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精密分析仪器辅助材料学教学浅谈

时间:2022-03-18 08:28:41  浏览次数:

摘 要 材料学是学生接触材料领域、定位未来方向的入门课程,学习和掌握该课程内容意义至关重要。但该课程的专业性较强,学生较难理解,从而降低了学习兴趣。本文结合笔者多年的教学与科研经验,就精密分析仪器辅助材料学教学的优势做一定的分析,为材料专业人才培养提供参考。

关键词 材料学 精密分析仪器 教学管理

中图分类号:G424 文献标识码:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.08.059

Abstract Materialogy is a basic course covering a wide range of materials and applications. So learning and mastering this course is very significant, but most students are difficult to understand and know materialogy due to the complicated and professional knowledge, which stifle interest in learning. This paper summarizes advantage of auxiliary teaching of precise instrument on materialogy based on experiences of author in teaching and research to provide reference for the training of material science.

Key words materialogy; precise instrument; teaching management

材料学是研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间的相互关系的学科,为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据。随着科技的不断发展,材料学研究的对象和内容也不断扩展,其基本分类包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料、复合材料等。在实际生活中,人们往往关心的是材料本身的性能,一种是特征性能,即材料本身固有性质,包括热学性能、力学性能等;另一种是功能性能,指一定条件下功能转化的性质,例如热—电、光—热转化性能。但最终决定材料物理、化学性质的因素,还是材料本身微观结构特征。材料学作为材料专业的基础教学项目,要求学生了解材料的组成与应用、材料的结构与性能等知识。然而,这门课程的许多内容学生只能在书本上掌握相关材料的理论知识,通过简单定义与图片了解材料的微观世界,陌生而复杂的表述与微观结构组织,这对于初次接触材料学的同学是枯燥且乏味的,会在一定程度上影响学生的学习兴趣。

为了促进材料学科发展、提高学校科研条件,很多高校都配备了用于表征材料微观组织的大型精密分析仪器,例如电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、XRD分析设备。随着科技的不断发展,传统精密分析仪器的辅助功能也不断更新,以进一步细致分析了解材料的微观世界,例如电子背散射衍射设备(SEM-EBSD)、电子显微镜能谱(EDS)、电子能量损失谱(EELS)等。通过这些设备表征,我们能够充分了解材料的微观组织结构特征及变化,对微观世界有一个更具体的认识。但目前很多高校的精密分析仪器的使用仅局限于科学研究,而且由于仪器操作复杂、设备管理要求高、教学与科研脱节等多种因素导致无法实现精密分析仪器辅助教学的目的。笔者将立足于多年的教学与科研经验,从科研与教学相结合的角度出发,来思考材料学教学的方法。

1 打破传统教学模式,实现教学与科研相结合

传统的教学往往围绕教学大纲和书本展开,最终沦为枯燥的教学演讲。现代的青年教师一般是教学科研型人才,除了日常的教学,还承担着一些科研项目。在传授理论知识的同时,还应结合自身的研究课题、成果,举例说明各个知识要点,实现理论与科研实践相结合,使学生能够加深对所学知识的理解,了解不同材料的发展状况以及其在航空航天、国防建设、工农业生产、日常生活中的应用,从而扩展学生的思维,培养学生的学习兴趣。

1.1 介绍基础科研成果,激发学生学习兴趣

由于材料学中的概念及定义比较抽象,教师必须将这些抽象的知识与实实在在的材料联系起来。在讲解大量理论内容的同时,应该结合教师的一些基础实验成果,通过多媒体的方式形象、直观地呈现在学生面前,例如金属材料中晶格、位错、孪晶等基本概念。教师应结合自身的实验课题,利用精密分析仪器的操作原理及分析结果讲解材料微观组织结构的组成和变化,以及其对宏观性能的影响,让学生对不同材料的应用范围和其微观组织的基本组成与结构有一个初步的认识,激发学生学习理论知识的兴趣。同时,教师在教学过程中,应该结合目前社会发展中材料领域的热门话题,介绍与材料学相关的比较前沿的材料科学研究,结合最普遍的材料的微观结构与组成,从现在的研究成果分析介绍,如碳纳米材料等。并且教师在课堂上应与学生进行一系列的互动,例如列举实验获得的图片,让学生结合知识点进行比对观察,使学生能够更直观地了解材料学中的知识概念,从而实现有效教学。

