少学时《无机材料研究方法》课程教学的思考与探索

材料是社会文明进步的一个重要标志, 也是当今各个国家和地区发展基础工业与开发新技术、新行业的源泉和动力。新材料的研制离不开材料的设计, 而材料的组成、结构、性能又是材料设计的三大要素。材料的相关研究方法作为对材料设计几大要素进行综合评价的重要媒介和手段, 也随着材料设计和加工水平的提高而得到了长足的发展。我校材料科学与工程学院针对无机非金属材料工程专业四年级本科毕业生开设了一门少学时的《无机材料研究方法》专业必修课程, 旨在为学生的毕业论文研究工作以及将来从事无机非金属材料的分析与测试等相关工作奠定基础。但是《无机材料研究方法》涉及的相关知识面和内容非常宽广, 如何利用有限的时间让学生对无机材料的研究方法有一个系统而深入的认识和理解, 需要对整个课程的教学内容和教学方法进行探索与研究, 以期获得较好的教学效果。

1《无机材料研究方法》课程的特点

1.1 需要学生具备坚实的物理、化学基础知识及较好的材料科学基础知识

《无机材料研究方法》涉及到无机非金属材料的光学显微分析、电子显微分析、X-射线衍射分析、热分析、光谱分析、色谱分析等研究方法, 而这些研究方法与晶体学、电学、光学、磁学、声学等物理知识以及普通化学、物理化学和结构化学等化学学科基础知识密切相关。因此, 需要学生在进行《无机材料研究方法》课程学习之前, 有一个系统的物理、化学基础类课程的学习过程。此外, 还需要学生对无机非金属材料 (包括玻璃、水泥、陶瓷等) 的组成、微结构有一个比较全面的认识, 这样学生才能对《无机材料研究方法》中讲述的分析手段的原理和用途有一个比较准确到位的把握和理解, 因而也需要学生有一段系统学习无机非金属材料专业课程 (包括结晶学与岩相学、无机非金属材料物理性能、无机材料工学等) 的经历。

1.2 需要学生有较强的思维能力和动手能力

《无机材料研究方法》除了对研究手段的原理等知识讲解之外, 同时还需要对所使用的分析设备的结构以及相关工作原理有一个全方位的了解。而很多分析设备的信号传递与处理的过程中存在许多种物理效应转换 (包括光电、声光、声电、热电等) , 同时各种信号的传递路径也纷繁复杂, 因而需要学生具有较强的空间思维以及多学科交叉思维能力, 对知识点能够快速捕获和消化吸收。此外, 在《无机材料研究方法》课程中还开设了一部分课堂实验等实践教学环节, 由于有些分析手段 (如透射电镜分析) 对样品的制作有很高的要求, 同时一些大型分析设备的操作需要细心和精准, 因而需要学生在参与实践教学活动的过程中具有较好的动手能力以及沉着冷静、处变不惊的处事态度。

1.3 为本科生毕业论文研究工作打下坚实的基础

无机非金属材料工程专业毕业生的本科毕业论文课题往往涉及到新材料的研究与开发, 而所制备的新材料需要对其组成、微结构、相变以及性能等进行表征和评价, 《无机材料研究方法》课程的学习刚好满足了学生的论文研究工作的需要, 好的研究方法和手段对论文的研究工作进展、材料制备工艺的优化以及论文的完成质量有着至关重要的影响。

2 少学时带来的弊端及对课程教学造成的影响

由于《无机材料研究方法》涉及的知识面非常宽广、研究手段种类繁多, 要想让学生掌握比较全面和系统的无机非金属材料的各种研究方法, 必须设置足量的学时才能让学生对课程内容的掌握达到广博和精深的程度。我校为无机非金属材料工程专业设置的《无机材料研究方法》课程只有区区3 6学时, 其中还包括8学时的实践教学环节, 事实上只有2 8学时进行课堂讲授。由于学时数过于偏少, 造成了学生对各种研究方法的理解非常肤浅和片面, 同时教师对课程内容的讲解也囿于学时的限制而不能深入和具体, 所以很难达到预期的教学效果。特别是学生在进行毕业论文研究工作时不能很好地选择适合于课题的研究方法, 同时对所获得的检测结果不能进行深入和细致的分析, 往往会错过一些论文研究工作中的“闪光点”。

