材料物理专业开设综合实验的尝试

李延波

摘 要 材料物理方向的学习内容十分广泛，对理论知识和动手能力都要求较高。目前的以验证性实验为主的实验方式存在许多不足之处，本文以“固相法制备无铅压电陶瓷综合实验”为例，介绍了我校对材物专业开展综合实验进行的尝试，并对实施过程中发现的问题进行了分析总结。

关键词 实验教学 综合实验 材料物理

Abstract Material physics direction of learning content is very extensive， both theoretical knowledge and practical ability requirements are higher. The way to test the current has many deficiencies， the lead-free piezoelectric ceramics prepared by solid phase synthesis experiment as an example， introduces the attempt to carry out a comprehensive professional proofreading material experiments， and to find problems in the implementation process are analyzed and summarized.

Keywords experimental teaching； comprehensive experiment； material physics

0 引言

材料物理专业的主要研究方向有固体物理、陶瓷功能材料、磁性材料、形状记忆合金材料以及有机发光材料、高储能密度介电材料、热电材料以及环境功能材料等新型功能材料等。该专业的课程内容包括材料学基础知识、材料合成制备、材料及器件的性能检测等。包含的内容非常广泛，其综合性及实践性非常高。而实验教学环节是专业教学中的重要組成部分，它不仅仅可以使学生可以理论联系实际，更好地掌握理论知识，还能培养学生的动手能力、科研能力等。实验教学的延伸，是培养大学生实践能力、自主能力的重要手段，是培养创新性人才的有效途径。根据教育部《2003-2007教育振兴行动计划》，推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，促进优质资源整合和共享，提升办学水平和教育质量的精神，实验的作用和地位日益显现。如何开设合适的实验项目，使学生可以通过实验把学过的理论与实践联系起来并且把各种知识串连起来是一个重要的课题。可以说只有把学习到的理论知识能用到实验上来，才算真正掌握了这些知识。实践是认知的基础。[1，2]对于材料学科来说，科学的方法和科学的思维方式需要在实际操作中才能得到，否则课本上的知识只能永远在课本上。

1 目前存在的主要问题

材料物理专业主要课程包括“晶体学”“材料物理”“材料现代分析测试技术”“材料合成制备技术”等。这些课程从原料的合成制备，到材料的结构表征以及最后的性能测试，内容是材料、器件合成制备的不同过程，但其理论课程内容相互关系较小。作为各个独立的课程，如不能从整体上思考，会直接影响教学的效果，比如，材料的合成制备过程，会影响材料的结构，而材料的结构又会影响其性能及使用，从单个的课程中难以看到这些相互影响。以往的实验以验证性实验为主：即教师摆好仪器，学生按照实验指导书一步一步把实验进行下去，然后记录数据，完成实验报告。就内容来说，单个的验证性实验作用比较片面，学生难以更深入地理解教学内容；从主动性来说，学生没有自主学习的动力，难以调动积极性。而没调动学生主动性的结果很可能是学生实验做完后，并没有真正理解自己做的东西，然后很快就会忘掉。

从实验内容来说，验证性实验通常的内容是对样品进行处理，比如球磨；使用仪器对样品进行测试，比如密度测试、LCR电桥的测试、居里温度测试等等，这些实验内容都墨守成规，学生做了实验，但并不知道这些处理方式就是在材料合成中起什么作用，也不知道测试得到这些数据代表着什么含义。并且实验内容也难以与当前行业的动态联系起来。

为了改善这种状况，实验项目设计时就需要考虑到调动学生的主动性和实验项目的综合性，实验项目要让学生真正参与进去，能够自己查阅资料，设计实验条件及实验步骤。 而综合实验不仅仅是对理论课程的验证，更是对所学知识的融会贯通，使得学生可以从整体上理解各个课程和部分的含义。并且通过综合实验，可以选择合适的实验内容，使学生接触到相关研究方向比较前沿的内容，而理论课程因为受到教材限制，无法做到这一点。[3-4]

2 材料物理专业综合实验的一个实例

下面以我校材料物理专业开设的一个实验项目“固相法制备无铅压电陶瓷综合实验”为例，介绍综合实验的整体实施及作用。

首先，实验项目的选题非常重要，所谓选题，就是教师选择合适的题目，为学生的实验设计定一个大方向。就我们采用的“固相法制备无铅压电陶瓷”这个题目来说，压电陶瓷是一种压电材料，其主要作用是利用压电效应实现电能和机械能的相互转化，广泛应用于军事、航天及日常生活的各个领域，如超声波发生器、相机和显微镜的镜头、燃油点火器、舰艇的声纳系统等等，目前全球市值大约有150亿美元。但目前所使用的压电陶瓷有98%是主要成份为铅的锆钛酸铅（PZT），铅作为重金属无论是在生产制造过程中还是使用中以及最后废物，处理，铅都对人体及环境有损害。全球多个国家都先后发布了禁止含铅元器件使用的条文。所以无铅压电陶瓷是现今的研究热点之一。选择该题目可以使学生实验内容更接近研究前沿，更重要的是无铅压电陶瓷的综合实验的制备过程采用固相烧结法，该方法不仅是工业生产合成的常用方法，而且固相合成所用的高温炉一般高校材料专业实验室都会配备，并且压电陶瓷要用到的测试设备都比较常见或者价格便宜配备容易，比如LCR电桥、阻抗分析仪、准静态d33测试仪等。其题目内容也契合材料物理专业的学习内容与培养目标。endprint

