基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的《材料分析測試技術(shù)》教學(xué)研究探索

基于工程應(yīng)用才能培養(yǎng)的?材料分析測試技術(shù)?教學(xué)研究探究〔〕:

摘要：?材料分析測試技術(shù)?在材料類專業(yè)課程體系中具有重要地位。針對課程課時(shí)數(shù)少，理論深度高的問題，論文提出采用匯總知識要點(diǎn)，本科生導(dǎo)師制，采用科研或工業(yè)案例進(jìn)展教學(xué)的教學(xué)理念。通過案例引入、技術(shù)原理、儀器介紹、測試結(jié)果分析、提綱匯總等教學(xué)步驟，將知識點(diǎn)的理論體系穿插導(dǎo)入課堂教學(xué)中，這將更有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)研究興趣，進(jìn)步他們申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方案工程的熱情，是?材料分析測試技術(shù)?課程教學(xué)的一種有效手段。

關(guān)鍵詞：材料分析測試技術(shù)；導(dǎo)師制；科研案例；教學(xué)理念

本文引用格式：李華英，等.基于工程應(yīng)用才能培養(yǎng)的?材料分析測試技術(shù)?教學(xué)研究探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(27):113-116.

一研究背景

材料分析測試技術(shù)是將材料的物相構(gòu)造、成分特征、組織形貌和微觀構(gòu)造等與宏觀物化性能聯(lián)絡(luò)的主要技術(shù)手段[1-5]，而隨著材料科學(xué)的開展，各種納米化、復(fù)合化等新材料不斷涌現(xiàn)，先進(jìn)材料分析測試技術(shù)已成為材料科學(xué)開展關(guān)鍵因素【2】。?材料分析測試技術(shù)?是高等院校材料類專業(yè)的一門應(yīng)用型與技術(shù)性很強(qiáng)的課程，主要是為讓學(xué)生掌握各類材料測試方法、分析方法、原理、儀器構(gòu)造等，該課程為多學(xué)科知識的交融，內(nèi)容豐富、適用性強(qiáng)。該課程具有知識點(diǎn)分散、概念抽象等特點(diǎn)[1,2]。一般院校學(xué)生的知識根底和理解才能相對薄弱，對抽象概念和理論性強(qiáng)的知識承受相對緩慢，加之一般院校實(shí)驗(yàn)條件差，與課程相應(yīng)的材料分析測試儀器設(shè)備少，易造成局部學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低、學(xué)習(xí)效果差的問題，難以將課堂理論學(xué)習(xí)與工業(yè)理論相結(jié)合的教學(xué)效果問題。

諸多研究者針對該問題對該課程從多角度進(jìn)展了教學(xué)研究。馬紅萍【1】給出了采用"大班上課小班研討";與網(wǎng)絡(luò)平臺討論與答疑相輔助、課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相促進(jìn)、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化建立綜合提升的教學(xué)改革與課程建立建議。王現(xiàn)英【2】提出模塊化、場景化和虛擬儀器教學(xué)軟件與多媒體動(dòng)畫輔助等教學(xué)手段。曲明貴等【3】提出借鑒其他院校經(jīng)歷與結(jié)合自身優(yōu)勢通過建立精品課程來提升課程教學(xué)效果的宏觀理念。高俊珊等【4】針對課程內(nèi)容龐雜、課時(shí)少等問題，提出在教學(xué)中應(yīng)突出重點(diǎn)、多元化方法、注重信息反響等觀點(diǎn)。江鴻杰等【5】根據(jù)金屬材料專業(yè)的特點(diǎn)從教學(xué)方法、內(nèi)容和考核手段等方面對課程進(jìn)展了改革。呂春菊等【6】指出親密關(guān)注材料測試技術(shù)開展前沿，不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容并將課程教學(xué)中理論性較強(qiáng)的內(nèi)容通過分析實(shí)例進(jìn)展說明，在教學(xué)中還應(yīng)該將真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合提升學(xué)生對知識的認(rèn)知度。房彩虹【7】指出授課教師在本職工作上應(yīng)做到"有識、有心、有術(shù)";，擅長利用適宜本課程的教育教學(xué)手段，采用多媒體教育與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式進(jìn)步教學(xué)質(zhì)量。廉冀瓊等[8]在教學(xué)內(nèi)容上補(bǔ)充了分析軟件，方法上引入動(dòng)畫演示，理論上進(jìn)展開放實(shí)驗(yàn)，考核上綜合了理論與理論才能等因素，并獲得了良好的教學(xué)效果。秦國強(qiáng)等[9]針對學(xué)生課程知識應(yīng)用于理論的才能偏低問題，提出突出專業(yè)特色、改革考核方式，專業(yè)導(dǎo)師制等教改方案。胡艷華等[10]將教師科研案例引入課程授課中建立一種與科研相結(jié)合的課堂教學(xué)形式。劉小娟等[11]針對多數(shù)教材側(cè)重介紹儀器構(gòu)造和工作原理而應(yīng)用實(shí)例偏少的特征，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的特點(diǎn)，提出在課堂講授應(yīng)形象生動(dòng)便于學(xué)生承受理解。綜上文獻(xiàn)可知，諸多學(xué)者針對?材料分析測試技術(shù)?的課程改革主要包括講授內(nèi)容、知識構(gòu)架、教學(xué)教法、考核體系、理論教學(xué)等方面進(jìn)展探究，而針對詳細(xì)某一知識點(diǎn)或某一課堂的教學(xué)理論相對研究較少。