3 少学时《无机材料研究方法》课程教学的探索

3.1 教学内容的精炼与整合

《无机材料研究方法》涵盖的研究手段众多, 同时又局限于学时数的偏少, 因而课程教学内容的精炼和整合必不可少。由于很多研究手段在实际研究工作中应用较少, 同时考虑到本科生毕业论文研究工作中经常使用的一些研究手段, 因而在少学时《无机材料研究方法》中主要讲述无机非金属材料的显微组织形貌分析、微区成分分析、相结构分析、化学键的振动转动特征以及受热过程中的相关行为等的表征方法和手段, 主要涉及的内容包括光学显微分析、扫描电子显微分析、透射电子显微分析、X射线衍射分析、红外光吸收谱以及热分析等几个方面。其中扫描电子显微分析主要介绍扫描电镜的工作原理及工作方式、样品的制作以及能量分散谱仪等常用附件的工作原理;透射电子显微分析主要介绍透射电镜的工作原理及工作方式、样品的制作、选取电子衍射;X射线衍射主要介绍X射线衍射仪的工作原理及工作方式、布拉格方程以及物相定性和定量分析;热分析主要介绍应用常用的热重分析、差热分析和差式量热扫描分析;红外吸收光谱主要介绍原理以及简单分子的光谱特征。由于经过上述教学内容的精炼和整合, 学生在学习的过程中游刃有余, 而教师的讲解在少学时的限制下也能得心应手, 同时学生在今后的研究工作中所涉及的常用研究手段几乎都已覆盖, 所以教学过程不是面面俱到, 而是做到了重点突出, 起到了很好的教学效果。

3.2 采取案例式、启发式教学方式讲解各种研究手段的综合运用

由于《无机材料研究方法》课程中讲述的各种研究方法特点鲜明, 所以对于本课程的初学者来说, 似乎这些分析手段都是孤立和毫无联系的。事实上, 新材料的研究与开发是一个系统地运用各种研究手段为研究工作服务的过程, 各种研究方法和手段构成了一个有机的整体。为了加深学生对知识的掌握以及帮助学生构建研究方法的有机整体观, 专门在课堂教学环节设置了综合运用各种研究手段的案例式教学过程。例如, 笔者积累了一定的铟锡氧化物 (I T O) 靶材的研制经验, 所以在实际教学的过程中, 就将自身的科研成果转化为教学内容, 一步一步讲解如何在ITO靶材的研制过程中利用何种分析手段进行结构、成分等的分析, 如何综合利用几种分析手段对其某个性能点进行评价和解析, 同时还要设置一些疑问和悬疑点启发学生的兴趣和启迪学生的思维。因而, 经过具体的综合运用了各种研究手段的案例讲解, 让学生对各种分析手段的运用有了更加深刻的印象。根据学院的调查结果, 表明在《无机材料研究方法》课程中开展了案例式教学后, 学生在毕业论文的研究工作中对各种研究方法和手段的运用更加准确和恰当。

3.3 充分发挥多媒体课件的作用

由于《无机材料研究方法》课程的讲解涉及到各种原理和设备结构的讲解, 而许多大型精密分析设备即使在实验教学过程中也不能拆解, 如果不能结合一些现代的教育手段, 会对学生理解知识点造成一定的障碍。因而在《无机材料研究方法》的教学过程中, 通过多方收集各种设备的结构图、工作原理的相关动画以及实际操作的演示视频片段等资料, 让老师的讲解不再是“纸上谈兵”, 让学生在生动、形象的画面以及轻松的气氛下学习和掌握知识, 起到了事半功倍的效果。

4 结语

《无机材料研究方法》作为一门针对无机非金属材料工程专业四年级本科毕业生开设的一门专业必修课, 为本科生毕业论文的研究工作打下了坚实的基础。而囿于学时的偏少, 学生的理解以及教师的讲解均出现困难。通过对教学内容的精炼及整合, 采用案例式教学以及现代多媒体教育手段, 让学生对各种研究手段有了一个有机整体观的思想, 同时在新材料研究与开发过程中对各种研究方法和手段的运用更加得心应手。

摘要：本文针对《无机材料研究方法》课程的特点以及少学时的限制对课程教学造成的影响等方面进行了思考和总结, 并在少学时《无机材料研究方法》课程教学的过程中精炼教学内容、采取案例式教学方式以及结合现代教育手段, 起到了很好的教学效果, 并且为本科生毕业论文研究工作打下了良好的基础。

关键词：少学时,研究方法,教学,探索