沈永龍，胡俊華

（鄭州大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.低碳環(huán)保材料智能設(shè)計(jì)國際聯(lián)合研究中心（國家級），河南 鄭州 450001）

引言

科技是第一生產(chǎn)力，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人類對高科技產(chǎn)品的需求越來越大。20世紀(jì)，人們把信息、材料和能源譽(yù)為人類當(dāng)代文明的三大支柱。之后，以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。因此，材料與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人民群眾的生活密切相關(guān)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國高度重視新材料的發(fā)展，國家發(fā)布了一系列政策推動和布局新材料及新技術(shù)，如《中國制造2025》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》等。

為了實(shí)現(xiàn)國家戰(zhàn)略任務(wù)，突破西方國家對新材料及新技術(shù)的封鎖，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵，并對我國未來的發(fā)展起著決定性作用。高校作為人才培養(yǎng)的主要基地，大學(xué)生是高校人才培養(yǎng)的核心之一。大學(xué)在國家和社會轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮著不可替代的作用，是社會文化的重要平臺和陣地。全球化把大學(xué)推到社會變革的前沿，大學(xué)成為社會的一面旗幟，大學(xué)的形象如何、構(gòu)建什么樣的大學(xué)成為大學(xué)發(fā)展中的重要課題，這直接關(guān)系到大學(xué)培養(yǎng)什么樣的人和為誰培養(yǎng)人的根本問題，關(guān)系著科教興國戰(zhàn)略的實(shí)施，關(guān)系著社會主義教育事業(yè)的成敗，關(guān)系著國家民族的繁榮發(fā)展。2017年1月，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實(shí)施辦法（暫行）》，進(jìn)一步明確：以一流為目標(biāo)、以學(xué)科為基礎(chǔ)、以績效為杠桿、以改革為動力，推動一批高水平大學(xué)和學(xué)科進(jìn)入世界一流行列或前列。到本世紀(jì)中葉，一流大學(xué)和一流學(xué)科的數(shù)量和實(shí)力進(jìn)入世界前列，基本建成高等教育強(qiáng)國［1］。這是在新的歷史時期，為提升我國高等教育發(fā)展水平做出的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策。在“雙一流”大學(xué)建設(shè)的實(shí)施辦法中要求高校：一是健全科研組織和科研機(jī)制，推動協(xié)同創(chuàng)新產(chǎn)生顯著成效。解決國民經(jīng)濟(jì)中的重大關(guān)鍵性技術(shù)和工程應(yīng)用問題，實(shí)現(xiàn)重大的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。二是加強(qiáng)社會服務(wù)，增強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，推動科研成果轉(zhuǎn)化，為國家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)。三是在大學(xué)人才培養(yǎng)方面，堅(jiān)持立德樹人，培育和踐行社會主義核心價值觀，在拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、協(xié)同育人機(jī)制、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等方面成效顯著，同時人才培養(yǎng)質(zhì)量得到社會的高度認(rèn)可。如此，高校才能在“雙一流”大學(xué)建設(shè)中發(fā)揮其在創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科研成果轉(zhuǎn)化和科技創(chuàng)新等方面的作用，進(jìn)一步提升高?？萍紕?chuàng)新和科技服務(wù)水平，最終實(shí)現(xiàn)“雙一流”大學(xué)的建設(shè)目標(biāo)。

材料科學(xué)既是基礎(chǔ)學(xué)科，又是新技術(shù)革命的先導(dǎo)。材料科學(xué)的特點(diǎn)是活躍、交叉和發(fā)展迅速。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品和新工藝對新材料的要求越來越多，也促進(jìn)了當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，材料學(xué)科及其教育的重要性已被大家所認(rèn)知，大部分高校都開設(shè)了材料科學(xué)與工程專業(yè)。因此，在本科階段和研究生階段，學(xué)生需要有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論知識水平和掌握扎實(shí)的專業(yè)基本技能，這樣才能在將來更加深入地學(xué)習(xí)和勝任專業(yè)領(lǐng)域的工作。

