余金山 劉東青 斯永敏

摘要：材料分析測試技術(shù)是材料學(xué)科研究領(lǐng)域重要的研究方法和手段，《材料分析測試原理與技術(shù)》課程是材料工程本科專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)員掌握現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域基本的分析與測試方法，對于學(xué)員在今后在材料領(lǐng)域的科研工作具有重要意義。本文從《材料分析測試原理與技術(shù)》課程定位與教學(xué)目標(biāo)制定、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、教學(xué)方法和理念的探討等方面進行了闡述。

關(guān)鍵詞：材料；分析測試技術(shù)；課程目標(biāo)；教學(xué)理念；本科教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0094-02

一、前言

材料科學(xué)研究的基本內(nèi)容為材料的制備與處理工藝、材料的性能測試和材料的組成與結(jié)構(gòu)表征。其中材料的制備與處理工藝是研究如何獲得所需的材料；材料的性能測試是研究材料的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能及相應(yīng)測試表征方法；材料的組成與結(jié)構(gòu)表征是研究材料的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌及相應(yīng)的分析表征方法。材料科學(xué)研究的核心任務(wù)，就是研究材料的工藝、性能、組成結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。材料組成及微觀組織結(jié)構(gòu)對材料性能有巨大的影響，不同化學(xué)元素組成的材料其性質(zhì)和性能不同；而相同化學(xué)組成的材料由于制備工藝（制備、處理）不同而帶來的微觀結(jié)構(gòu)不同，其性能也會有很大不同，所以材料分析測試技術(shù)對研究材料的工藝、性能、組成結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系這個材料科學(xué)的核心任務(wù)具有非常重要的作用。

本課程系統(tǒng)講授材料研究過程中常用的微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌以及微區(qū)化學(xué)成分等方面的分析測試原理與技術(shù)，是材料工程本科專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)員能夠熟悉與掌握光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析以及電子探針、俄歇能譜、光電子能譜等表面微區(qū)成分分析等研究手段的基本原理、基本方法，了解分析儀器構(gòu)造以及在材料研究中所能解決的實際問題，初步具有材料微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌、微區(qū)化學(xué)成分分析的能力，為今后在材料研究與使用過程中正確合理選擇與綜合選用恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ǖ於ɡ碚撆c實踐基礎(chǔ)。

二、課程目標(biāo)定位

1.知識與基本技能學(xué)習(xí)。開設(shè)本課程的目的在于：使學(xué)員掌握材料的光學(xué)顯微分析、X射線衍射分析、電子顯微分析和表面微區(qū)成分分析等各種研究手段的基本原理、基本方法；了解各種分析儀器的基本構(gòu)造；熟悉并掌握上述各種材料分析方法對測試樣品的制作要求，熟悉上述各種材料分析方法在材料研究與使用過程中所能解決的實際問題及其局限性。初步具有材料微觀結(jié)構(gòu)、微觀組織形貌、微區(qū)化學(xué)成分分析的能力。

2.實際動手能力提升。材料各種分析方法的基本概念與原理、基本方法、儀器設(shè)備基本構(gòu)造、樣品制備方法與要求、特點及其應(yīng)用等內(nèi)容的教學(xué)以課堂多媒體教學(xué)為主，結(jié)合一定量的教學(xué)實驗及課后作業(yè)，使學(xué)員全面理解與掌握本課程知識，并能夠做到融會貫通。

課堂教學(xué)以學(xué)員為主體，使用啟發(fā)式教學(xué)。實驗教學(xué)要求學(xué)員親身參與、親自動手，以提高分析解決實際問題的能力。

3.創(chuàng)新能力培養(yǎng)。首先，要使學(xué)員充分認(rèn)識“材料分析測試原理與技術(shù)”在本專業(yè)乃至材料研究及使用過程中的重要地位，從而能夠積極主動進行學(xué)習(xí)。課堂教學(xué)過程中除課程內(nèi)容學(xué)習(xí)外，注重學(xué)員學(xué)習(xí)能力、分析問題能力的培養(yǎng)，做到既教書又育人；在教授學(xué)員課程知識的過程中，結(jié)合課程中涉及的材料各種分析方法的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及發(fā)展的歷程，注重對學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。使學(xué)員素質(zhì)和能力得到全面提高。

三、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

材料分析從測試技術(shù)涵蓋的內(nèi)容非常方法，包括材料的微觀形貌觀察、微觀結(jié)構(gòu)表征和化學(xué)成分測定。自然科學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)展了多種技術(shù)手段來實現(xiàn)以上測試內(nèi)容。作為一門本科生的課程不可能把所有的材料分析測試技術(shù)與方法全部覆蓋，一般只能根據(jù)本校材料學(xué)科的特色進行取舍。根據(jù)國防科技大學(xué)材料學(xué)科的特點，本課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾個方面。

1.光學(xué)顯微分析技術(shù)。掌握光學(xué)顯微鏡的成像原理及樣品要求；掌握光學(xué)顯微鏡樣品的制備技術(shù)；掌握體視學(xué)基礎(chǔ)及圖像定量分析；理解光學(xué)顯微鏡的物性參數(shù)；理解顯微硬度測定原理及方法；了解相襯顯微鏡、偏光顯微鏡、微分干涉顯微鏡及共聚焦顯微鏡基本原理、構(gòu)造及應(yīng)用。

