黃 帥 楊 琳 霍德璇

（杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院 浙江·杭州 310018）

0 引言

我國(guó)是最先發(fā)現(xiàn)磁性現(xiàn)象和使用磁性材料的國(guó)家，早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就有關(guān)于天然磁性材料的記載。磁性材料指的是能對(duì)外加磁場(chǎng)做出反應(yīng)的一類(lèi)材料，這類(lèi)材料目前在生產(chǎn)、生活、國(guó)防等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。例如，磁性材料可以用于制造變壓器的鐵芯、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、耳機(jī)發(fā)聲單元以及電磁炮等軍用武器。鑒于磁性材料在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用，因此有必要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)磁性材料的制備和表征的了解。本系結(jié)合自身在磁性材料制備方面的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)設(shè)了此門(mén)課程作為本科實(shí)踐必修課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可使大學(xué)生系統(tǒng)掌握磁性材料制備實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，熟悉磁性材料常用的表征方法，培養(yǎng)與提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。整個(gè)課程分為兩大部分，第一部分主要講授磁性材料的制備工藝，通過(guò)本部分的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握三種實(shí)驗(yàn)室常用的磁性材料制備方法；第二部分主要講授磁性材料的表征手段，這部分以第一部分制備的樣品為實(shí)驗(yàn)材料，學(xué)生可以結(jié)合前期的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性的分析，同時(shí)也可以檢驗(yàn)前期制備樣品的品質(zhì)。需要指出的是，任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)中都能被磁化，只是磁化的程度不同。因此，在本課程的教學(xué)內(nèi)容中，分別選取了三類(lèi)典型的應(yīng)用廣泛的磁性材料，包括鐵磁性的氧化鐵、亞鐵磁性的鐵氧體、反鐵磁性的氧化鎳。其制備工藝，選擇了實(shí)驗(yàn)室里比較容易獲得的制備手段，包括化學(xué)共沉淀法、低溫固相反應(yīng)法、高溫固相反應(yīng)法。為了對(duì)所制備的樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌及物性的表征，我們對(duì)所合成的樣品分別進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射、掃描電子顯微分析和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量。

經(jīng)過(guò)3年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，雖然原有的教學(xué)思路和授課計(jì)劃能夠幫助學(xué)生較好的掌握相關(guān)的原理及技術(shù)，但也存在較多的不足之處。首先，在材料制備過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間的研磨及煅燒樣品，教學(xué)所用表征設(shè)備臺(tái)數(shù)較少，導(dǎo)致4個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)很難完成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)流程。其次，某些材料往往可以通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段獲得，在課堂教學(xué)時(shí)為了保障實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，僅能介紹一種實(shí)驗(yàn)方法讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法發(fā)散思維，同時(shí)也無(wú)法對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)樣品性質(zhì)的影響。再次，我們的實(shí)驗(yàn)意圖之一是為科研服務(wù)，而制備的樣品往往屬于當(dāng)前已經(jīng)經(jīng)過(guò)廣泛研究的材料，這導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容所涉及的知識(shí)點(diǎn)較為陳舊，學(xué)生無(wú)法接觸到科技前沿領(lǐng)域。最后，由于學(xué)生缺乏思考，學(xué)完本課程后也僅僅對(duì)當(dāng)前涉及的材料有較為全面的了解，無(wú)法學(xué)以致用。為了解決以上問(wèn)題[1]，我們?cè)谇捌诮虒W(xué)探索的基礎(chǔ)上，積極思考，進(jìn)行了以下教學(xué)改革探索。

