近代测试分析技术教学模式改革探讨

罗文钦，潘国祥，王永亚，唐培松

(湖州师范学院 a.求真学院， b.工学院，浙江 湖州 313000)

随着新材料的出现，各种新的表征手段和仪器设备也随着涌现。材料的性能是由材料的结构决定的，对材料性能和其成分及微观结构关系的理解成为了现代材料开发的关键。现在的材料研究逐渐由传统的“炒菜”模式向“材料设计”模式发展，而材料微结构的表征正是这种演变的桥梁，掌握材料结构测试技术及熟练解析相关测试数据就成为了现代材料研究者必须掌握的一项基本技能[1]。近代测试分析技术正是为了这一目的而开设的一门课程。本课程主要教学内容包括红外光谱、激光拉曼光谱、核磁共振波谱、质谱、X射线衍射分析、电子显微技术、X射线光电子能谱分析和热分析等。该课程开设于大三学期，此时学生完成了无机化学、有机化学、分析化学、材料化学等基础课程的学习，具备了材料化学专业的基础知识。同时，还有一些实践类课程在同步开展，如材料综合设计实验[2]、无机材料实验等。这些实验课程需要学生能正确分析实验现象、解析实验数据和解决实验问题。要充分把握近代测试分析技术的教学目的，学以致用，这对于提高学生其他相关课程的学习效率有良好的辅助作用，能够为学生以后的学习、科研打下基础。

1 近代测试分析技术课程的特点

近代材料测试分析技术涉及的知识面广、内容多、概念复杂、理论深奥，要求学生有较强的专业基础知识和广博的材料化学知识背景，适合在本科高年级开展[3]。部分分析测试技术涉及大型贵重仪器设备，一般高校缺乏实践教学支撑，不利于清晰讲解。针对以上问题，要从教学内容、教学方法等方面入手，增强学生对课程重要性的认识，增强学生的学习兴趣，使学生能正确选择材料分析和测试方法，能看懂或分析一般的测试结果，具备专业从事材料分析测试工作的初步基础，具备通过继续学习掌握材料分析测试的新方法、新技术的能力，提高教学效果，培养学生的创新和综合运用能力[4]。近代测试分析技术课程涉及几种大型仪器，如X射线粉末衍射仪、核磁共振波谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜的原理、测试及其数据解析。其中，仪器的测试原理理论性较强，针对学生生源情况及材料科学的学科背景，大部分学生对于数学、物理理论的学习感到很困惑，也缺乏学习兴趣。如果在教学中一味追求对仪器原理的清晰讲解，往往会浪费大量课堂时间，应在课程中减少繁琐的数学推导，让学生理解实验数据的获得方式及解析方法。

2 教改措施

2.1 把握正确的教学方针

各种不同的大型仪器都有各自的测试原理，其中涉及复杂的数学、物理知识。在有限的课时内，不可能对每一个仪器的原理都进行详细学习，把握课程的教学目的至关重要。本课程主要目的是使学生能掌握各种常见材料结构分析仪器的基本原理及其应用，具有分析、解决问题的能力，避免复杂的公式推导过程，只给出仪器测试基本原理的公式，要求学生掌握公式中每一个参数所代表的物理意义，能用公式分析实验数据，解决实验数据分析中碰到的问题。在红外光谱这一章，对于键伸缩振动频率推断的公式，没有必要从虎克定律入手一步步推导出公式，而是直接给出最终公式，重点是让学生学会利用这个公式推测常见的化学键红外振动吸收峰的位置。

本课程的教学目的是让学生掌握材料结构表征中常见的几种表征手段及数据的解析，除了一些理论知识的学习外，有必要增加练习的量。课后布置相关作业外，课堂上还要留出部分时间进行练习和讲解，教师可以根据学生的课堂反应逐步教给学生正确的数据分析方法和分析技巧。学生还可以通过教师的讲解学习一些常用分析软件和数据处理软件(如jade、origin)的使用技巧。

2.2 理论联系实践

本课程一般在学生大三时开设，这一阶段除了同步开始的实验课程外，绝大部分学生都已经开始进行毕业设计，参与到指导教师的科研课题中或参加学生创新创业计划等开放项目，这时如果能对学生进行积极引导将会起到事半功倍的教学效果。在制备LaFeO3的综合设计实验中，大部分学生都能通过自己设计的实验方案合成出LaFeO3。但有部分学生反映自己做出来样品的X射线粉末衍射图与教师给出的标准数据库中LaFeO3的不一致，不知道自己做出来的具体是什么物质。在介绍X射线粉末衍射这一章节时，可以实时引入这个案列，指导学生利用Jade 6.0软件来分析未知化合物的物相。在Jade 6.0软件中，先用确定物质中含有的主要物相为La(OH)3，接着通过限定条件确定混合物中的次要物相为Fe2O3，进而引导学生分析出现这种实验结果的原因可能是什么，比如沉淀过程中搅拌不均匀，煅烧温度不够等，启发学生对实验进行更深入的思考。在这一过程中，学生学习目的明确，调动了学习积极性，培养了分析问题和解决问题的能力。学生还可以积极在课堂上引入自己的科研成果作为案例讲授，了解一般的科研过程，掌握一定的科研测试分析技巧。

2.3 充分借助多媒体和网络教学平台

本课程中介绍的仪器都是一些大中型的测试仪器，价格和维护费用都很高，因为机时有限，不可能让每一个学生都有操作的机会。针对这一情况，要充分利用多媒体教学资源，要在PPT课件上下足功夫，利用动画、三维图片等使学生形象掌握仪器原理。同时，还可以利用一些网络虚拟操作平台，让学生自己动手操作仪器，比如澳大利亚显微电镜和显微中心的虚拟操作平台http：//www.ammrf.org.au/myscope/，里面有扫描电镜、透射电镜、X射线粉末衍射、扫描探针显微镜、原子力显微镜等仪器设备的操作培训。通过网络平台可以使学生掌握仪器的具体操作方法及工作原理。

3 结语

通过充分了解近代测试分析技术课程的特点，能够让学生掌握材料结构表征的基本原理及数据分析能力，去繁就简，与学生自己的科研实验相结合，并利用多媒体和网络等可视化教学手段来调动学生的学习积极性和主动性。