“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革研究

朱巖巖，卞振濤，曹紅霞，張萍花

（宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽宿州 234000）

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、新能源材料與器件專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課程，也是在材料化學(xué)、材料分析方法、儀器分析等理論課程的基礎(chǔ)上所開(kāi)展的一門(mén)重要實(shí)驗(yàn)課。課程介紹了材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景以及研究進(jìn)展。講解了多種材料分析方法及表征手段。目標(biāo)是通過(guò)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作使學(xué)生了解典型的無(wú)機(jī)非金屬、金屬、高分子、復(fù)合材料的制備方法。掌握常用的現(xiàn)代分析測(cè)試儀器，能夠正確地選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法去解決問(wèn)題。進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生在材料、化學(xué)、物理、生物等交叉學(xué)科的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。為今后工作、學(xué)習(xí)以及畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)提供必要的知識(shí)面和方法。因此，“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)和綜合能力發(fā)展起到非常重要的作用[1-2]。然而，傳統(tǒng)的“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在結(jié)構(gòu)陳舊、方式單一、考核不合理、學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力較弱等問(wèn)題[3-5]。針對(duì)這些問(wèn)題，文章提出了一系列改革措施，并設(shè)計(jì)了掃描電鏡實(shí)驗(yàn)為例。希望通過(guò)這些措施的改革和探索，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，并得到學(xué)生們的肯定。

1 “材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)陳舊

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容主要為一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)性操作，關(guān)于設(shè)計(jì)型、綜合型、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)所占比例較少。這種陳舊的教學(xué)結(jié)構(gòu)不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，通常是教師為主導(dǎo)的模式，根據(jù)教材講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、操作步驟、結(jié)果分析等各部分內(nèi)容。學(xué)生則被動(dòng)地按部就班完成實(shí)驗(yàn)，缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。單一的教學(xué)方式很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)中學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力較弱

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課程中使用的大多數(shù)進(jìn)口儀器設(shè)備，價(jià)格比較昂貴、數(shù)量少且維修成本高。因此一般是由老師進(jìn)行操作演示，學(xué)生能夠動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)很少。從而導(dǎo)致學(xué)生普遍注意力不夠集中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中思考交流較少，對(duì)實(shí)驗(yàn)和儀器理解不深，總體教學(xué)效果不好。

1.4 實(shí)驗(yàn)考核不合理

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課的考核方式一般由平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)組成?？紤]到學(xué)生參與度少，所做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容類似，并不能直接用實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況作為學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。不合理的考核方式會(huì)降低學(xué)生的積極性，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲的不良現(xiàn)象。

2 “材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施

針對(duì)上述“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，進(jìn)行教學(xué)反思，探索出了相對(duì)應(yīng)的教學(xué)改革措施。

2.1 優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)

根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，除了常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作外，增加一些設(shè)計(jì)、綜合和應(yīng)用類型實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。比如開(kāi)展“鋰離子電池的制備及電化學(xué)性能研究”“靜電紡絲法制備納米纖維及樣品微觀形貌觀察”等實(shí)驗(yàn)。同時(shí)選取與生活相關(guān)的綠色環(huán)保實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如“磁性碳基復(fù)合材料的制備及電磁波吸收性能研究”“MOFs材料的制備及光催化降解有機(jī)染料廢水”等。

2.2 豐富教學(xué)方式

采用多媒體輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提前準(zhǔn)備關(guān)于儀器設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等照片和視頻。傳入慕課平臺(tái)，學(xué)生可以靈活安排時(shí)間，反復(fù)學(xué)習(xí)[6-7]。其次，老師在實(shí)驗(yàn)課時(shí)應(yīng)邊操作邊提問(wèn)，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和引導(dǎo)思考性學(xué)習(xí)。調(diào)整學(xué)生分組做實(shí)驗(yàn)，有益于鍛煉團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作能力。此外，課上將額外補(bǔ)充學(xué)習(xí)文獻(xiàn)檢索、數(shù)據(jù)處理、繪圖分析和論文寫(xiě)作等方面內(nèi)容，為學(xué)生畢業(yè)論文和科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 設(shè)置開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