本文在總結(jié)?材料分析測試技術(shù)?知識體系構(gòu)架的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)在專業(yè)學(xué)習(xí)時(shí)實(shí)行本科導(dǎo)師制，讓本科生接觸科研案例或工業(yè)理論，進(jìn)而采用案例化的教學(xué)理念設(shè)計(jì)，將X射線衍射〔XRD〕材料分析測試技術(shù)作為一個(gè)知識點(diǎn)，對該知識點(diǎn)的課堂教學(xué)進(jìn)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在理輪與理論交融中學(xué)習(xí)相關(guān)知識，到達(dá)理解理論并能理論應(yīng)用的目的。

二?材料分析測試技術(shù)?的知識構(gòu)架體系

王現(xiàn)英和廉冀瓊等[2,8]將?材料分析測試技術(shù)?的知識體系歸納為四個(gè)方面：〔1〕顯微組織形貌分析，主要包括光學(xué)顯微鏡〔OM〕、掃描電鏡〔SEM〕、投射電鏡〔TEM〕和原子力顯微鏡〔AFM〕等；〔2〕晶體構(gòu)造分析，主要包括X射線衍射儀〔XRD〕、電子衍射〔AED〕、拉曼光譜〔RamanSpectra〕和紅外光譜〔InfraredSpectra〕等；〔3〕物化性能分析，主要包括光、電、熱、磁、力等材料學(xué)性能分析；〔4〕元素成分分析，主要包括X射線能譜分析〔XPS〕、能譜〔EDS〕、原子熒光光譜〔AFS〕、俄歇電子能譜〔AES〕、波譜儀〔WaveSpectra〕等。根據(jù)以上四個(gè)方面的知識構(gòu)架體系，改變傳統(tǒng)章節(jié)式的教學(xué)方式【2】，在教學(xué)講授過程中可以使學(xué)生容易地承受相關(guān)知識內(nèi)容，理論中根據(jù)需要較為便捷地選擇需要測試的手段與防范。而以上四個(gè)方面的知識體系，為較為籠統(tǒng)的大致分類，詳細(xì)到某一個(gè)局部又可根據(jù)不同的分類方式進(jìn)展細(xì)化，例如材料顯微組織分析中，可根據(jù)各種測試手段分辨率上下的特性[12]，將各種微觀形貌觀察技術(shù)按照分析尺度進(jìn)展劃分，如圖1所示。根據(jù)需要測試顯微的類別，在圖中可方便地選擇需要使用的測試方法或分析儀器。

因此，?材料分析測試技術(shù)?四個(gè)方面的知識體系，均可以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，儀器分辨率、測試精度等，對其進(jìn)展詳細(xì)的劃分與解讀，在教學(xué)講授過程中讓學(xué)生直觀的理解知識體系及其相關(guān)技術(shù)的選用準(zhǔn)那么。

三專業(yè)導(dǎo)師制引入本科教學(xué)

有學(xué)者[10]提出教學(xué)過程中將教師科研案例引入課程授課中，建立一種與科研相結(jié)合的課堂教學(xué)形式。而在實(shí)際教學(xué)過程中存在一定的難度，重點(diǎn)在于學(xué)生普遍不理解教師的科研內(nèi)容，對科研工程或研究內(nèi)容要求等不清楚。同時(shí)學(xué)生對相關(guān)工業(yè)消費(fèi)理論中的材料測試分析標(biāo)準(zhǔn)要求也不掌握，因此工業(yè)實(shí)例及引入科研案例等起到的效果有時(shí)也并不理想。針對該問題，秦國強(qiáng)等[9]針對學(xué)生課程知識應(yīng)用于理論的才能偏低問題，提出專業(yè)導(dǎo)師制的改革方案。在學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)階段，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣和各個(gè)院系專業(yè)教師的學(xué)術(shù)科研情況選擇自己的專業(yè)導(dǎo)師，一方面可以使學(xué)生接觸教師本專業(yè)科研案例，有利于相關(guān)課程的學(xué)習(xí)與把控，將學(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用于科研或工業(yè)理論，另一方面可以讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)或研究生升學(xué)時(shí)延續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)時(shí)接觸到的科研課題。通過專業(yè)導(dǎo)師制的引入，可使學(xué)生理解導(dǎo)師科研工程或研究內(nèi)容要求，對相關(guān)工業(yè)消費(fèi)理論中的材料測試分析標(biāo)準(zhǔn)要求也能得到掌握。通過導(dǎo)師制，在?材料分析測試技術(shù)?教學(xué)中可使學(xué)生對相關(guān)知識內(nèi)容的掌握及工業(yè)應(yīng)用才能的培養(yǎng)方面得到很大的提升。

