劉 雯 李明亮 范冰冰 盧紅霞

（鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 鄭州·河南 450001）

0 引言

鄭州大學(xué)是國家“雙一流”重點(diǎn)建設(shè)高校，材料科學(xué)與工程專業(yè)入選世界一流建設(shè)學(xué)科，ESI排名進(jìn)入全球前1%?！安牧匣蚪M計(jì)劃”、“中國制造2025”等國家發(fā)展戰(zhàn)略的提出，意味著材料進(jìn)入一個(gè)新的“設(shè)計(jì)時(shí)代”。新材料是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基石，加速新材料的研發(fā)與應(yīng)用離不開人才的培養(yǎng)。材料科學(xué)與工程是一門要求學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)理論并具備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)科。

XRD，全稱X射線衍射分析（X-rayDiffraction），是通過對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射，記錄并分析圖譜，獲得材料成分、內(nèi)部原子或分子結(jié)構(gòu)或形態(tài)信息的分析方法，是測(cè)試材料結(jié)構(gòu)最早最基本的手段。本科教育開設(shè)XRD分析實(shí)驗(yàn)課，與材料科學(xué)基礎(chǔ)課堂教學(xué)相配合，與試樣制備、材料應(yīng)力應(yīng)變性能測(cè)定等其他平臺(tái)實(shí)驗(yàn)相銜接，構(gòu)成了材料專業(yè)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。但長期以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程存在教學(xué)過程程序化，專職實(shí)驗(yàn)教師少，特別是在XRD實(shí)驗(yàn)中側(cè)重分析動(dòng)手環(huán)節(jié)缺失等現(xiàn)象，本文將以XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例探索解決方法，同時(shí)基于結(jié)合鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的實(shí)際情況，對(duì)其“平臺(tái)+模塊+課程群”的課程體系和利用創(chuàng)新項(xiàng)目、開放的科研平臺(tái)帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性和積極性的措施進(jìn)行介紹和優(yōu)化，達(dá)到進(jìn)一步提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 本科XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀

在鄭州大學(xué)，本科XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)，屬于“平臺(tái)+模塊+課程群”課程體系（圖1）中的平臺(tái)課。“平臺(tái)+模塊+課程群”課程體系是對(duì)原有“公共課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課”課程體系優(yōu)化配置，保證多樣化的課程能反映各學(xué)科背景下的特色，同時(shí)注重學(xué)生基礎(chǔ)、技術(shù)與能力培養(yǎng)，分層次、重個(gè)性，面向社會(huì)，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)能力和創(chuàng)新能力。

圖1“平臺(tái)+模塊+課程群”新課程體系

平臺(tái)實(shí)驗(yàn)針對(duì)的學(xué)生對(duì)象包括高分子材料、高分子成型與模具、金屬材料與成形加工、無機(jī)非金屬材料4個(gè)專業(yè)方向。除XRD分析實(shí)驗(yàn)，還包括掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)、光學(xué)顯微鏡組織結(jié)構(gòu)分析）、材料硬度、材料應(yīng)力應(yīng)變測(cè)定、氣孔率和體積密度、潤濕角和表面張力測(cè)定、綜合熱分析、紫外光譜和紅外光譜分析、數(shù)據(jù)處理及誤差分析、金相試樣制備，共12個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從結(jié)構(gòu)—制備—性能—分析獲得對(duì)材料專業(yè)完整的認(rèn)識(shí)。在以上實(shí)驗(yàn)中，XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)是使學(xué)生建立對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)理解的重要環(huán)節(jié)，具有極強(qiáng)的應(yīng)用型。通過XRD分析可以進(jìn)行物相檢索，獲得物相組成、結(jié)晶化度、晶粒大小和微觀應(yīng)變分析信息，還可以計(jì)算材料的點(diǎn)陣常數(shù)、殘余應(yīng)力，已知結(jié)構(gòu)的衍射譜，RIR值等。

XRD的原理主要基于布拉格方程，測(cè)試系統(tǒng)主要由X射線光管、樣品臺(tái)、接收器和測(cè)角儀組成，結(jié)構(gòu)非常簡單。但高電壓、精密貴重、測(cè)試過程產(chǎn)生X射線需要采取一定的防輻射措施等特點(diǎn)對(duì)XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生了限制。因此，多數(shù)院校XRD實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，雖然會(huì)通過多媒體方式或參觀介紹X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)和基本原理、樣品的制備，但都側(cè)重于結(jié)果分析。此外，由于課時(shí)限制，通常只要求學(xué)生掌握XRD圖譜的物相分析。此外存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、不能與時(shí)俱進(jìn)、忽視學(xué)生的專業(yè)性和不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的貫通性等問題。產(chǎn)生的不良后果包括：不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；不能較廣范圍的保證學(xué)生獲得動(dòng)手能力、思考能力和解決問題能力的鍛煉；不能滿足學(xué)有余力的學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求等。

