“材料研究方法”课程多媒体仿真辅助教学研究

沈永龙，胡俊华

（郑州大学 a.材料科学与工程学院；b.低碳环保材料智能设计国际联合研究中心（国家级），河南 郑州 450001）

引言

科技是第一生产力，随着经济的发展和社会的进步，人类对高科技产品的需求越来越大。20世纪，人们把信息、材料和能源誉为人类当代文明的三大支柱。之后，以高技术群为代表的新技术革命又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。因此，材料与国民经济建设、国防建设和人民群众的生活密切相关。进入21世纪以来，我国高度重视新材料的发展，国家发布了一系列政策推动和布局新材料及新技术，如《中国制造2025》《新材料产业发展指南》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》等。

为了实现国家战略任务，突破西方国家对新材料及新技术的封锁，人才培养是关键，并对我国未来的发展起着决定性作用。高校作为人才培养的主要基地，大学生是高校人才培养的核心之一。大学在国家和社会转型过程中发挥着不可替代的作用，是社会文化的重要平台和阵地。全球化把大学推到社会变革的前沿，大学成为社会的一面旗帜，大学的形象如何、构建什么样的大学成为大学发展中的重要课题，这直接关系到大学培养什么样的人和为谁培养人的根本问题，关系着科教兴国战略的实施，关系着社会主义教育事业的成败，关系着国家民族的繁荣发展。2017年1月，教育部、财政部、国家发展改革委联合印发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》，进一步明确：以一流为目标、以学科为基础、以绩效为杠杆、以改革为动力，推动一批高水平大学和学科进入世界一流行列或前列。到本世纪中叶，一流大学和一流学科的数量和实力进入世界前列，基本建成高等教育强国［1］。这是在新的历史时期，为提升我国高等教育发展水平做出的一项重大战略决策。在“双一流”大学建设的实施办法中要求高校：一是健全科研组织和科研机制，推动协同创新产生显著成效。解决国民经济中的重大关键性技术和工程应用问题，实现重大的颠覆性技术创新。二是加强社会服务，增强产学研深度融合，推动科研成果转化，为国家和区域经济转型、产业升级和技术创新服务。三是在大学人才培养方面，坚持立德树人，培育和践行社会主义核心价值观，在拔尖创新人才培养模式、协同育人机制、创新创业教育等方面成效显著，同时人才培养质量得到社会的高度认可。如此，高校才能在“双一流”大学建设中发挥其在创新人才培养、科研成果转化和科技创新等方面的作用，进一步提升高校科技创新和科技服务水平，最终实现“双一流”大学的建设目标。

材料科学既是基础学科，又是新技术革命的先导。材料科学的特点是活跃、交叉和发展迅速。随着科学技术的高速发展，新技术、新产品和新工艺对新材料的要求越来越多，也促进了当前材料科学技术的迅速发展。现在，材料学科及其教育的重要性已被大家所认知，大部分高校都开设了材料科学与工程专业。因此，在本科阶段和研究生阶段，学生需要有坚实的基础理论知识水平和掌握扎实的专业基本技能，这样才能在将来更加深入地学习和胜任专业领域的工作。

一、课程内涵

传统的材料科学与工程专业包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料和材料加工成型等。由于这些具体的专业具有共同或相似的学科基础、科学内涵、研究方法与研究设备，同时，为了实现“厚基础、宽专业、高素质、强能力、具有创新精神”的培养目标，体现“大材料”学科共同的知识体系，在开设材料科学与工程专业的高校中，“材料近代研究方法”是重要的基础课程之一，是材料专业的“眼睛”，是学生认识和了解各种材料的窗口，也是材料科学与工程专业的核心课程之一，学好并掌握这门课程对材料专业人才培养起到了至关重要的作用。这门课程主要讲授X射线衍射（XRD，分析材料晶体结构）、扫描电子显微镜（SEM，分析材料表面形貌）、传统透射电子显微镜（TEM，分析材料晶体结构和电子衍射分析）、热分析（DSC-TG，分析加热过程中材料中的物理和化学过程）、X射线光电子谱（XPS，分析分子、原子结构，化学态和价带等）、红外光谱（IR，分析有机物官能团）和能谱（EDS，用于分析重元素的元素鉴别和定量计算）。这些测试表征技术均属于传统材料结构表征，可用于对常规材料（合金、金属、无机物和高分子）进行结构分析。

随着科学技术的不断进步，越来越多的新材料被发现，如新型纳米材料、石墨烯、量子点和有机/无机钙钛矿材料等，并在能源与环境器件中得到了广泛应用，常规表征技术无法满足新材料的结构表征要求，因此高分辨率的电子显微表征技术［2］，如球差电子显微分析系统（TEM-Cs）［3］、冷冻电镜系统［4］（Cryo TEM）、聚焦离子束（FIBs）透射电镜制样系统、电子能量损失谱［5］（EELS）、原子力-拉曼联用系统（TERs）［6］和X射线/紫外光电子谱（XPS/UPS）等进入科研人员的日常研究中。这些先进的结构表征设备，使我们可以“看到”原子、分子结构，为研究材料显微结构与宏观性能之间的联系提供了方法，有助于解决材料在实际使用过程中存在的问题。因此，“材料分析表征技术”是材料专业学生的重要基础课程，也是学生将来在研究生阶段学习和工作的基础。同时，学生能掌握国内外研究动态，能够对材料进行更加深入的表征和理解，开阔视野，并提升知识水平。