一、課程內(nèi)涵

傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程專業(yè)包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料和材料加工成型等。由于這些具體的專業(yè)具有共同或相似的學(xué)科基礎(chǔ)、科學(xué)內(nèi)涵、研究方法與研究設(shè)備，同時，為了實(shí)現(xiàn)“厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、高素質(zhì)、強(qiáng)能力、具有創(chuàng)新精神”的培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)“大材料”學(xué)科共同的知識體系，在開設(shè)材料科學(xué)與工程專業(yè)的高校中，“材料近代研究方法”是重要的基礎(chǔ)課程之一，是材料專業(yè)的“眼睛”，是學(xué)生認(rèn)識和了解各種材料的窗口，也是材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，學(xué)好并掌握這門課程對材料專業(yè)人才培養(yǎng)起到了至關(guān)重要的作用。這門課程主要講授X射線衍射（XRD，分析材料晶體結(jié)構(gòu)）、掃描電子顯微鏡（SEM，分析材料表面形貌）、傳統(tǒng)透射電子顯微鏡（TEM，分析材料晶體結(jié)構(gòu)和電子衍射分析）、熱分析（DSC-TG，分析加熱過程中材料中的物理和化學(xué)過程）、X射線光電子譜（XPS，分析分子、原子結(jié)構(gòu)，化學(xué)態(tài)和價帶等）、紅外光譜（IR，分析有機(jī)物官能團(tuán)）和能譜（EDS，用于分析重元素的元素鑒別和定量計(jì)算）。這些測試表征技術(shù)均屬于傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)表征，可用于對常規(guī)材料（合金、金屬、無機(jī)物和高分子）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的新材料被發(fā)現(xiàn)，如新型納米材料、石墨烯、量子點(diǎn)和有機(jī)/無機(jī)鈣鈦礦材料等，并在能源與環(huán)境器件中得到了廣泛應(yīng)用，常規(guī)表征技術(shù)無法滿足新材料的結(jié)構(gòu)表征要求，因此高分辨率的電子顯微表征技術(shù)［2］，如球差電子顯微分析系統(tǒng)（TEM-Cs）［3］、冷凍電鏡系統(tǒng)［4］（Cryo TEM）、聚焦離子束（FIBs）透射電鏡制樣系統(tǒng)、電子能量損失譜［5］（EELS）、原子力-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)（TERs）［6］和X射線/紫外光電子譜（XPS/UPS）等進(jìn)入科研人員的日常研究中。這些先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征設(shè)備，使我們可以“看到”原子、分子結(jié)構(gòu)，為研究材料顯微結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的聯(lián)系提供了方法，有助于解決材料在實(shí)際使用過程中存在的問題。因此，“材料分析表征技術(shù)”是材料專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生將來在研究生階段學(xué)習(xí)和工作的基礎(chǔ)。同時，學(xué)生能掌握國內(nèi)外研究動態(tài)，能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行更加深入的表征和理解，開闊視野，并提升知識水平。

二、教學(xué)中存在的問題

（一）課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)銜接不暢

如前所述，課程主要講授X射線衍射、電子顯微分析、光譜和熱分析，尤其是電子顯微分析中的透射電子顯微分析技術(shù)。其在材料學(xué)、物理、化學(xué)和生命科學(xué)等研究中具有重要作用，但是透射電子顯微技術(shù)的相關(guān)設(shè)備價格昂貴，維護(hù)成本高，且操作復(fù)雜，因此學(xué)生無法實(shí)際操作。同時，這些設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)期間對所放置的實(shí)驗(yàn)室空間的溫度、濕度、機(jī)械振動和環(huán)境磁場強(qiáng)度都有嚴(yán)格的要求，因此學(xué)生無法進(jìn)行現(xiàn)場觀摩，導(dǎo)致學(xué)生無法理解課堂所講，無法深入理解設(shè)備的工作原理。此外，基于針尖增強(qiáng)的顯微拉曼分析技術(shù)，可以用于分析單分子的拉曼光譜，雖然設(shè)備工作環(huán)境要求遠(yuǎn)低于球差透射電鏡，但是由于測試過程中需要用到大量的貴金屬金和銀探針作為測試耗材，因此無法通過學(xué)生直接操作來理解其基本原理和測試過程。

（二）教學(xué)方法較為單一

一般通過PPT或者板書講解課堂的重點(diǎn)內(nèi)容，并通過示例講解實(shí)際測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析。在此情況下，如果學(xué)生無法對測試的基本原理有深入的理解，則無法真正理解示例分析，也不能靈活應(yīng)用到實(shí)際分析測試中。比如在透射電子顯微分析中，一般情況下介紹的圖像主要有中心明場像、中心/環(huán)形暗場像、衍射襯度像、高分辨透射電子像和高角環(huán)形暗場像等。如果在課堂上只向?qū)W生介紹某個圖片是哪一種圖像，而不講為什么會形成這種圖像，以及形成圖像的基本原理，那么學(xué)生無法真正理解圖像中所包含的有用信息。因此，亟須對課程進(jìn)行教學(xué)改革和創(chuàng)新。目前，多媒體仿真動畫技術(shù)是解決該問題的方法之一，其在“材料表征技術(shù)”的課堂授課中受到越來越多的關(guān)注。多媒體仿真技術(shù)是將理論與實(shí)踐相結(jié)合的新型教學(xué)方式，其將復(fù)雜枯燥的理論轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暤亩嗝襟w內(nèi)容，能夠讓學(xué)生直接“看到”電子（光子）與物質(zhì)的相互作用過程，以及建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理模型基礎(chǔ)上的圖像和譜的產(chǎn)生過程，揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的本質(zhì)，建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的直接聯(lián)系。因此，采用多媒體動畫仿真教學(xué)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可視化，直觀且便于理解；（2）低成本；（3）可用于大規(guī)模教學(xué)課堂實(shí)踐；（4）適用于不同學(xué)習(xí)階段的本科教學(xué)和研究生教學(xué)等。