四以X射線衍射為例的案例化的穿插教學(xué)設(shè)計(jì)理念

激光熔覆技術(shù)是一種新型的工件外表改性與修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)可使熔覆材料熔于基體外表與之實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的具有良好綜合力學(xué)特性的復(fù)合涂層，進(jìn)而提升基體材料的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱和抗氧化性等，因此該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。激光熔覆過程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的理化變化，進(jìn)而產(chǎn)生亞穩(wěn)定的過飽和固溶體和復(fù)雜增強(qiáng)相，導(dǎo)致熔覆層物相組成非常復(fù)雜，因此利用XRD對激光熔覆的物相分析作為典型案例進(jìn)展講解具有一定的代表性。熔覆材料為在Ti、Al、B4C，稀土氧化物Y2O3，熔覆材料置于鈦合金Ti6Al4V外表，制備預(yù)涂覆層[13]。

首先，引入原子為有序排布的晶體的概念。而激光熔覆層將產(chǎn)生固溶體和增強(qiáng)相，加之基體金屬均為晶體。1895年德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；1912年德國科學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象；1912年英國科學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測定了NaCl晶體的構(gòu)造，創(chuàng)始了X射線晶體構(gòu)造分析的歷史。

其次，通過相關(guān)影像或?qū)嶒?yàn)設(shè)備講述XRD測試材料相關(guān)特性的原理和儀器。通過相關(guān)原理的介紹，可知XDR可以研究分析材料的元素成分、晶體構(gòu)造、剩余應(yīng)力和組織含量等。

再次，通過實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)展XRD測試，測試所得數(shù)據(jù)用Jade軟件進(jìn)展相關(guān)物相分析。多數(shù)教材中介紹的峰位標(biāo)定過程是針對單相，且無擇優(yōu)取向，無剩余應(yīng)力。而實(shí)際標(biāo)定中多數(shù)材料為多晶體材料，存在擇優(yōu)取向和剩余應(yīng)力。因此要標(biāo)定材料的衍射圖譜，首先應(yīng)根據(jù)材料組分確定可能的物相；其次查閱物相對應(yīng)的JCPDF卡片[13]，對照卡片數(shù)據(jù)標(biāo)定物相，如圖3所示。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，采用單一的JCPDF卡片對照進(jìn)展物相標(biāo)定已經(jīng)較為少見，如今多用Jade軟件對衍射圖譜的物相進(jìn)展標(biāo)定，因此應(yīng)向?qū)W生講述Jade軟件的使用方法。

按照以上介紹的分析流程，根據(jù)XRD測試材料相關(guān)特性的原理，分別計(jì)算該衍射圖譜所能計(jì)算得到晶體構(gòu)造、剩余應(yīng)力和物相組織含量。

最后，對XRD衍射圖譜的特征進(jìn)展總結(jié)。分別從衍射峰的位置、強(qiáng)度、峰寬、峰形和背底等方面對課堂內(nèi)容進(jìn)展總結(jié)，如圖3所示，讓學(xué)生對課堂所學(xué)知識有整體的理解，為以后的科研或工程應(yīng)用提供參考。

五完畢語

?材料分析測試技術(shù)?的知識體系歸納為顯微組織形貌分析、晶體構(gòu)造分析、物化性能分析、元素成分分析四個(gè)方面。學(xué)生普遍不理解教師的科研內(nèi)容，存在對科研工程或工業(yè)消費(fèi)理論等不清楚的問題，導(dǎo)致工業(yè)或科研的案例分析所起到的教學(xué)效果有時(shí)也并不理想，而通過專業(yè)導(dǎo)師制的引入，可將學(xué)生帶入到導(dǎo)師的科研工程中，進(jìn)而對相關(guān)工業(yè)消費(fèi)理論中的材料測試分析標(biāo)準(zhǔn)要求得以掌握。

在課堂教學(xué)過程中，應(yīng)以科研或工業(yè)案例為先導(dǎo)，通過案例分析引入相關(guān)測試技術(shù)，進(jìn)而介紹測試原理及儀器設(shè)備。而后根據(jù)引入案例的技術(shù)應(yīng)用，對測試結(jié)果進(jìn)展分析研究，根據(jù)測試原理對案例進(jìn)展分析解讀，最后對知識點(diǎn)進(jìn)展總結(jié)。通過導(dǎo)師制和科研工業(yè)案例分析的教學(xué)分析教學(xué)理念，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)理論的同時(shí)，參與導(dǎo)師的科研課題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)研究興趣，進(jìn)步他們申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方案工程的熱情，應(yīng)該是?材料分析測試技術(shù)?課程教學(xué)的一種有效手段。

參考文獻(xiàn)

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