深化理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，另一方面可以提高學(xué)生對(duì)X射線技術(shù)的興趣。教研協(xié)同下培養(yǎng)出高質(zhì)量的新時(shí)代創(chuàng)新人才，能夠?yàn)閄射線衍射技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提升科研人員的綜合素質(zhì)。

課程主要涉及的內(nèi)容有：1. X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)。2. 幾何晶體學(xué)基礎(chǔ)。3. X射線衍射的幾何原理。4. X射線衍射線的強(qiáng)度。5. 多晶體衍射的照相方法。6. X射線物相分析。7. 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定。8. 晶粒尺寸和點(diǎn)陣畸變的測(cè)定。9. 宏觀應(yīng)力的測(cè)定。10. 非晶材料的X射線散射分析。11. 前言科研實(shí)例（及時(shí)更新）。12. 實(shí)踐。13. 科研實(shí)例。14. 應(yīng)用簡(jiǎn)介。其中，5、6、7和8，重點(diǎn)介紹典型案例。

本研究認(rèn)為，可以參考表1作為不同專業(yè)X射線衍射技術(shù)課程教學(xué)的內(nèi)容和備課綱要，將X射線衍射技術(shù)課程設(shè)計(jì)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(xué)方法選擇

X射線衍射技術(shù)的教學(xué)可以采用多種教學(xué)方式，包括課堂講解、實(shí)驗(yàn)操作、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、科研案例分析、學(xué)生調(diào)研與討論等。對(duì)于不同的教學(xué)內(nèi)容，需要選擇合適的教學(xué)方法。例如，對(duì)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(jié)合的方法，讓學(xué)生更好地理解X射線衍射的原理和應(yīng)用;對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作，可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)際操作相結(jié)合的方法，讓學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)技能;對(duì)于數(shù)據(jù)解析，可以采用科研案例講解和學(xué)生調(diào)研與討論相結(jié)合的方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

（四）教學(xué)評(píng)估與反饋

在教學(xué)過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行評(píng)估和反饋，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和內(nèi)容。例如可以通過(guò)課堂提問(wèn)、小測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方式來(lái)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生的反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。也可以通過(guò)畢業(yè)論文、科研訓(xùn)練成果等方式來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和應(yīng)用能力。

三、結(jié)語(yǔ)

X射線衍射技術(shù)是材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域中非常重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，這門(mén)課程是一門(mén)理論與實(shí)踐并重的課程，涉及多學(xué)科理論的交叉運(yùn)用，其抽象內(nèi)容較多，講授難度大，對(duì)于沒(méi)有晶體學(xué)基礎(chǔ)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能存在一定的學(xué)習(xí)難度。鑒于扎實(shí)的理論基礎(chǔ)是成為一名專業(yè)晶體學(xué)研究人員的必備條件，并非所有使用X射線衍射技術(shù)的用戶都需要掌握這一內(nèi)容。因此，需要采用按需施教的方法，根據(jù)學(xué)生的背景和需求進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)。在教學(xué)前，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)、已掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和科研需求等來(lái)確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法;在教學(xué)過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行評(píng)估和反饋，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和內(nèi)容。

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