三、教學(xué)示例

示例1：透射電子顯微系統(tǒng)的光路。傳統(tǒng)的透射電子顯微系統(tǒng)中只有平行束操作模式，因此其光路僅有一種，即電子束從電子源射出后，經(jīng)過照明系統(tǒng)到達(dá)樣品上方，在與樣品相互作用后，彈性散射電子束與透射束經(jīng)過成像系統(tǒng)到達(dá)觀察屏。隨著技術(shù)的發(fā)展，會聚束操作模式的出現(xiàn)，使得我們可以利用非彈性散射電子進(jìn)行成像和能譜分析，因此了解其光路對于理解非彈性電子產(chǎn)生的圖像非常重要。在會聚束模式中，經(jīng)過照明系統(tǒng)的入射電子束被第二聚光鏡會聚成會聚束，其束斑尺寸通常為幾納米，類似于電子探針，電子束將以探針形式掃描樣品表面，產(chǎn)生的散射電子將直接被環(huán)形探測器檢測。

樣品中的重元素所產(chǎn)生的非彈性散射電子散射角通常比較大，因此會被高角環(huán)形暗場探測器檢測到，形成高角環(huán)形暗場像（HAADF圖像），同時，樣品中的輕元素由于其產(chǎn)生的非彈性散射電子散射角很小，因此會被環(huán)形暗場探測器檢測到，形成環(huán)形暗場像（ADF圖像）。透射電子束直接穿過環(huán)形探測器，不被接收，因此在會聚束模式下一般都能獲得暗場像，且信號來源于入射電子束與樣品相互作用所產(chǎn)生的非彈性散射電子。這與傳統(tǒng)的平行束模式下的彈性散射電子信號圖像有本質(zhì)區(qū)別。正是由于在會聚束模式下會聚電子束動態(tài)掃描樣品表面，我們才可以進(jìn)行透射電子顯微系統(tǒng)下的能譜分析。

隨著日本電子制造的Ω磁透鏡系統(tǒng)和Gatan制造的GIF（Gatan Imaging Filter）系統(tǒng)，我們可以研究分析入射電子束與樣品發(fā)生相互作用后的能量損失，即電子能量損失譜（EELS）。通過Gatan的GIF系統(tǒng)安裝在透射電鏡的觀察屏下方，因此其光路通過GIF之前的光路與透射電鏡系統(tǒng)一致，之后將在GIF系統(tǒng)中通過能量狹縫而被探測器探測到，形成電子能量損失譜。日本電子的Ω磁透鏡系統(tǒng)通常安裝在透射電子顯微系統(tǒng)中的物鏡下方，具有不同能量的電子通過該磁透鏡系統(tǒng)后會通過能量狹縫而獲得電子能量損失譜。因此，其光路代替了原有透射電鏡物鏡下方的光路。因此，如能將以上信息通過多媒體動畫展示，將會取得更好的教學(xué)效果。

示例2：拉曼光譜為弱信號，其信號強(qiáng)度通常僅為入射光強(qiáng)度的10-5～10-12。因此，如果所需要測試的樣品信號極弱，我們將無法獲得有效的拉曼光譜，比如單層石墨烯的拉曼光譜。如何提高拉曼光譜強(qiáng)度是做好表征工作的重要內(nèi)容之一。針尖增強(qiáng)顯微拉曼系統(tǒng)（TERs）利用金屬銀針的拉曼共振增強(qiáng)效應(yīng)，可以顯著增強(qiáng)拉曼信號，從而獲得單層石墨烯的拉曼光譜。因此，通過多媒體動畫展示針尖強(qiáng)化機(jī)理及過程，將有利于學(xué)生理解增強(qiáng)拉曼光譜的產(chǎn)生。

結(jié)語

以多媒體仿真動畫模擬XRD、電子顯微分析（SEM、TEM、EELS）、拉曼（TERs）和XPS的基本原理，以及設(shè)備操作和圖像/譜的分析，并通過相應(yīng)的多媒體演示動畫形式展現(xiàn)出來，結(jié)合課堂知識點(diǎn)講解，使學(xué)生直觀地感知、認(rèn)識并理解基礎(chǔ)概念，掌握基本原理，認(rèn)識不同結(jié)構(gòu)表征技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)和相互聯(lián)系，能夠準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)。