《现代材料分析方法》教学改革探索

王丁　祝元坤　詹科　王现英

摘要：《现代材料分析方法》是针对上海理工大学材料科学与工程学院三年级本科生所开设的一门重要的专业必修课。课程包括显微分析、结构分析、成分分析和性能分析四大模块，共涉及12种重要的表征仪器。针对此课程覆盖面广、知识点分散及实验设备受限等问题，分别采用a思维导图、虚拟教学平台、案例教学等多种教学辅助方法提高学生的学习兴趣，增强对仪器的动手操作能力。采用个性化的考核方式，客观评价学生对知识的掌握程度。相关探索有助于激发学生对《现代材料分析方法》的学习兴趣并对其他类似课程的教学实践予以启发。

关键词：现代材料分析方法；虚拟操作平台；教学改革；案例教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0119-02

据《中国新材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析，世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长，化工新材料、微电子、光电子、新能源成了研究最活跃、发展最快的新材料领域。随着材料科学的发展，新材料逐渐趋于纳米化、智能化、复合化，对其结构和性能的研究越来越依赖于先进的测试分析技术。为了培养新时代创新型材料学科专业人才，上海理工大学材料学院开设了《现代材料分析方法》专业必修课[1]，使学生了解材料结构与性能的表征方法和相关测试仪器的结构原理，掌握现代仪器分析方法涉及的制样技术，以及图谱解析方法和它们在材料研究领域中的具体应用。《现代材料分析方法》课程的综合性和实践性强，知识领域广，内容抽象，不易理解与掌握。很多学生对其不感兴趣或听不懂，导致该课程的教学效果普遍不理想。针对课程特点，通过改进教学方法和教学思路，培养学生的学习兴趣，进而提高教学质量。从思维导图、虚拟操作平台和案例教学三方面入手，辅助个性化设计的考核方式使学生较好地掌握仪器使用方法，经过多年的探索，获得了较好的教学效果。

一、思维导图的应用

现代材料分析方法种类繁多、知识面广、内容概念复杂，异于理论性和连贯性较强的基础学科。因此，需要针对理科学生思维的特点，从不同表征方法的内在联系入手，借助思维导图这一有利工具，把各种分析方法进行联系，从根本上理解不同分析表征方法的特点和优势并做到有效区分和选择。例如，从电子与材料的相互作用出发，通过思维导图可以把电子和材料相互作用产生的各种情况逐一列出。如图1，SEM主要是利用电子和材料相互作用产生的二次电子和背散射电子。由于产生的原理不同所以导致其两种模式所获得的差异结果。TEM主要是利用其薄膜样品透过电子及散射电子在荧光屏上成像，通过调整物镜光阑控制通过的光束从而获得明场、暗场和高分辨模式。俄歇电子能谱主要是检测发射的俄歇电子，XPS和EDX分别是检测X射线为能量源激发出的光电子和以电子束为激发源激发出X射线。通过简单的思维导图就可以很容易的发现他们之间的不同和联系。基于以上分析我们可以看出，思维导图在现代材料分析方法中的应用可以有效贯穿各自孤立的表征方法并能够有效的区分其不同点和适用范围。

二、虚拟操作平台的应用

《现代材料分析方法》是实践性很强的课程。然而，由于教学资源的局限性及表征仪器的复杂性，很难保证每个学生都有上机操作的机会，从而导致学生在认知上基本停留在理论概念阶段。网络的发展极大地提高了我们信息获取的可能性。通过引入网络提供或自己设计的表征仪器虚拟操作平台，使学生更加深入、形象地学习仪器操作方法并通过类比实验教学达到掌握仪器操作的目的。以《现代材料分析方法》课程扫描电子显微镜（SEM）授课为例，重点是让学生理解SEM樣品测试的原理、结构及应用。首先根据教学大纲安排相关教学内容，在介绍完基本原理后，调用澳大利亚显微镜和显微分析研究中心开放性主页所提供的应用与教学使用目的的虚拟操作平台[2]。此操作平台包括显微分析及结构分析所有仪器虚拟操作。通过现场演示操作此虚拟平台加深学生的印象。采用背散射电子和二次电子两种成像方式分别模拟表征同一样品使学生了解两种成像方式获得图像的差异性。此外，还可以使用其他开放性网络资源或相关仪器公司培训时提供的3D动画演示软件，使学生有直观感受，对所学知识印象更加深刻。若能使学生在实验教学环节前预操作一遍相关虚拟软件，通过和实验教学环节类比或对比相关实验则会有更加深入的了解。

