[出处] 教育教学论坛_2021年第44期

[关键词] 微观分析测试方法;课程教学;教学改革

[作者简介] 张景怀（1981—），男，河北吴桥人，博士，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院副教授，博士生导师（通信作者），主要从事新型镁合金材料研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）44-0062-05    [收稿日期] 2021-07-21

一、引言

新材料是决定国家高端制造及国防安全的关键因素，已成为国际竞争的重点领域。目前，新材料及相关技术已渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，支撑着高新技术产业的发展。因此，更高性能的结构材料和功能材料是材料工作者追寻的不变目标。材料微观结构决定其宏观性能是自然界的永恒规律，通过控制材料的微观结构可获得满足性能要求的新材料。为了研究开发新材料，须在不同微观层次（微米至原子级）观测和分析材料在制备、加工及服役条件下微结构和微区成分的变化，揭示材料成分—工艺—微结构—性能之间的关系，建立、丰富和发展材料科学基本理论。可见，材料微观分析在新材料研究中至关重要，是现代材料研究中必不可少的一个环节。目前，材料分析测试技术已应用到材料、冶金、固体化学、固体物理、机械、生物医学、电子信息、地质矿物等多个科学领域。材料微观分析测试方法类课程是材料、冶金学科本科生和研究生的必修课程，也是其他相关学科学生的专业选修课。科学技术的快速发展对材料分析手段不断提出新要求，也促进了新分析方法的不断出现。因此，材料微观分析测试方法这类课程的教材建设、教学内容和方式要与时俱进，不断革新。另外，在全面深化教育改革环境下，为践行“立德树人”教学理念，须把思想政治教育有机融入材料微观分析测试方法课程的教学全过程，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一，促进学生全面发展，充分发挥教书育人的作用。因此，从课程思政角度看，材料微观分析测试方法这门课程也需要深化课程目标、内容、结构、模式等方面的改革。本文作者近年来承担材料微观分析测试方法课程的教学，在教学实践中总结出一些经验，有了一些体会，希望有助于该类课程教学质量的提高。

二、课程概况和教学目标

材料微观分析测试方法类课程的主要内容是讲述材料研究中用到的各种分析测试方法，包括X射线衍射分析（XRD）、透射電子显微分析（TEM）、扫描电子显微分析（SEM）、电子探针分析（MPMA）、扫描隧道显微分析（STM）、原子力显微分析（AFM）、原子探针层析（APT）、X射线光电子能谱分析（XPS）、热分析（TG、DTA、DSC、DMA）、红外光谱（FT-IR）、紫外-可见光吸收光谱（UV-VIS）、核磁共振谱（NMR）、质谱（MS）等的基本原理、检测过程与测试结果解析方法和典型应用。不同高校的该类课程具体内容略有不同，其中X射线衍射分析、透射电子显微分析和扫描电子显微分析是其中核心内容。课程学习预期达到如下目标：第一，熟练掌握现代测试仪器的构造、工作原理及实验方法，具有进行材料组织和结构分析的能力;第二，能够根据科研和工程实际问题，合理选择现代分析测试设备用于材料的微结构和性能分析，并据此提出实际问题的解决方案;第三，了解现代分析测试方法的发展趋势，不断追踪材料分析测试领域的技术发展，能够在科研和工程实践中不断学习，并利用现代分析测试手段的新成果。

该类课程的主要特点是：涉及内容面广且杂，知识点众多，因为如上所述，材料分析测试仪器繁多，每一种仪器的工作原理、操作过程、数据解析方法和适用范围都不相同;课程理论性较强，需要学生具有材料物理化学、晶体学、光学、高等数学、量子力学、电磁学等知识储备。同时，该类课程应用性非常强，要培养学生能够正确运用材料微观分析测试的技术和方法，为今后开展有关科学研究奠定坚实的基础。

三、课程教学中存在的一些问题

（一）课程设置问题

材料微观分析测试方法类课程可涉及十余种仪器的表征技术，不同仪器的分析测试原理和数据解析方法各不相同。同时，这类课程学科交叉性强，且兼具理论性和实践性。由于专业课受学时限制，很多高校把课程设置在32～48学时。教师在有限学时内很难同时兼顾各种分析方法原理和应用的深入讲解，学生在有限时间内不易系统掌握各种材料微观表征技术和方法。因此，如何平衡教学深度和广度是该类课程教师面临的一个难题。

