一流学科建设背景下的XRD实验教学改革与探索

刘 雯 李明亮 范冰冰 卢红霞

（郑州大学材料科学与工程学院 郑州·河南 450001）

0 引言

郑州大学是国家“双一流”重点建设高校，材料科学与工程专业入选世界一流建设学科，ESI排名进入全球前1%。“材料基因组计划”、“中国制造2025”等国家发展战略的提出，意味着材料进入一个新的“设计时代”。新材料是现代高新技术发展的先导和基石，加速新材料的研发与应用离不开人才的培养。材料科学与工程是一门要求学生系统学习材料科学与工程专业基础理论并具备相应的实验技能的学科。

XRD，全称X射线衍射分析（X-rayDiffraction），是通过对材料进行X射线衍射，记录并分析图谱，获得材料成分、内部原子或分子结构或形态信息的分析方法，是测试材料结构最早最基本的手段。本科教育开设XRD分析实验课，与材料科学基础课堂教学相配合，与试样制备、材料应力应变性能测定等其他平台实验相衔接，构成了材料专业完整的实验教学体系。但长期以来，实验教学课程存在教学过程程序化，专职实验教师少，特别是在XRD实验中侧重分析动手环节缺失等现象，本文将以XRD实验教学为例探索解决方法，同时基于结合郑州大学材料科学与工程学院的实际情况，对其“平台+模块+课程群”的课程体系和利用创新项目、开放的科研平台带动学生主动性和积极性的措施进行介绍和优化，达到进一步提高本科实验教学质量的目的。

1 本科XRD实验教学的特点和现状

在郑州大学，本科XRD实验教学，属于“平台+模块+课程群”课程体系（图1）中的平台课。“平台+模块+课程群”课程体系是对原有“公共课、专业基础课和专业课”课程体系优化配置，保证多样化的课程能反映各学科背景下的特色，同时注重学生基础、技术与能力培养，分层次、重个性，面向社会，增强学生就业能力和创新能力。

图1“平台+模块+课程群”新课程体系

平台实验针对的学生对象包括高分子材料、高分子成型与模具、金属材料与成形加工、无机非金属材料4个专业方向。除XRD分析实验，还包括扫描电镜显微结构、光学显微镜组织结构分析）、材料硬度、材料应力应变测定、气孔率和体积密度、润湿角和表面张力测定、综合热分析、紫外光谱和红外光谱分析、数据处理及误差分析、金相试样制备，共12个实验，使学生从结构—制备—性能—分析获得对材料专业完整的认识。在以上实验中，XRD实验教学是使学生建立对材料微观结构理解的重要环节，具有极强的应用型。通过XRD分析可以进行物相检索，获得物相组成、结晶化度、晶粒大小和微观应变分析信息，还可以计算材料的点阵常数、残余应力，已知结构的衍射谱，RIR值等。

XRD的原理主要基于布拉格方程，测试系统主要由X射线光管、样品台、接收器和测角仪组成，结构非常简单。但高电压、精密贵重、测试过程产生X射线需要采取一定的防辐射措施等特点对XRD实验教学产生了限制。因此，多数院校XRD实验课程教学，虽然会通过多媒体方式或参观介绍X射线衍射仪的结构和基本原理、样品的制备，但都侧重于结果分析。此外，由于课时限制，通常只要求学生掌握XRD图谱的物相分析。此外存在教学内容陈旧、不能与时俱进、忽视学生的专业性和不同实验技术的贯通性等问题。产生的不良后果包括：不能充分激发学生的学习兴趣；不能较广范围的保证学生获得动手能力、思考能力和解决问题能力的锻炼；不能满足学有余力的学生开展创新实验的需求等。