1.2 结合精密分析仪器实验观摩,整合知识点

基于教师科研课题项目,让学生观摩分析仪器的试验表征,结合理论知识进行适当的基础实验练习,让学生在实验室完成对课堂知识的总结,使学生的知识点得以整合,拓展其思维。同时,教师对相应的实验结果进行分析讲解,以强化学生对相关知识点的理解与掌握。然后教师可以围绕科研项目中的某个专题开展自由讨论,鼓励学生自己准备材料,发表自己对于相关题目的了解,由此拓展学生思维,培养学生创新意识,同时活跃课堂气氛,提高学生自学能力。通过理论与实践的结合,学生对材料学所讲授的内容有了最大程度的掌握,对自己的学科领域有所了解,对自己未来从事的职业不再迷茫;对于有意向攻读研究生学位、进一步学习的同学,其对感兴趣的研究方向更加明确,报考专业方向时信心也更加坚定。

1.3 教学与科研结合的创新性教学,使学生成为学习的主体

社会在不断地进步,对应届毕业学生的要求也不断提高,知识储备以及动手能力、创新能力自然成为各个企事业单位选择员工的优先条件。然而,学生仅仅在课堂上学到的知识,已经无法适应社会的发展,必须培养他们的应用能力,以解决日后在工作中遇到的问题。教师在教学过程中应注重理论与实践相结合,选择一些与日常生活密切相关的实验项目以激发学生学习的积极性与主动性,做到趣味性与实用性相结合。使学生感受到材料科学实验的实用价值。通过相关的引导教育后,学生对于所学专业有所了解,对教师的研究方向比较感兴趣,可申请加入相应教师的研究课题,而教师也可以通过签署合同的方式约束管理学生在本科学习过程中的科学研究事宜。这样不仅能够协助教师较好地完成科研项目,也可以锻炼学生创新能力,培养学生的动手能力,实现学生良好的知识储备,为即将步入社会做好充足的准备。

2 针对教学管理中遇到的问题,制定章程,完善管理制度

各个学校限制大型精密仪器的使用范围,主要是因为精密分析仪器多为进口,价格昂贵,维护费用高,而且仪器操作复杂,所以一般会培训相应的实验人员进行操作与管理。这大大降低了仪器使用效率,而且不利于教学的开展。针对这些情况,学校应该制定相应的仪器使用维护管理制度,确保仪器最大化地发挥其在教学科研方面的作用。

2.1 学生应不止参观,还要参与

目前各个学校购置的高精分析设备主要服务于科学研究,导致仪器使用率低。国外对于大型精密仪器的管理往往是学生参与大于教师控制,一般对置身于科研项目的研究生或具有浓厚研究兴趣的本科生进行仪器操作培训,让学生亲身参与仪器的运营及维护。同时鼓励学生针对研究项目进行科研创新,使学生的学习方式从被动式教育转为主动式学习,提供学生的个性发展空间。学生对自己的创新性实验,必须先拟定出合理的实验方案,确定实验条件,再利用分析仪器对材料的微观组织进行结构与性能表征。教师针对学生的实验要求,制定规范的仪器使用及维护时间表,划清教学和科研用精密分析仪器的时间范围。学生操作过程中必须要有负责教师或实验室人员在旁辅助,提醒纠正学生的错误操作方式,同时指导学生对获得数据的分析过程。通过对学生一系列的培训,让学生能够熟练操作仪器,并掌握仪器在错误操作下或发生故障时的应急处理方法。

2.2 实施仪器操作责任制,明确学生操作者的“监护人”

放开并不代表放任,实验室还要制定严格的设备管理制度,发现问题要责任落实到位。研究生群体由于学业与科研需求,使用相关设备的频率较大,其作为基于精密分析仪器下优化式教学的优先受益者,导师必须作为实验教学的“监护人”。实验前,教师必须对学生预习情况进行考核,针对学生自己拟定的实验方案提出相关问题,对学生叙述出错的地方和重要的注意事项,教师应进行适当的补充。当学生开始接触操作设备时,导师要起到指导及监督的作用;当学生在实验过程中遇到技术问题,应及时与导师沟通,避免不当操作;当学生不遵守操作规程,误操作导致设备损坏,导师应负有连带责任。对于本科教学来说,课程指导教师或实验室相关设备负责人应充当“监护人”。当学生亲手操作时,指导教师应尽量做到全程指导与监督,对学生提出的问题做出及时解答,使学生在教研结合的课堂上充分消化材料学知识;对学生的错误使用设备方式应及时提醒纠正,防止造成更大的经济损失。

3 总结

传统课堂式的材料学教学已经不能满足现代素质教育的要求。为了提高本科及研究生教学质量,教学与科研相结合的教育模式已经成为现代教育必不可少的手段。通过精密分析仪器辅助材料学教学来加深学生对知识点的认知,从而提高学生的学习能力,让学生掌握学习方法,使学生学会独立分析与解决问题,培养学生的探索能力与创新思维,从而让学生在有限的时间内取得良好的学习效果。

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