《現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與改革初探*

王曉芳，霍紅英，萬書權(quán)

(1 攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2 攀枝花學(xué)院國家釩鈦檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)課程是我校(攀枝花學(xué)院)為冶金工程、新能源科學(xué)與工程等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容包括紅外光譜和拉曼光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜、X射線衍射、電子顯微技術(shù)、材料熱分析等現(xiàn)代材料分析方法。該門課程與分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等的內(nèi)容密切相關(guān)，課程立足于現(xiàn)代教育思想和理論，從我校綜合應(yīng)用型大學(xué)的定位出發(fā)，使學(xué)生了解當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域中最常用的分析測試技術(shù)和方法，并著重于學(xué)習(xí)材料結(jié)構(gòu)與性能的表征方法、掌握主要儀器分析方法所涉及的制樣技術(shù)、圖譜解析和具體應(yīng)用，為畢業(yè)后的實(shí)際生產(chǎn)和科研工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。同時(shí)把握最新的現(xiàn)代測試技術(shù)發(fā)展的動態(tài)，培養(yǎng)熱愛科學(xué)的興趣，學(xué)會相應(yīng)的常見儀器測試分析方法和制定合理實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)訓(xùn)練，增強(qiáng)提出、分析和解決實(shí)際問題的能力。本文以我校為例，對應(yīng)用型本科院校的現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析，從而提高實(shí)踐課教學(xué)質(zhì)量。

1 攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置存在缺陷

實(shí)驗(yàn)課程涉及的內(nèi)容較廣泛，涉及拉曼光譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子吸收、熱分析等現(xiàn)代材料分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)，但由于所涉儀器多數(shù)大型貴重儀器，受限于課時(shí)、儀器數(shù)量[2]，同時(shí)為保障儀器使用安全，使得實(shí)驗(yàn)基本以演示為主，學(xué)生基本只能重復(fù)操作過程中非常簡單的操作(比如拉曼光譜實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能在樣品測試區(qū)域選取過程中通過萊卡顯微鏡觀看一下樣品，或者在測試過程中調(diào)試一兩個(gè)參數(shù)，而且兩項(xiàng)操作只能選其一)，對儀器檢測的整體操作過程及儀器構(gòu)造的認(rèn)識非常有限；而且實(shí)驗(yàn)課程與理論課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)的緊密性也較弱，使得實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容深度不夠，缺乏從理論指導(dǎo)實(shí)踐、再由實(shí)踐檢驗(yàn)理論的系統(tǒng)性；另外，選取的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上屬于驗(yàn)證性的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，少有探索性和綜合性內(nèi)容的設(shè)置，在學(xué)生能力的培養(yǎng)上顯得薄弱。

1.2 對實(shí)驗(yàn)樣品的教學(xué)價(jià)值利用不足

樣品的前處理是大型儀器檢測樣品的必要步驟，對于樣品的前處理方法的選擇需考慮樣品本身特質(zhì)、檢測指標(biāo)、儀器方法以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡鹊囊蛩?。樣品的前處理過程是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、動手能力、理論聯(lián)系實(shí)踐等能力的很好的教學(xué)過程[3]。但目前實(shí)驗(yàn)中的樣品基本上是配置樣品或者處理過的理想樣品，少有實(shí)際樣品，少有樣品前處理的教學(xué)實(shí)踐過程。這樣，學(xué)生僅僅根據(jù)課上老師對樣品的講解機(jī)械的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，缺乏有效的主動思考與設(shè)計(jì)，對材料的檢測停留在“怎么做”層面，而對“為什么”做沒有很好的認(rèn)知和理解，對于材料的檢測缺乏本質(zhì)的理解[4]。

1.3 教學(xué)方式缺乏新穎性

在學(xué)生開始做實(shí)驗(yàn)前，老師基本只是按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式介紹注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容[5]，固定的教學(xué)模式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中較為被動，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力。教學(xué)方式缺乏新穎性、創(chuàng)新性，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