（二）教学内容和教材问题

随着近年科学技术的飞速发展，材料分析测试仪器和技术快速更新换代，一些新兴表征技术不断涌现，很多教材和教学内容没有及时更新，课程内容前沿性不够。教材中的一些落后型号仪器设备现在已逐渐被淘汰，很少使用，新型号仪器操作方法及数据处理方式已有了很大改变。一些已应用较少的过时技术和方法，如X射线衍射中的劳埃法、周转晶体法、德拜相机、物相手工检索以及透射电镜样品制备中的复型法等仍然存在于教材和教学内容中，陈旧内容的存在必然挤占有限的课时。而一些新兴高效的技术和方法，如同步辐射高能X射线衍射技术、扫描透射电子显微技术、原位透射电子显微技术、聚焦离子束法等却并没有涉及，所学知识不足以支持学生今后的科研工作，不利于材料专业新型高素质人才的培养。

（三）实践条件问题

材料微观分析测试方法是一门实践性很强的课程，每种表征手段对应一种先进设备，且大部分是大型贵重的精密仪器，各类仪器数量很有限（有些可能仅有一台或没有）。因此，任何高校在教学实践时都不可能做到人手一台实践操作。例如，最新的透射电子显微镜，通过安装球差矫正器可有效矫正磁透镜的球差，从而使电镜的空间分辨率提高到亚埃级（原子级），可为材料宏观性能的微观机制建立提供有力的直接证据，有助于解决目前材料领域存在的“卡脖子”问题。但装配球差矫正器的透射电子显微镜非常昂贵，需要专业人员操作和维护，且不是所有高校都有配置，学生一般没有机会直接接触到此类电镜。

（四）学习兴趣和教学效果问题

该课程为交叉学科，涉及仪器原理多，某些概念抽象，知识点多而分散。传统的教学方式为PPT课件和板书讲授，难以形象反映仪器的工作和测试原理以及具体操作过程，学生完全是被动接受知识。这种“填鸭式”教育方式使得课程较为枯燥和抽象，造成学生不易理解，学习积极性不高，多以应付作业和考试为主，在以后的实际科研中不能够合理应用具体表征技术解决具体的材料相关科学问题。另外，高等教育的目的是培养德才兼备、全面发展的人才。因此，除了培养学生的专业技能，立德树人更是高等教育的根本任务和时代使命。以往的课程教学完全是传授专业知识，忽略了专业课程在思想政治教育中发挥的重要作用。

四、课程教学改革的措施与实践

（一）教学专业内容优化

材料多种多样，根据材料的特性，可以分为结构材料和功能材料;根据组成结构可以分为金属、无机非金属、有机、高分子材料和各种复合材料;根据其功用又可分为航空航天材料、轨道交通材料、建筑材料、生物材料等。同为材料科学与工程专业，不同高校的侧重差别很大。不同材料根据其特征，需要的表征技术不尽相同。因此，材料微观分析测试类课程内容可以根据本学校学院的人才培养目标和专业特色进行精简，参考公开教材编写适合自己的教材，重点介绍其中部分仪器和分析方法。尤其是对于研究生的培养，可以根据本学院研究团队对材料的研究特点，着重讲授学生在后续科研实验中真正能够用到的仪器和表征方法，使学生能够学以致用，有助于提高学院研究生的培养质量和科研水平。

授课教师应积极关注当前先进仪器和表征方法进展，重点参考最新出版的教材，及时更新陈旧的专业内容，拓展最新分析测试方法，使学生紧跟分析测试专业领域前沿[1]。例如，位错在教材中多以文字和示意圖来描述，比较抽象，很不直观，即便课件或科技论文中位错的透射电镜衍衬像和高分辨像照片也是静态显示，无法直接观察位错如何运动（变形机制）以及位错运动中如何受阻（强化机制），而最新的原位透射电子显微学（in-situ TEM）可直接在纳米/原子级层次实时观察和记录样品在外力作用下的微观结构演化过程，包括位错运动过程。这种位错运动的直接观察能够使科研工作者更好地理解相关机理，有助于在基础理论方面取得突破性成果，从而指导下一代高性能新材料的设计。这要求授课教师本身具备良好材料和分析表征的科研能力和水平，以科研促进和提升教学，通过精心备课，传授学生最新、最实用的材料分析测试专业知识。

（二）思想政治教育元素融入专业教学

教育部于2020年印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，提出结合专业特点分类推进课程思政建设。对于理工类专业课程，要把马克思主义立场观点教育与科学精神培养结合，提高学生正确认识、分析和解决问题的能力。理学类专业课程，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感;工学类专业课程，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[2]。每门专业课都有各自的知识体系和特点，要努力实现专业知识点与思想政治教育元素的有机融合。授课时，思想政治教育内容不影响专业课程的知识体系和逻辑关系，使学生在不知不觉地受到思想政治教育，从而培养德才兼备的新时代人才。在材料微观分析测试方法类课程中，可考虑以下切入点进行思想政治教育教学设计。