2 XRD實(shí)驗(yàn)改革思路及方法

21世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，它不僅是一種技術(shù)或傳播信息的形式，更主要的是對(duì)我們思維方式的變革。而交流合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享，是新時(shí)期學(xué)生培養(yǎng)、促進(jìn)教育教學(xué)改革、推進(jìn)科學(xué)研究的重要途徑。積極探索人才培養(yǎng)模式改革，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，建設(shè)一流師資隊(duì)伍，提升科學(xué)研究水平，著力推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化是一流學(xué)科建設(shè)的建設(shè)目標(biāo)。在一流學(xué)科建設(shè)背景下，以XRD實(shí)驗(yàn)教學(xué)為對(duì)象，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革為目的，我們認(rèn)為可以采取以下措施：

2.1 案例導(dǎo)向的小團(tuán)隊(duì)教學(xué)模式

圖2 小團(tuán)隊(duì)XRD教學(xué)模式流程圖

圖2是小團(tuán)隊(duì)XRD教學(xué)模式的具體實(shí)施流程。根據(jù)我院學(xué)生人數(shù)和課程安排，可將每次課程分成3～4組，每組成員4～6人，每組解決一個(gè)案例，可實(shí)施的案例包括：不同溫度下樣品中馬氏體、奧氏體和鐵素體相對(duì)含量變化；ZrO2陶瓷中的應(yīng)力分析；聚合物轉(zhuǎn)化SiC晶粒生長趨勢(shì)；ITO薄膜的XRD分析等，并結(jié)合創(chuàng)新項(xiàng)目和科研項(xiàng)目對(duì)案例及時(shí)更新。首先，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用網(wǎng)上圖書館資源中英文數(shù)據(jù)庫查找文獻(xiàn)，通過和組內(nèi)同學(xué)和老師的討論，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇合適的儀器測(cè)試模式（廣角、掠角）和參數(shù)（步長、掃描速度等），然后，根據(jù)樣品狀態(tài)，粉末、塊體、薄膜還是微量粉末，選擇合適的制樣方式，檢查制樣是否合格，再對(duì)多個(gè)（≥3個(gè)）樣品進(jìn)行測(cè)試，最后，使用每位同學(xué)Jade、Highscore等軟件獨(dú)立分析XRD圖譜，通過組內(nèi)討論研究變量對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過這一過程，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，完成動(dòng)手能力，思考和解決問題能力的綜合鍛煉，也能在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識(shí)的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.2 利用網(wǎng)絡(luò)資源，增加創(chuàng)新項(xiàng)目，開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑更加多樣化，慕課、百度文庫，微信公眾號(hào)不僅可以多樣的形式傳播知識(shí)，交流學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，還會(huì)提供如XRD等技術(shù)的資料合集，滿足學(xué)有余力的學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。對(duì)于教授實(shí)驗(yàn)課的教師同樣需要利用網(wǎng)絡(luò)資源，把握科技動(dòng)態(tài)，提高專業(yè)技能，讓教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)同時(shí)與時(shí)俱進(jìn)。而觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生通過參加全國大學(xué)生金相技能大賽，全國大學(xué)生微結(jié)構(gòu)攝影大賽，各類校級(jí)、國家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等，通過體驗(yàn)并彼此協(xié)作完成依托于指導(dǎo)老師科研項(xiàng)目的小課題，會(huì)充分激發(fā)其創(chuàng)新潛能，有些學(xué)生在本科階段就可撰寫出高水平的科技論文。因此增加創(chuàng)新項(xiàng)目比例，保證更多的學(xué)生可以參與其中，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要改革方向。同時(shí)，新時(shí)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅應(yīng)該形式多樣化，還應(yīng)不拘泥于固定的課堂時(shí)間，開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過網(wǎng)上預(yù)約，教師輔助等方式，為具有科研潛力的學(xué)生提供便利，使實(shí)驗(yàn)資源得到充分利用。

2.3 固定實(shí)驗(yàn)教師配置，讓專業(yè)實(shí)驗(yàn)崗教師走入課堂

每個(gè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)應(yīng)固定2名左右教師負(fù)責(zé)，減輕課時(shí)壓力，同時(shí)為任課教師提供定期參加專業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，及時(shí)掌握先進(jìn)設(shè)備的發(fā)展動(dòng)態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的連續(xù)性和有效性。此外，應(yīng)每學(xué)年在全校范圍開展一次關(guān)于儀器操作和案例分析的主題報(bào)告周，由學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心專業(yè)實(shí)驗(yàn)崗教師或儀器工程師講授，通過與學(xué)生和其他教師的溝通，提高業(yè)務(wù)能力和創(chuàng)新能力，將信息反饋給設(shè)備開發(fā)商，利用專業(yè)技能開發(fā)新的配件，為更好的科研項(xiàng)目成果的產(chǎn)出提供技術(shù)支持。

3 結(jié)語

筆者在XRD平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深刻體會(huì)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性的重要。新世紀(jì)，是我們的祖國日益富強(qiáng)，科技成果日新月異的時(shí)代，培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)創(chuàng)新人才是大學(xué)教育的方向。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教育的重要環(huán)節(jié)，建設(shè)“雙一流”大學(xué)，必須在落實(shí)基礎(chǔ)教育理念的基礎(chǔ)上，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，完善大學(xué)教育培養(yǎng)模式，為學(xué)生未來專業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。