1.4 學(xué)生對課程重視程度亟待培養(yǎng)和提高

由于儀器分析實(shí)驗(yàn)主要借助大型儀器，而學(xué)生預(yù)習(xí)只能從書本上獲得理論上的理解，缺乏直觀性，因此對于儀器結(jié)構(gòu)以及操作方法等一片茫然，無所適從。在這種狀況下，學(xué)生預(yù)習(xí)基本是為了完成預(yù)習(xí)報(bào)告等的預(yù)習(xí)任務(wù)，敷衍了事，達(dá)不到預(yù)習(xí)的目的和效果。學(xué)生在這種狀態(tài)下聽課的被動程度是可想而知的，導(dǎo)致無法及時(shí)消化理解教師講解的內(nèi)容，更談不上對知識的內(nèi)化。這樣，學(xué)生對課程的獲得感不強(qiáng)，學(xué)習(xí)熱情和重視程度也就不高。這種情況亟待改善。

1.5 對學(xué)院優(yōu)勢資源利用有限

攀枝花學(xué)院現(xiàn)有一個(gè)國家釩鈦檢測實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是由攀枝花海關(guān)與攀枝花學(xué)院聯(lián)合共建，是全國唯一以進(jìn)出口釩鈦產(chǎn)品為重點(diǎn)的、對外開放的國家級檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲得國家級CNAS和CMA“二合一”資質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室目前使用的方法基本是國家推薦標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)和自制標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有3000余萬元的儀器設(shè)備，建筑面積約1200 m2，主要設(shè)備有：電感耦合等離子體光譜儀、掃描電鏡及能譜儀、X射線衍射儀、全譜直讀型等離子發(fā)射光譜儀、原子吸收光譜儀、高頻紅外碳硫分析儀、激光拉曼光譜儀、激光粒度儀、萬能材料試驗(yàn)機(jī)、超高精度分光測色儀等。人員上，為滿足實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)要求、保證檢測結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室的檢測人員都是具有專業(yè)水平、大多具有多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的高水平、高學(xué)歷專業(yè)技術(shù)人員。目前該實(shí)驗(yàn)室可以說是一個(gè)具有高水平分析測試實(shí)力和能力的集檢測服務(wù)、科學(xué)研究、輔助教學(xué)和人才培養(yǎng)于一身的分析測試平臺。但是，就現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程來說，該課程的教學(xué)對國家釩鈦檢測實(shí)驗(yàn)室的平臺優(yōu)勢的利用還顯不足。

針對上述問題，本文以拉曼光譜實(shí)驗(yàn)為例，對儀器分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。拉曼光譜包含的信息特別豐富，可以應(yīng)用于化學(xué)品鑒別、分子結(jié)構(gòu)表征、成鍵效果以及樣品所處環(huán)境以及內(nèi)部應(yīng)力分布等方面[6]。實(shí)驗(yàn)利用國家釩鈦檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室配備的英國雷尼紹Renishaw公司生產(chǎn)價(jià)值106萬元的inVia激光共焦顯微拉曼光譜儀，其配置靈活，并以德國徠卡顯微鏡作為配套設(shè)備，具有高靈敏度及可靠性，廣泛應(yīng)用于固態(tài)(粉末或塊狀)和液態(tài)物質(zhì)的物理﹑化學(xué)分析，也特別適合于材料微結(jié)構(gòu)的研究。近年來對拉曼光譜儀的研究受到越來越多的關(guān)注，發(fā)展也特別迅速，但目前對于拉曼光譜儀檢測標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)還十分有限。

2 攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課改革措施

2.1 課程內(nèi)容從多而廣向少而深轉(zhuǎn)變

由于理論課程內(nèi)容已經(jīng)具備了足夠廣泛的程度，滿足學(xué)生了解當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域中最常用的分析測試技術(shù)和方法的知識教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)，那么在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中應(yīng)更多側(cè)重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，“多而廣”的泛泛之教就不可取，應(yīng)該向?qū)W習(xí)內(nèi)容少但學(xué)習(xí)程度深入轉(zhuǎn)變，按照學(xué)時(shí)的計(jì)劃和要求讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握2～3種儀器的測試技術(shù)和方法，達(dá)到理論和實(shí)踐的融會貫通，才能舉一反三。這樣，學(xué)生以后無論開展畢業(yè)論文還是從事相關(guān)工作都可以基于學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)很快對新的儀器檢測技術(shù)和方法熟練和掌握。