1 教學(xué)改革探索

1.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)制備部分包括化學(xué)共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子、低溫固相反應(yīng)法制備氧化鎳微粉和高溫固相反應(yīng)法制備鐵氧體材料三個(gè)部分。在以往的教學(xué)過(guò)程中，這三部分內(nèi)容是互不交叉的，即實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三依次進(jìn)行。這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間相對(duì)獨(dú)立，互不干擾。例如，在進(jìn)行化學(xué)共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子時(shí)，通常采用的步驟是將氫氧化鈉溶液逐滴滴加到同時(shí)含有二價(jià)和三價(jià)鐵離子的水溶液中，將所得沉淀洗滌、過(guò)濾，最后經(jīng)過(guò)350攝氏度熱處理2小時(shí)，即可得到氧化鎳粉體，其流程如圖1(a)所示；在進(jìn)行固相反應(yīng)法制備鐵氧體時(shí)，通常采用的步驟是將按化學(xué)計(jì)量比配置好的三氧化二鐵和三氧化二鈷粉體，經(jīng)過(guò)充分的研磨，然后壓制成片狀，最后經(jīng)過(guò)1100攝氏度高溫保溫12小時(shí)即得到鐵氧體產(chǎn)物，其流程如圖1(b)所示。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)時(shí)的利用不夠合理。為了保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，雖然已經(jīng)較大壓縮了前期的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，而后期樣品熱處理過(guò)程時(shí)間依然不足。特別是用于熱處理的干燥箱、高溫爐，其升溫需要較長(zhǎng)時(shí)間。經(jīng)過(guò)充分思考不同實(shí)驗(yàn)的制備流程，我們發(fā)現(xiàn)可以將不同實(shí)驗(yàn)中類(lèi)似的步驟合并到一起進(jìn)行教學(xué)，這樣既保證了實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備的時(shí)間，又能保障足量的熱處理時(shí)間。具體的實(shí)施辦法為，前三次實(shí)驗(yàn)課中，將所有最后的熱處理部分調(diào)整到第四次實(shí)驗(yàn)課中，即專(zhuān)門(mén)增加一次樣品的熱處理實(shí)驗(yàn)。在熱處理實(shí)驗(yàn)中，首先講授樣品熱處理涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及不同設(shè)備的原理和使用方法，然后讓學(xué)生實(shí)際上機(jī)操作，最后再將前三次實(shí)驗(yàn)的中間產(chǎn)物進(jìn)行熱處理。這樣，便充分保證了樣品熱處理的時(shí)間。其中涉及長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)步驟，利用課下的時(shí)間讓設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行便可。

圖1：(a)化學(xué)共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子流程圖，(b)固相反應(yīng)法制備鐵氧體流程圖

1.2 設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)

對(duì)照實(shí)驗(yàn)是材料研究中經(jīng)常使用的研究方法，通過(guò)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說(shuō)服力。因此，我們也將對(duì)照實(shí)驗(yàn)的研究方法引入課堂教學(xué)[2]。在磁性材料制備時(shí)，磁性氧化物材料的合成方法往往不只局限于一種方法，因此在制備磁性材料時(shí)需要根據(jù)自身的需要選擇合適的制備工藝。例如，在用低溫固相反應(yīng)法制備得到氧化鎳微粉后，鼓勵(lì)學(xué)生再用化學(xué)共沉淀法合成一次。這兩種實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有較大的差異，使用化學(xué)共沉淀法合成所得的材料，相對(duì)于使用低溫固相反應(yīng)法制備的樣品，其產(chǎn)物的顆粒尺寸較小，在沉淀的過(guò)程中也較難沉淀下來(lái)。通過(guò)對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同，學(xué)生便可以很好地理解這兩種實(shí)驗(yàn)方法的異同，從而更好地掌握相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。為了更加科學(xué)的讓學(xué)生直觀(guān)的看到兩種制備方法對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)影響，在后續(xù)的實(shí)踐課程中，也增加了對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的掃描電子顯微分析實(shí)驗(yàn)。如圖2(a)和(b)分別為采用化學(xué)共沉淀法和低溫固相反應(yīng)法制備的氧化鎳樣品的微觀(guān)形貌。根據(jù)圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可以清楚地看到，采用化學(xué)共沉淀法合成的樣品，其顆粒尺寸較小，平均尺寸在80 nm左右；而采用低溫固相反應(yīng)法制備的樣品，其顆粒尺寸較大，平均顆粒尺寸超過(guò)了100nm。這樣，不同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)樣品產(chǎn)生的影響，便清楚地展示在了學(xué)生眼前。

