吳杰　遲靜　張強(qiáng)　王新震

【摘 要】本文針對(duì)學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能利用大型儀器設(shè)備對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分析的現(xiàn)狀，探討了《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方法。

【關(guān)鍵詞】材料分析測(cè)試技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)： G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0060-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.025

【Abstract】Because the students do not attach importance to experimental teaching，and can not use large-scale instruments to effectively analyze material microstructure，this paper is aimed to explore the methods of experimental teaching reform of 《material analysis and testing technology》.

【Key words】Material analysis and testing technology；Experimental teaching；Educational reform

0 引言

《材料分析測(cè)試技術(shù)》是為金屬材料科學(xué)與工程、無機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)必修課程，重點(diǎn)講授X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子探針（EPMA）、熱分析等大型儀器設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)、操作方法及數(shù)據(jù)分析處理方法[1]。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析檢測(cè)方法，進(jìn)而分析材料微觀組織結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，改善工藝，發(fā)展新材料。

《材料分析測(cè)試技術(shù)》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，促使學(xué)生掌握不同分析測(cè)試技術(shù)的功能、特點(diǎn)，在對(duì)材料進(jìn)行分析表征時(shí)能夠根據(jù)需要正確的選擇分析測(cè)試方法，并能綜合利用儀器設(shè)備對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。該課程的學(xué)習(xí)結(jié)束以后，學(xué)生能夠掌握各大型儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，但不會(huì)操作設(shè)備，不能對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，更達(dá)不到綜合利用各儀器設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行分析的要求。究其原因，主要在于以下幾個(gè)方面：第一，《材料分析測(cè)試技術(shù)》所涉及設(shè)備都是大型儀器，由于設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少，難以真正掌握儀器操作方法；第二，課程所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，缺少關(guān)聯(lián)性，既不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又不能培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用儀器設(shè)備分析實(shí)際問題的能力；第三，實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，這種單一的考核方式忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的考核，也不能體現(xiàn)出學(xué)生的能力差異，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程不重視，容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象。因此，為培養(yǎng)學(xué)生的儀器操作能力和綜合利用儀器設(shè)備分析解決問題的能力，需要對(duì)《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《材料分析測(cè)試技術(shù)》課程的重要組成部分，集實(shí)踐性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性于一體[2]，本文針對(duì)學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能利用大型儀器設(shè)備對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分析的現(xiàn)狀，對(duì)《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，這對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)材料分析的需要正確選擇現(xiàn)代分析檢測(cè)設(shè)備和綜合分析問題的能力，具有重要意義。

1 《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1.1 《材料分析測(cè)試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與虛擬操作平臺(tái)的使用

為使學(xué)生掌握各大型儀器設(shè)備的使用，我們建立了《材料分析測(cè)試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，該平臺(tái)含儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)分析軟件、典型案例和相互交流模塊[3]。儀器設(shè)備模塊由學(xué)生介紹XRD、SEM、EPMA、熱分析儀等設(shè)備構(gòu)造、基本工作原理、樣品制備方法、儀器操作過程的視頻組成。數(shù)據(jù)分析軟件模塊由學(xué)生介紹Jade、Origin等常用軟件功能和使用方法的視頻組成。典型案例模塊主要介紹綜合運(yùn)用各儀器設(shè)備表征材料微觀組織結(jié)構(gòu)的案例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)儀器設(shè)備選擇和使用的同時(shí)，理解各儀器設(shè)備的局限性。相互交流模塊為學(xué)生和老師提供相互交流的平臺(tái)，學(xué)生可以就學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，和老師、同學(xué)進(jìn)行交流。學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)前，可以在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上自主地學(xué)習(xí)、交流，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為我們提供了獲取信息的可能性，通過網(wǎng)絡(luò)提供的虛擬操作平臺(tái)，可以使學(xué)生形象地學(xué)習(xí)各儀器設(shè)備的操作方法。比如澳大利亞微結(jié)構(gòu)分析中心開放性主頁上的虛擬操作平臺(tái)可提供XRD、SEM、EPMA等儀器設(shè)備的虛擬操作[4]。通過現(xiàn)場(chǎng)演示并指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際操作該虛擬平臺(tái)，能夠使學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)各儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方法。以SEM為例，通過觀看SEM電子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、二次電子和背散射電子信號(hào)接收方式、電子束在樣品上掃描方式與電子顯微圖像的關(guān)系等3D動(dòng)畫，可加深對(duì)SEM構(gòu)造和工作原理的理解；通過在二次電子、背散射電子模式下的虛擬操作，可掌握SEM的表面形貌襯度原理和原子序數(shù)襯度原理，并理解兩種成像模式的區(qū)別；通過樣品顯微圖像放大倍數(shù)調(diào)整、選區(qū)分析、亮度和對(duì)比度調(diào)整、像散消除等虛擬操作，可形象地掌握SEM設(shè)備的使用方法。如果學(xué)生能夠通過虛擬平臺(tái)完成相關(guān)虛擬軟件的操作，則可以顯著提高其動(dòng)手能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

改革前，《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：X射線衍射物相定性分析、掃描電子顯微鏡表面形貌觀察與能譜分析、透射電鏡用金屬薄片的制備、DSC與熱重分析，這4個(gè)實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)，相互獨(dú)立，缺少關(guān)聯(lián)性，雖能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，但學(xué)生體會(huì)不到如何綜合運(yùn)用大型儀器設(shè)備對(duì)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析檢測(cè)。