1.培养探索未知、追求真理的精神。兴趣是学习的动力，在材料微观分析测试方法类课程的第一次课绪论中，教师要培养学生探索未知和追求真理的兴趣，对科学研究尤其是电子微观世界的专注和热情，使学生体会微观分析测试在科学研究中的重要性，期望青年学生揭示更多的物质微观奥秘。随着现代科技的不断进步，人类对宇宙的探索不断向更宏观和更微观的两极发展[3]。为什么执着于“看”清越来越小的微观世界？一方面，进入微观世界能够从本质上更好地理解宏观世界;另一方面，材料微观结构决定宏观性能。“纳米科技”已充分表明，物质结构变化会带来性质的显著变化。研究“纳米”的重要工具就是显微镜。光学显微镜的发明打开了人类通往微观世界的大门，对微观未知的兴趣使研究人员执着于显微镜分辨率的突破。以电子显微镜成功研制为代表，人类进入纳米世界，目前球差矫正透射电子显微镜（也包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）已可实现原子级分辨率。人类利用显微镜观察微观世界的能力不断提高并将一直持续，这得益于科研人员在基础理论研究领域的不断突破和技术人员对制造工艺的精益求精。显微技术对科技发展和社会进步起到巨大的推动作用，得到了全球科技界的广泛承认。1986年，透射电子显微镜的发明者和扫描隧道显微镜的发明者获得诺贝尔物理学奖;2014年，超分辨率荧光显微镜发明者获得诺贝尔化学奖;2017年，冷冻电镜技术获得诺贝尔化学奖;电子衍射助力准晶的发现获得2011年诺贝尔化学奖。

2.感悟科技报国情怀，弘扬爱国奋斗精神。科学无国界，但科学家有祖国，人才是一个国家最宝贵的财富。学生可以出国深造，但学成之后要回报祖国。在教学中，教师要结合专业知识点融入典型案例，把科技报国情怀和科技强国观念融入学习过程。（1）X射线中的故事。通过讲解康-吴效应及物理学家吴有训（中国科学院院士，物理学家、教育家，中国物理学研究的“开山祖师”）的生平和成就，明确我国科学家的贡献，使学生了解我国科学家在世界物理研究中的地位，激发学生的爱国主义情怀，为祖国的科技发展贡献力量。（2）在讲解透射电子显微镜研制的理论基础、透射电子显微镜的发展和透射电子显微学的发展过程中，教师可以介绍当前透射电子显微镜的型号、性能及其最新发展，通过对比我国电子显微镜的现状与国际发达国家电子显微镜现状，使学生体会专业发展的紧迫感，激发学生科研报国的热情;同时，介绍学校从之前仅有两台普通电镜到目前建成哈尔滨工程大学分析测试中心，拥有包括新型扫描电镜和扫描透射电镜在内的多种类先进仪器设备，反映了党和国家对科技人才培养的高度重视，由此激发学生的爱国情怀、制度自信以及专业责任感和使命感。（3）在介绍透射电子显微学应用时，结合我国科学家在此方面的杰出贡献，让学生感悟科技报国情怀，弘扬爱国奋斗精神。例如，郭可信院士和叶恒强院士是我国著名的晶体学和电子显微学专家，他们利用高超的透射电子显微技术和专业知识，与国外学者（以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼，2011年诺奖得主）同时独立地发现晶体（后来命名为准晶）块体中存在传统晶体学不允许的五次对称性。“准晶”动摇了晶体周期性的规律，拓展了对物质基本结构的认识。郭院士和叶院士为我国的“准晶”研究追赶甚至超越国际先进水平做出巨大贡献。

3.培养严谨求真的科学精神和精益求精的工匠精神。很多材料的结构在微观上具有不均匀性，这时进行扫描电镜或透射电镜微观表征，要告诫学生实事求是，选取具有代表性的微观区域进行图像保存，在发表论文或做报告时呈现给其他学者真实情况，强调科学严谨的态度，有意识地引导学生的学术诚信思维。在利用SEM模式下的EDS進行元素点分析时，仪器给出的元素定性和定量结果不一定与分析对象的元素组成完全相符。如果分析对象为亚微米或纳米级物相，由于特征X射线激发体积原因（SEM模式下，EDS空间分辨率是微米级），这时仪器给出的分析结果与真实情况会有较大偏差，需要提高自己判断的准确性和可靠性。若想得到更可靠的精确数据，要进行TEM模式下的EDS分析。在利用电子衍射进行物相晶体结构分析时，一幅衍射图确定未知物质的三维结构具有不可靠性，一幅衍射图只能反映一个二维倒易平面阵点的排列。如果想通过电子衍射图的分析标定来确定未知物质的晶体结构，必须利用系列倾转技术，获得几幅不同晶带的电子衍射图并进行正确分析，才能得到真正可信的结论。