二、教学中存在的问题

（一）课堂教学与实验教学衔接不畅

如前所述，课程主要讲授X射线衍射、电子显微分析、光谱和热分析，尤其是电子显微分析中的透射电子显微分析技术。其在材料学、物理、化学和生命科学等研究中具有重要作用，但是透射电子显微技术的相关设备价格昂贵，维护成本高，且操作复杂，因此学生无法实际操作。同时，这些设备在运转期间对所放置的实验室空间的温度、湿度、机械振动和环境磁场强度都有严格的要求，因此学生无法进行现场观摩，导致学生无法理解课堂所讲，无法深入理解设备的工作原理。此外，基于针尖增强的显微拉曼分析技术，可以用于分析单分子的拉曼光谱，虽然设备工作环境要求远低于球差透射电镜，但是由于测试过程中需要用到大量的贵金属金和银探针作为测试耗材，因此无法通过学生直接操作来理解其基本原理和测试过程。

（二）教学方法较为单一

一般通过PPT或者板书讲解课堂的重点内容，并通过示例讲解实际测试结果和数据分析。在此情况下，如果学生无法对测试的基本原理有深入的理解，则无法真正理解示例分析，也不能灵活应用到实际分析测试中。比如在透射电子显微分析中，一般情况下介绍的图像主要有中心明场像、中心/环形暗场像、衍射衬度像、高分辨透射电子像和高角环形暗场像等。如果在课堂上只向学生介绍某个图片是哪一种图像，而不讲为什么会形成这种图像，以及形成图像的基本原理，那么学生无法真正理解图像中所包含的有用信息。因此，亟须对课程进行教学改革和创新。目前，多媒体仿真动画技术是解决该问题的方法之一，其在“材料表征技术”的课堂授课中受到越来越多的关注。多媒体仿真技术是将理论与实践相结合的新型教学方式，其将复杂枯燥的理论转变为可视的多媒体内容，能够让学生直接“看到”电子（光子）与物质的相互作用过程，以及建立在复杂的数学物理模型基础上的图像和谱的产生过程，揭示物质结构内部的本质，建立物质结构与性能的直接联系。因此，采用多媒体动画仿真教学具有以下优点：（1）可视化，直观且便于理解；（2）低成本；（3）可用于大规模教学课堂实践；（4）适用于不同学习阶段的本科教学和研究生教学等。

三、教学示例

示例1：透射电子显微系统的光路。传统的透射电子显微系统中只有平行束操作模式，因此其光路仅有一种，即电子束从电子源射出后，经过照明系统到达样品上方，在与样品相互作用后，弹性散射电子束与透射束经过成像系统到达观察屏。随着技术的发展，会聚束操作模式的出现，使得我们可以利用非弹性散射电子进行成像和能谱分析，因此了解其光路对于理解非弹性电子产生的图像非常重要。在会聚束模式中，经过照明系统的入射电子束被第二聚光镜会聚成会聚束，其束斑尺寸通常为几纳米，类似于电子探针，电子束将以探针形式扫描样品表面，产生的散射电子将直接被环形探测器检测。

样品中的重元素所产生的非弹性散射电子散射角通常比较大，因此会被高角环形暗场探测器检测到，形成高角环形暗场像（HAADF图像），同时，样品中的轻元素由于其产生的非弹性散射电子散射角很小，因此会被环形暗场探测器检测到，形成环形暗场像（ADF图像）。透射电子束直接穿过环形探测器，不被接收，因此在会聚束模式下一般都能获得暗场像，且信号来源于入射电子束与样品相互作用所产生的非弹性散射电子。这与传统的平行束模式下的弹性散射电子信号图像有本质区别。正是由于在会聚束模式下会聚电子束动态扫描样品表面，我们才可以进行透射电子显微系统下的能谱分析。

随着日本电子制造的Ω磁透镜系统和Gatan制造的GIF（Gatan Imaging Filter）系统，我们可以研究分析入射电子束与样品发生相互作用后的能量损失，即电子能量损失谱（EELS）。通过Gatan的GIF系统安装在透射电镜的观察屏下方，因此其光路通过GIF之前的光路与透射电镜系统一致，之后将在GIF系统中通过能量狭缝而被探测器探测到，形成电子能量损失谱。日本电子的Ω磁透镜系统通常安装在透射电子显微系统中的物镜下方，具有不同能量的电子通过该磁透镜系统后会通过能量狭缝而获得电子能量损失谱。因此，其光路代替了原有透射电镜物镜下方的光路。因此，如能将以上信息通过多媒体动画展示，将会取得更好的教学效果。

示例2：拉曼光谱为弱信号，其信号强度通常仅为入射光强度的10-5～10-12。因此，如果所需要测试的样品信号极弱，我们将无法获得有效的拉曼光谱，比如单层石墨烯的拉曼光谱。如何提高拉曼光谱强度是做好表征工作的重要内容之一。针尖增强显微拉曼系统（TERs）利用金属银针的拉曼共振增强效应，可以显著增强拉曼信号，从而获得单层石墨烯的拉曼光谱。因此，通过多媒体动画展示针尖强化机理及过程，将有利于学生理解增强拉曼光谱的产生。

结语

以多媒体仿真动画模拟XRD、电子显微分析（SEM、TEM、EELS）、拉曼（TERs）和XPS的基本原理，以及设备操作和图像/谱的分析，并通过相应的多媒体演示动画形式展现出来，结合课堂知识点讲解，使学生直观地感知、认识并理解基础概念，掌握基本原理，认识不同结构表征技术之间的优缺点和相互联系，能够准确分析数据。