2 XRD实验改革思路及方法

21世纪是互联网的时代，它不仅是一种技术或传播信息的形式，更主要的是对我们思维方式的变革。而交流合作、优势互补、资源共享，是新时期学生培养、促进教育教学改革、推进科学研究的重要途径。积极探索人才培养模式改革，培养拔尖创新人才，建设一流师资队伍，提升科学研究水平，着力推进成果转化是一流学科建设的建设目标。在一流学科建设背景下，以XRD实验教学为对象，以提高学生学习兴趣、培养学生综合能力，推动实验教学模式改革为目的，我们认为可以采取以下措施：

2.1 案例导向的小团队教学模式

图2 小团队XRD教学模式流程图

图2是小团队XRD教学模式的具体实施流程。根据我院学生人数和课程安排，可将每次课程分成3～4组，每组成员4～6人，每组解决一个案例，可实施的案例包括：不同温度下样品中马氏体、奥氏体和铁素体相对含量变化；ZrO2陶瓷中的应力分析；聚合物转化SiC晶粒生长趋势；ITO薄膜的XRD分析等，并结合创新项目和科研项目对案例及时更新。首先，让学生学习利用网上图书馆资源中英文数据库查找文献，通过和组内同学和老师的讨论，明确实验目的，选择合适的仪器测试模式（广角、掠角）和参数（步长、扫描速度等），然后，根据样品状态，粉末、块体、薄膜还是微量粉末，选择合适的制样方式，检查制样是否合格，再对多个（≥3个）样品进行测试，最后，使用每位同学Jade、Highscore等软件独立分析XRD图谱，通过组内讨论研究变量对材料微观结构的影响，结合材料科学基础的相关知识分析实验数据，撰写实验报告。通过这一过程，不仅可以激发学生学习主动性，完成动手能力，思考和解决问题能力的综合锻炼，也能在一定程度上培养学生独立获取知识的能力和团队合作精神。

2.2 利用网络资源，增加创新项目，开放实验平台

网络时代，学生获取知识的途径更加多样化，慕课、百度文库，微信公众号不仅可以多样的形式传播知识，交流学习经验，还会提供如XRD等技术的资料合集，满足学有余力的学生自主学习的需求。对于教授实验课的教师同样需要利用网络资源，把握科技动态，提高专业技能，让教学内容更加生动同时与时俱进。而观察发现学生通过参加全国大学生金相技能大赛，全国大学生微结构摄影大赛，各类校级、国家级创新创业项目等，通过体验并彼此协作完成依托于指导老师科研项目的小课题，会充分激发其创新潜能，有些学生在本科阶段就可撰写出高水平的科技论文。因此增加创新项目比例，保证更多的学生可以参与其中，是实验教学的一个重要改革方向。同时，新时期的实验教学不仅应该形式多样化，还应不拘泥于固定的课堂时间，开放实验平台，通过网上预约，教师辅助等方式，为具有科研潜力的学生提供便利，使实验资源得到充分利用。

2.3 固定实验教师配置，让专业实验岗教师走入课堂

每个平台实验应固定2名左右教师负责，减轻课时压力，同时为任课教师提供定期参加专业培训的机会，及时掌握先进设备的发展动态，保证实验教学改革的连续性和有效性。此外，应每学年在全校范围开展一次关于仪器操作和案例分析的主题报告周，由学校实验中心专业实验岗教师或仪器工程师讲授，通过与学生和其他教师的沟通，提高业务能力和创新能力，将信息反馈给设备开发商，利用专业技能开发新的配件，为更好的科研项目成果的产出提供技术支持。

3 结语

笔者在XRD平台实验教学中，深刻体会到实验教学模式改革对培养学生动手能力和激发学习主动性的重要。新世纪，是我们的祖国日益富强，科技成果日新月异的时代，培养厚基础、宽专业、强能力、高素质创新人才是大学教育的方向。实验教学是本科教育的重要环节，建设“双一流”大学，必须在落实基础教育理念的基础上，重视实验教学，通过持续推进实验教学改革，完善大学教育培养模式，为学生未来专业发展奠定坚实基础。