三、案例教学的应用

案例教学法由美国哈佛法学院前院长C.C.Langdel于1870年提出。案例教学法是借案例作为教学材料，结合教学主题，通过讨论、问答等师生互动的教学过程，让学习者了解与教学主题相关的概念或理论并培养学习者高层次能力的教学方法[3]。作为科研第一线的教师，针对相关仪器的教学，应紧密结合自己在科研中的使用经验有效设置若干问题，通过问题的讨论和解答使学生理解科研的方法和思路。以碳纳米管对内部填充的金属纳米颗粒催化性能的限域效应研究为例[4]。先采用不同浓度的硝酸，加热处理分别获得两端开口或闭口的碳纳米管。然后在惰性气氛下热处理，选择性去除表面官能团获得不同规格的碳纳米管。通过特定方法制备碳纳米管内部填充金属纳米颗粒的催化剂并研究其催化性能。因此，涉及到一系列的测试表征方法的选择。首先，如何表征碳纳米管的端部是开口还是闭口？学生经引导会提出使用TEM表征手段。接着，提问同学从TEM表征中还可以得到哪些信息？这里可以让学生把自己认为可以获得的信息列出来。针对列出的结果继续问学生哪些正确哪些错误，错误的那些要通过哪些其他的表征方法获得。碳纳米管表面官能团的表征方法又有哪些？这些方法的优缺点分别是什么？碳纳米的处理是为了让金属纳米颗粒有效填充，如何知道纳米颗粒是否填充了进去？颗粒的粒径用什么仪器观察？如何确定填充度？通过一系列的问题提出，讨论解答使学生了解课题研究的思路。最后，给学生分享相关论文，让学生深刻体会一项课题从构思到实施再到分析总结的过程。相关案例的介绍使学生更加深入的认识到材料分析方法是了解未知世界的工具。

四、个性化考核方式

科学的考核方法是客观评价学生知识掌握能力的重要环节，对保证教学质量和人才培养目标的实现起着重要作用[5]。目前针对此课程形成了以能力测试为主的考核方式，主要考察本科生对分析测试仪器使用及数据处理的掌握程度。针对本课程的特点，考核分为两个方面。（1）理论课考试是统一试题，考核学生对相关重要知识的掌握情况。（2）实验课考试，基于上海理工大学实行的是导师制并且几乎所有学生都有参与材料相关创新实验的经历这一特点。根据学生的研究方向适当分为若干小组，选用每个方向最重要的表征仪器，如对碳材料团队的学生选用Raman广谱仪判断不同碳材料的缺陷及对性能进行预测；对微纳材料团队的学生选择XRD让学生研究材料组成和晶体结构等。相关考核注意考查学生理论联系实际的能力及思维过程，没有明显对错，只有合理与不合理的区别，充分体现答案的多样性，鼓励不同见解。灵活多样的考核方式有助于调动学生的学习积极性，培养学生的自主学习能力和创新能力，达到提高教学质量的目的。

五、结语

教学改革的根本任务是让学生从被动接受知识转化为主动学习知识，让学习变得更加快乐。以上所提到的教学改革方法必须考虑课程的教学重点和教学目的，有机地融入日常教学中，让丰富的教学手段最大限度的激发学生的学习兴趣，启发学生科学创新思维。在教学团队教师的共同努力下，经过几年的实施和调整，明确相关教学改革思想的实施极大地提高了学生上课的积极性与主动性，开拓了学生的思维能力及实际动手能力。学生能够主动利用相关仪器进行科学研究工作，培养的毕业生具有研究能力和实践动手能力强、进入工作状态快的特点，并得到了知名大学和用人单位的认可。

参考文献：

[1]朱钰方，朱敏，何星.研究生“生物材料学”课程教学改革初探[J].上海理工大学学报，2014，（36）.

[2]http：//www.ammrf.org.au/myscope/

[3]罗玉梅，王斌，王平.案例教学法在《材料分析方法》课程中的应用与思考[J].教育教学论坛，2012，（22）.

[4]Ding Wang，Guohui Yang，Qingxiang Ma，Mingbo Wu，Yisheng Tan，Yoshiharu Yoneyama，Noritatsu Tsubaki.Confinement Effect of Carbon Nanotubes：Copper Nanoparticles Filled Carbon Nanotubes for Hydrogenation of Methyl Acetate，ACS Catalysis，2012，（2）：1958-1966.

[5]褚海亮.《材料分析方法》教學的改革与探讨[J].高校讲坛，2012，（17）：124.