為提高學(xué)生綜合利用各儀器設(shè)備分析問題的能力，我們將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為綜合性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)學(xué)院老師的科研項(xiàng)目和企業(yè)需求，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿[5]，確定了近20個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生5～6人組成一個(gè)小組，可以根據(jù)興趣進(jìn)行選擇。由于時(shí)間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)樣品及樣品性能由老師提供，學(xué)生要綜合運(yùn)用各儀器設(shè)備完成樣品微觀組織結(jié)構(gòu)的表征，并分析樣品制備條件與微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，完成綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。例如 “多孔（TiB2+TiC）/NiAl復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)與性能” 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生要利用XRD分析樣品的物相組成，計(jì)算不同制備條件下TiB2和TiC的含量；利用SEM表征多孔材料的孔型結(jié)構(gòu)，分析孔徑大小、孔隙率對(duì)樣品抗壓強(qiáng)度的影響；利用TEM中的電子衍射鑒別TiB2和TiC的形態(tài)；結(jié)合XRD、SEM和TEM結(jié)果，考察TiB2和TiC的含量、形貌、顆粒大小對(duì)樣品抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律并分析原因；在完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中，學(xué)生既能體會(huì)到大型儀器的綜合應(yīng)用，又能理解各分析檢測(cè)方法的局限性；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析還涉及到材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能等理論知識(shí)，學(xué)生要查閱文獻(xiàn)和相關(guān)書籍，才能完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手操作能力和綜合運(yùn)用大型儀器設(shè)備分析問題、解決實(shí)際問題的能力。

1.3 考核方式改革

為提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問題的能力，改變根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)的考核方式，考核包括操作考核、過程考核和綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核，對(duì)應(yīng)的考核成績(jī)分別占總成績(jī)的30%、30%和40%。

操作考核主要考核學(xué)生制備樣品、動(dòng)手操作儀器設(shè)備和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。比如X射線衍射儀，學(xué)生要掌握粉末樣品和塊狀樣品的制備方法，了解粉末粒度和樣品狀態(tài)對(duì)XRD曲線的影響；掌握樣品測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定方法，包括掃描角度、掃描速度、X射線管電壓和電流的設(shè)定等；能夠利用Jade、Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)定衍射峰的衍射指數(shù)及所屬物相。受設(shè)備臺(tái)套數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、教師數(shù)量等因素的限制，不可能讓每一名學(xué)生完成所有儀器設(shè)備的操作考核。我們將操作考核的內(nèi)容分解為若干小題目，通過現(xiàn)場(chǎng)抽簽的方式，學(xué)生抽取1～2個(gè)題目進(jìn)行考核；由于事先不確定考核內(nèi)容，學(xué)生只有全面準(zhǔn)備才能順利通過考核。

加強(qiáng)過程考核才能引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度，過程考核包括《材料分析測(cè)試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和虛擬操作平臺(tái)的使用情況、綜合實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，重點(diǎn)考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、開展實(shí)驗(yàn)的積極性和參與程度、能否積極主動(dòng)地解決遇到的問題、能否和小組內(nèi)的同學(xué)進(jìn)行合理分工和團(tuán)結(jié)協(xié)作。對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出來的自主學(xué)習(xí)、勇于接受挑戰(zhàn)和創(chuàng)新精神，要給予充分肯定，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、多思考，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要考察綜合性實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量，考核實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是否合理、研究思路是否清晰、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程是否細(xì)節(jié)嚴(yán)密、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確、理論分析是否有邏輯性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫是否規(guī)范，重點(diǎn)考察學(xué)生根據(jù)實(shí)際需要正確選擇儀器設(shè)備對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的能力、正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力以及通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決實(shí)際問題的能力。由于一個(gè)小組提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容要能體現(xiàn)參與人員的分工與合作，以便根據(jù)貢獻(xiàn)大小評(píng)出不同的成績(jī)。

2 實(shí)施效果

《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度。由于成績(jī)考核注重操作考核和過程考核，學(xué)生必須參與實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)會(huì)設(shè)備操作和數(shù)據(jù)處理，才能通過考核，改變了以往不重視實(shí)驗(yàn)的狀況，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展。

（2）提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。通過《材料分析測(cè)試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和虛擬操作平臺(tái)的使用，參與綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了樣品制備方法、常用儀器設(shè)備的操作過程和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件的使用方法，提高了實(shí)踐能力。

（3）學(xué)生綜合分析問題能力得到了提高。在完成綜合性實(shí)驗(yàn)的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生綜合使用各儀器設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行表征的能力；實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析涉及到材料科學(xué)基礎(chǔ)、固態(tài)相變?cè)?、材料力學(xué)性能和物理性能等理論知識(shí)的運(yùn)用，鍛煉了學(xué)生綜合分析解決實(shí)際問題的能力。

（4）培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。綜合性實(shí)驗(yàn)包括文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、樣品表征、數(shù)據(jù)處理、理論分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中的分工與合作可培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

3 結(jié)束語

通過建立《材料分析測(cè)試技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、使用虛擬操作平臺(tái)、實(shí)施綜合性實(shí)驗(yàn)、改變考核方式，對(duì)《材料分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，著重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)備操作能力、數(shù)據(jù)分析處理能力以及綜合運(yùn)用儀器設(shè)備和理論知識(shí)對(duì)材料進(jìn)行分析表征的能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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