2.X射線衍射分析。掌握晶體衍射的基本原理；掌握X射線衍射定性相分析和定量相分析基本原理；掌握晶體點陣類型和立方晶系點陣常數(shù)的確定及衍射指數(shù)的標(biāo)定方法；理解晶體倒易點陣的概念；理解X射線粉末衍射實驗技術(shù)；了解X射線的產(chǎn)生及其與物質(zhì)的相互作用；了解X射線衍射線性形分析和材料宏觀應(yīng)力分析。

3.電子顯微分析。掌握晶體電子衍射原理；熟悉電子與物質(zhì)的交互作用區(qū)及其所產(chǎn)生的物理信號；理解電子與物質(zhì)的交互作用和材料分析的關(guān)系；理解電子光學(xué)基礎(chǔ)；理解透射電鏡的結(jié)構(gòu)與成像原理；熟悉透射電鏡的物性參數(shù)；熟悉透射電鏡樣品的制備技術(shù)；了解透射電子顯微分析技術(shù)在物質(zhì)和材料研究中的應(yīng)用；理解掃描電子顯微鏡工作原理與結(jié)構(gòu)；熟悉掃描電子顯微分析的性能特點；了解掃描電子顯微分析在物質(zhì)與材料研究中的應(yīng)用。

4.材料表面的微區(qū)成分分析技術(shù)。掌握電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜定性和定量分析的方法和析譜方法；理解電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜的工作原理；熟悉設(shè)備構(gòu)造與技術(shù)特點；了解誤差來源及分析精度；了解電子探針、俄歇電子能譜和X射線光電子能譜分析在物質(zhì)與材料研究中的應(yīng)用。

5.波譜分析技術(shù)。掌握紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜測試技術(shù)；理解紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜的基本原理；了解紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜分析技術(shù)在物質(zhì)與材料研究中的應(yīng)用。

材料分析測試技術(shù)是一門實踐性很強的課程，所以，除了以上的理論學(xué)習(xí)內(nèi)容以外，還安排了豐富的實驗課程內(nèi)容。具體包括：光學(xué)顯微鏡的操作與使用、顯微圖像定量分析、X射線衍射儀的操作與使用、X射線衍射定性物相分析、掃描電鏡與透射電鏡的操作與使用演示、紅外光譜實驗等。

三、課程基本理念

將課堂教學(xué)、討論、實驗教學(xué)以及課后作業(yè)等教學(xué)環(huán)節(jié)有機結(jié)合在一起，以學(xué)員為主體，注重啟發(fā)式教學(xué)。課堂教學(xué)注重各種材料微觀結(jié)構(gòu)、微觀形貌及微區(qū)成分等分析方法的基本原理與技術(shù)的學(xué)習(xí)與掌握；實驗教學(xué)環(huán)節(jié)強調(diào)學(xué)員積極參與，注重學(xué)員材料各分析方法的基本實驗技能的訓(xùn)練；討論及課后作業(yè)注重學(xué)員綜合分析與解決實際問題能力的培養(yǎng)。使學(xué)員材料分析測試方面的素質(zhì)和能力得到全面提高。

四、課程設(shè)計思路

本課程教學(xué)由課堂教學(xué)、實驗教學(xué)兩大部分組成。課堂教學(xué)分為三方面內(nèi)容：材料的晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析方法、材料微觀組織形貌的顯微分析方法及材料微區(qū)成分分析方法。主要介紹各種分析方法的基本概念與原理、基本方法、儀器設(shè)備基本構(gòu)造、樣品制備方法與要求、特點及其在材料研究及使用過程中的應(yīng)用等。結(jié)合課后作業(yè)，使學(xué)員能夠?qū)Ρ菊n程知識融會貫通。實驗教學(xué)設(shè)置了分析儀器構(gòu)造與操作認(rèn)知、樣品制備以及測試數(shù)據(jù)分析等多個環(huán)節(jié)。分組進行，培養(yǎng)學(xué)員動手能力和獨立分析解決問題的能力。

五、結(jié)束語

據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)以來，獲得諾貝爾獎的科研成果中，有一半以上與科學(xué)儀器和實驗技術(shù)、實驗方法和創(chuàng)新有關(guān)，或者直接應(yīng)用了最近的科學(xué)儀器和實驗技術(shù)。材料分析測試技術(shù)的發(fā)展對整個材料科學(xué)的推動作用是毋庸置疑的。作為材料工程專業(yè)本科學(xué)員，掌握通用的材料分析測試技術(shù)是今后從事工作和研究所必須的。本文對該課程教學(xué)目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置以及教學(xué)理念進行了探討。

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The Discussion of Undergraduate Education Course "The Principles and Technique of Microstructure Analysis in Materials"

YU Jin-shan， LIU Dong-qing， SI Yong-min

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract：The technique for materials testing and analysis is an important approach in materials research. "The Principles and Technique of Microstructure Analysis in Materials" is a fundamentally required undergraduate education course for materials science and engineering. In this paper，the establishing of course objectives，selection of course content and investigation of educational concept of this course are discussed.

Key words：Microstructure Analysis；course objectives；educational concept；undergraduate education