从实验内容来说，无铅压电陶瓷综合实验的步骤大体可分为“实验方案设计”、“合成制备”、“性能测试”、“结果分析”四个部分，

“实验方案设计”部分需要教师首先告诉学生实验的基本要求，比如本实验的基本要求为“固相烧结法制备无铅压电陶瓷”，即要求学生所做的材料为“无铅压电陶瓷”，合成方法为“固相烧结”法。然后还需要指导教师列出实验室现有的仪器以及试剂的条件。学生在此基础上明确自己的实验目的，查阅相关的文献，尽量选择实验过程中所用试剂和设备是实验室现有的。然后选择合适的配方及实验方案，方案交给老师后，教师再根据实验室的具体时间安排和设备条件，对学生设计的实验方案进行修改调整。调整后，学生就可以根据各自小组的实验设计方案进行实验。通过该步骤，学生会首先掌握或者强化针对特定需求查阅资料、分析筛选资料从中提取自己需要的知识点的能力。而要完成实验设计、做出实验配方及实验条件数据，学生需要了解整个实验从合成制备到性能测试的全部流程，包括原料配方，合成过程中需要用到的各种仪器设备和参数设定，以及化学试剂。

“合成制备”的步骤，即学生按照修改后的实验方案进行实验，该步骤也是综合实验的中心，压电陶瓷的实验步骤大体可以分为配方称重、混料、预烧、压片、烧结等步骤，不同的实验设计细节及实验条件上稍有偏差。配方称重部分，学生需要根据所使用的压片模具的直径、拟压片的厚度，以及样品的理论密度计算出单片重量，再根据要求的片数得到总重量，最后根据自己所设计的配方分子式，计算出需要的各个原料化合物的质量。该步骤可有效锻炼学生实际应用中根据分子式计算各单个配料的能力。称重完成后，则根据实际情况，使用研钵或球磨机混合样品，混合后，根据自己设计的方案直接进行预烧，或者成型后预烧，最后再进行成型烧结。通过此步骤，学生可以掌握一般功能陶瓷烧结的过程。

“性能测试”，该步骤是对烧结得到压电陶瓷片进行性能测试，根据实验室的条件，可以对居里温度Tc、压电常数d33、机电耦合系数Kp、密度€%j、损耗角正切tg€%]等参数进行测试。通过次步骤，学生可以掌握烧结后样品的上电极处理、LCR电桥使用、阿基米德法测量密度、介电曲线法测量居里温度，阻抗分析仪测量机电耦合系数的能力。相比单个的验证性实验，会更加深刻理解各参数的意义。整个实验过程会帮助理解材料的配方与合成工艺步骤对样品性能的影响。

“结果分析”，得到性能测试结果后，对比自己的试样性能与所参阅文献的性能，分析实验中的不足之处和可以改进的地方。对比自己得到的数据与同学其它同学的数据，加深理解原料配方、实验条件对结果的影响，并把总结书写到实验报告上。

3 结果与讨论

目前“无铅压电陶瓷综合实验”已在我校材料物理方向开展过一届，在实验中，学生的积极性和主动性得到了极大的提高。他们会反复演算配方，认真进行各个实验步骤，互相比较各自的样品性能，分析总结实验结果。总体来说该综合实验的开展比较成功。

但是实验进行过程中也暴露了一些问题，首先，综合设计性实验对学生能力要求较高，需要有较好的查阅分析文献能力，才能从论文中总结出配方、仪器、实验条件等参数。设计出合理的实验方案，学生完成该项目难度较大。其次，开放性的综合实验对教师的能力要求很高，学生可能会查阅到高中各样的文献，对教师的專业知识和指导能力提出了极高的要求，指导教师需要对所开设实验的方向具备一定的研究基础。再次，实验室的条件难以满足完全的开放设计实验需求，各种配方需要的化学药品种类极多，实验室可能只有其中的一小部分，实验室的仪器也难以满足需要，特殊的仪器实验室很少能配备，因整个实验合成制备部分需要两天左右，如果每个学生的烧结温度都不相同的话，最基本的高温炉都无法满足需求，我们实际试验中采用的是分少数几个组进行实验的方式。最后，目前进行的实验步骤中，最后对得到的样品只进行了性能检测，并未进行结构分析，而结构分析是材料研究中的重要部分，有了结构分析才能真正让材料的“结构”、“性能”和“应用”联系起来。这些都需要以后的进一步发展改善。

参考文献

[1] 元泽怀.开放式设计性综合实验课程教学的改革与实践[J].实验室研究与探索，2009.28（11）：120-122.

[2] 陈吉明.创新实践课程教学中科学思维能力的培养[J].实验室研究与探索，2011.30（2）：85-87.

[3] 赵芳霞.金属材料工程专业综合实验教学的探索[J].铸造设备研究，2005.3：52-54.

[4] 朱忠喜，张迎进，夏宏南，等.大学生创新能力培养模式研究[J].高校实验室工作研究，2012（1）：104-105.endprint