2.2 增加實(shí)驗(yàn)課程的探索性

在提高課程內(nèi)容深度的前提下增加樣品前處理的課程內(nèi)容。一方面，教師拿來待測樣品進(jìn)行樣品前處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在教師的演示和指導(dǎo)下學(xué)生自主完成樣品的處理，不僅可以避免實(shí)驗(yàn)原料的浪費(fèi)及教師獨(dú)自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的時(shí)間成本，還可以提高學(xué)生的參與度。根據(jù)學(xué)生自制樣品的檢測結(jié)果，可以進(jìn)行對比，分析樣品處理對檢測結(jié)果的影響。另一方面，教師結(jié)合實(shí)際樣品問題為學(xué)生開展探索性試驗(yàn)。讓學(xué)生自主選擇不同類型的待測樣品，通過理論知識及自主學(xué)習(xí)確定待測樣品的處理方法，根據(jù)檢測結(jié)果分析樣品及對樣品處理方法進(jìn)行評價(jià)。

2.3 充分開發(fā)利用國家釩鈦檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的平臺資源增加課程的實(shí)踐性

實(shí)驗(yàn)室的檢測過程是基于國家推薦標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)和自制標(biāo)準(zhǔn)方法，權(quán)威性、規(guī)范性都是可以充分保障的。將標(biāo)準(zhǔn)方法結(jié)合于教學(xué)過程將有助于學(xué)生認(rèn)識標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)及達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)”。另外，基于實(shí)驗(yàn)室優(yōu)良的人員資源，邀請實(shí)驗(yàn)室專業(yè)檢測技術(shù)人員參與教學(xué)過程，一方面有助于提高實(shí)驗(yàn)與實(shí)際的關(guān)聯(lián)性，一方面也有助于使學(xué)生了解行業(yè)技術(shù)水平及工作性質(zhì)，對學(xué)生未來的就業(yè)及發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。以上都將對增加課程的實(shí)踐性起到重要作用。

2.4 以拉曼光譜實(shí)驗(yàn)為例初探教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，帶學(xué)生直接進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合理論知識對設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地講解，邀請實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)檢測人員對拉曼光譜儀的維護(hù)、使用規(guī)范及注意事項(xiàng)等進(jìn)行詳細(xì)深入的講解，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段，分別以不同晶型的二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品、石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行樣品制備及檢測，參考實(shí)驗(yàn)室自制標(biāo)準(zhǔn)檢測方法作為演示性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基于教師的演示分組進(jìn)行操作，熟悉儀器操作及維護(hù)。

實(shí)驗(yàn)提高階段，教師布置不同類型的實(shí)驗(yàn)樣品，要求學(xué)生在課下按小組自行準(zhǔn)備符合要求的待測樣品，并通過理論知識及自主學(xué)習(xí)確定好符合樣品的前處理方式及檢測參數(shù)等的設(shè)定，在完成課前準(zhǔn)備的前提下獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中各小組之間安排互相觀摩，一方面彼此監(jiān)督操作的規(guī)范性，一方面鞏固實(shí)驗(yàn)操作過程。為增加實(shí)驗(yàn)的探索性，教師還可設(shè)定未知待測樣品(比如不同比例混合的不同晶型的二氧化鈦標(biāo)準(zhǔn)樣品)，讓學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)完成檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對樣品進(jìn)行定性分析。之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為增加實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性，可邀請實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)檢測人員以實(shí)際檢測過程中的一個(gè)檢測過程或檢測結(jié)果特例向?qū)W生進(jìn)行講解或演示，同時(shí)增加教學(xué)過程的生動性。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段，組織學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并交流討論實(shí)驗(yàn)過程中的收獲、感受及存在的問題或疑問。

通過以上的課程設(shè)計(jì)及教學(xué)過程改革，使學(xué)生達(dá)到對儀器使用、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析以及理論知識等的全面掌握，達(dá)到整個(gè)課程內(nèi)容的深入內(nèi)化。

3 結(jié) 語

論文分析總結(jié)了攀枝花學(xué)院現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課存在的問題，結(jié)合拉曼光譜實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，打破以往的“只能看不能摸”的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，提出了較為可行有效的解決方案，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生參與度、增加學(xué)習(xí)深度、培養(yǎng)學(xué)生能力為目的，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實(shí)踐，提升實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的合作能力、動手能力、分析問題與解決問題能力，為今后的現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一定的參考價(jià)值，從而為本科生將來的工作和讀研打下良好的基礎(chǔ)。