為了增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，學(xué)院設(shè)置開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，給予鍛煉學(xué)習(xí)的空間和時(shí)間[8]。包括合成制備實(shí)驗(yàn)室和分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），讓學(xué)生接觸到更多的材料合成方法和大型儀器。目前，自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具有X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、X射線熒光光譜儀、拉曼、紫外、紅外、研究級(jí)物理吸附儀、同步熱分析等儀器，學(xué)生可在老師的指導(dǎo)下快速完成材料制備和分析表征。此外，學(xué)校積極鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生科研立項(xiàng)和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練等各類項(xiàng)目，提高學(xué)生知識(shí)轉(zhuǎn)化、自主創(chuàng)新的綜合素質(zhì)。

2.4 完善實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制

完善實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制，進(jìn)行隨堂實(shí)驗(yàn)操作考試，并將操作考試情況、慕課線上視頻學(xué)習(xí)、知識(shí)點(diǎn)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告都作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)的一部分。這樣可以更加真實(shí)合理地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)程度。

3 以掃描電鏡實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

研究發(fā)現(xiàn)，人類眼睛能夠分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離為0.1～0.2mm，而生物上使用的光學(xué)顯微鏡的分辨率約為0.2μm。隨著納米材料的興起和發(fā)展，掃描電子顯微鏡成為觀察和表征材料的微觀組織、形貌結(jié)構(gòu)的有力工具，其分辨率可達(dá)0.2nm。掃描電鏡的工作原理是：通過(guò)電子束在樣品表面一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，采集表層所產(chǎn)生的二次電子信號(hào)，獲得試樣形貌襯度的信息。目前，掃描電鏡已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金、地質(zhì)、機(jī)械等科研和工程領(lǐng)域[9]。本文實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中使用自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的日本日立公司SU1510 掃描電子顯微鏡，配套能譜儀X-act。儀器具有體積小、性能高、可變壓力等優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)滿足樣品形貌觀察和微區(qū)成分定性定量分析。

設(shè)計(jì)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)的具體開(kāi)展過(guò)程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，教師通過(guò)慕課平臺(tái)，向?qū)W生介紹各類材料的微觀形貌圖片，生動(dòng)立體，如視覺(jué)盛宴般，打開(kāi)了精彩的微觀世界大門(mén)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。同時(shí)線上提供實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容及儀器設(shè)備相關(guān)視頻資料。學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合書(shū)本理論知識(shí)對(duì)掃描電鏡的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作步驟及注意事項(xiàng)等進(jìn)行詳細(xì)深入的講解。教學(xué)時(shí)可將不同形貌的碳材料（碳球、碳納米管、石墨烯）進(jìn)行觀察對(duì)比，作為演示性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為增加實(shí)驗(yàn)的探索性，準(zhǔn)備未知的待測(cè)樣品（比如不同摩爾比例的C/ZnO復(fù)合材料），要求學(xué)生分組完成樣品研磨、固定、噴金等過(guò)程，并獨(dú)立進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)鍛煉學(xué)生的耐心和動(dòng)手能力。另外，實(shí)驗(yàn)課上穿插提問(wèn)和討論環(huán)節(jié)，有利于集中學(xué)生注意力，培養(yǎng)思考解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束階段，注重?cái)?shù)據(jù)的處理與圖譜分析。學(xué)生根據(jù)掃描圖片描述樣品形貌結(jié)構(gòu)，依據(jù)能譜圖確定微區(qū)的化學(xué)組成，嚴(yán)謹(jǐn)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫(xiě)作。然后，教師通過(guò)多方面考查，給出合理的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

通過(guò)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)及教學(xué)過(guò)程的改革，學(xué)生對(duì)儀器、操作、數(shù)據(jù)分析以及繪圖等方面得到了充分理解掌握，綜合能力增強(qiáng)。學(xué)生參與度高，總體教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量較好。

4 結(jié)語(yǔ)

“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課程的改革順應(yīng)高校課程改革和國(guó)家綠色可持續(xù)的發(fā)展方向，勢(shì)在必行。文中對(duì)“材料分析測(cè)試”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)結(jié)構(gòu)、教學(xué)方式和考核模式等方面進(jìn)行一系列探索式改革。提出優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。采用慕課輔助教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。設(shè)置開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，增加學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科學(xué)研究的熱情。最后考核上強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。以掃描電鏡實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為例，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將繼續(xù)努力，堅(jiān)持“以生為本”，爭(zhēng)取把學(xué)生培養(yǎng)成為綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新和實(shí)踐能力強(qiáng)的全面應(yīng)用型人才。