4.培养具体问题具体分析的专业能力和职业素养。每一种表征技术都有其独特优势，也有其相对弱点，即一定的使用范围和局限性。在材料测试表征中，须根据具体研究内容，选择合适的技术和方法进行研究。扫描电镜、透射电镜都可进行微观形貌观察，对于断口表面观察须利用扫描电镜，对于纳米级物相或晶体缺陷（例如位错）观察须使用透射电镜，而对于微米级物相观察，扫描电镜和透射电镜都能胜任。如果考虑工作效率和样品制备的难易程度，优选扫描电镜;X射线能谱仪和X射线波谱仪都可以进行化学成分分析，在要求不高时可采用X射线能谱仪进行分析，因为能谱仪分析效率高，在对测试结果要求较高时须利用X射线波谱仪，因为波谱仪虽然工作效率低，但测试精度和能量分辨率高。上述讲解内容充分体现学生在分析测试科研中要具备具体问题具体分析的专业能力和职业素养。

（三）授课方式和方法的改革

1.采用科研案例研讨式教学。教学科研型大学教师兼具教学和科研的双重身份，高水平的科研工作可有效促进教学质量。材料微观表征是材料相关领域科学研究过程中必不可少的重要技术和方法，将教师自身的科研课题及成果引入教学，将枯燥的知识讲解变得生动有趣，启发学生在科研课题研究中如何正确运用分析测试方法进行微观组织结构分析，并切身体会分析测试方法在科研中的重要性。教师分享自身科研经验和科学思维，也有利于激发学生的学习兴趣和科研兴趣。本文作者长期从事镁合金微观结构调控及其对合金性能的影响研究，在科研过程中积累了大量的微观分析测试经验，发表多篇科研论文。在这些成果中，微观表征对成果的创新性起到至关重要的作用。例如，将作者发表在《自然通讯》上的研究论文《设计兼具高强和高成形性的新型镁合金板材》[4]引入教学。合金的高强度机理主要有什么？微米和纳米相强化。怎么证明微纳米相强化？需要光学显微镜/扫描电镜针对微米相和透射电镜针对纳米相的观察分析。物相如何确定？需要X射线衍射、电子衍射和X射线能谱/波谱综合分析。合金高成形性的主要原因有什么？基面织构弱化。如果证明织构弱化？需要做基面极图分析。如何做基面极图？可以利用X射线衍射法和电子背散射衍射法。织构弱化是由如何造成的？可能跟晶界元素偏聚有关。如何证明是否发生了元素偏聚？可以利用透射电镜下的X射线能谱分析和原子探针分析。以上科研案例的研讨式教学，既生动了课堂，提高了学生的注意力，也有助于培养学生正确应用分析测试方法的能力和科学实验思维。

2.翻转课堂教学。翻转课堂教学可以提高学生的学习主动性、参与度和解决问题能力[5]。翻转课堂的有效实施要基于小班化教学，这样可保证教师与每个学生之间都有充分的交流和互动。针对某一测试方法，要求学生课外查阅文献，选取经典文献，研究这种测试方法的适应范围、图像数据描述和结果分析讨论，并归纳其中的重要收获和存疑问题，然后在课上进行讲解报告，并与其他学生对报告内容进行讨论和提问互动，教师最后对其中的疑点和难点进行归纳和解答。对这种在主动质疑中学会的知识，学生的记忆和理解都会很深刻。同时，也鼓励学生将科研课题（如大学生创新创业项目）中的材料分析测试数据做成演讲报告，在课上与教师和同学进行研讨。

3.建立课程学习网站。建立课程学习网站，上传材料分析测试相关的动画、视频等，构建教师和学生的线上交流系统，可辅助学生学习，作为课堂和实践教学的有效补充，帮助学生更全面地学习和理解知识内容。例如，录制大型贵重分析测试仪器（例如球差矫正透射电镜）演示操作视频并上传至网站，使学生能够直观地反复学习仪器结构、工作原理、操作流程和数据图像处理、保存及分析，对于学生无法直接实践操作的大型贵重仪器的学习不失为一种次优办法，弥补实践教学条件的不足。课程学习网站应设有多个板块，如在线资源板块、在线讨论板块等，使学生能够课下在线自主学习，且与学生和教师随时交流讨论，提高学生学习的主动性和积极性。

五、结语

随着新技术的涌现和社会的发展，高校材料微观分析测试方法类课程必将不断面临新挑战。通过教学内容、教学方法等方面的改革和实践，可有效提高材料微观分析测试方法类课程的教学效果，培养学生材料研究中的分析测试专业能力和素质;同时，以材料微观分析测试方法课程作为载体，将思想政治教育融入专业教学过程，实现知识传授与价值引领的协同进行，为党和国家培养全面发展的社会主义合格建设者和可靠接班人做出贡献。