圖2：(a)化學(xué)共沉淀法所得氧化鎳樣品的微觀(guān)形貌，(b)低溫固相反應(yīng)法所得氧化鎳樣品的微觀(guān)形貌

1.3 結(jié)合前沿

本實(shí)驗(yàn)課程的意圖之一是，通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容的講授，教會(huì)學(xué)生如何從事材料研究領(lǐng)域樣品的制備及表征。因此，我們選取的授課內(nèi)容需要緊跟學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)[3]。這樣，在學(xué)生從教室走向?qū)嶒?yàn)室后，能夠較容易地進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換。此外，如果繼續(xù)從事磁性材料的研究，也可以將課堂所學(xué)內(nèi)容充分應(yīng)用到實(shí)際的研究工作中。在講授磁性測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)以往的教材中大部分使用的測(cè)量設(shè)備為傳統(tǒng)的電磁鐵磁強(qiáng)計(jì)。在實(shí)際研究過(guò)程中，目前已經(jīng)很少使用這種傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備。在當(dāng)前磁性材料研究領(lǐng)域，普遍認(rèn)可的磁性測(cè)量設(shè)備為綜合物性測(cè)量系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以在較寬的溫度和磁場(chǎng)范圍內(nèi)表征磁性材料的磁化行為。因此，我們特意申請(qǐng)了綜合物性測(cè)量系統(tǒng)的使用，并專(zhuān)門(mén)針對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)。學(xué)生在課上實(shí)驗(yàn)中，便可自己動(dòng)手進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量。另外，磁性材料的磁性表征不僅僅限于課堂上講授的磁滯回線(xiàn)測(cè)量，目前常用的表征形式還包括磁溫曲線(xiàn)的測(cè)量、交流磁化曲線(xiàn)測(cè)量、磁弛豫測(cè)量等等。因此，我們?cè)谑谡n的過(guò)程中，要求學(xué)生充分調(diào)研，總結(jié)最新的實(shí)驗(yàn)表征手段，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性[4]。例如，在講授離子摻雜對(duì)樣品磁性的影響時(shí)，常規(guī)的測(cè)試手段是測(cè)量不同樣品的磁滯回線(xiàn)。磁滯回線(xiàn)的矯頑場(chǎng)和飽和磁化強(qiáng)度大時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁性就越強(qiáng)。學(xué)生在課后的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，表征磁性強(qiáng)弱不僅局限于磁滯回線(xiàn)測(cè)量，還可以通過(guò)磁溫曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行表征。經(jīng)過(guò)與學(xué)生充分討論后，我們進(jìn)行了相關(guān)的磁溫?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量，如圖3所示。從圖中可以看到，隨著鋅離子摻雜含量增大，樣品的磁化強(qiáng)度依次減弱。學(xué)生在得到這樣的測(cè)量結(jié)果以后，也可以很直觀(guān)的看出溫度對(duì)樣品磁性的影響。

圖3：具有不同鋅摻雜量的鈷鐵氧體的磁溫曲線(xiàn)

1.4 鼓勵(lì)創(chuàng)新

在前四次實(shí)驗(yàn)課程中，重點(diǎn)講述講義中所提及的磁性材料及制備方法，讓學(xué)生對(duì)基本的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟有充分的了解。為了鼓勵(lì)學(xué)生用于思考和培養(yǎng)創(chuàng)新精神[5,6]，我們結(jié)合磁性材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，提出了幾種新的磁性材料，如多鐵性陶瓷、超導(dǎo)材料等。在后續(xù)的課程中，要求學(xué)生根據(jù)要求，調(diào)研相關(guān)的研究文獻(xiàn)，并篩選出自己感興趣的材料，嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室合成。需要指出的是，這里所涉及的創(chuàng)新，指的是講義內(nèi)容以外的創(chuàng)新，不一定屬于重要的原創(chuàng)性成果，可以是合成材料的創(chuàng)新、合成方法的創(chuàng)新或表征手段的創(chuàng)新等。例如，有些同學(xué)在調(diào)研多鐵性陶瓷時(shí)，發(fā)現(xiàn)研究較多的材料為鐵酸鉍，但所涉及的實(shí)驗(yàn)方法不包括講義內(nèi)容涉及的幾種實(shí)驗(yàn)方法。因此，我們引導(dǎo)學(xué)生積極思考，利用本實(shí)驗(yàn)室已有儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)方案成熟后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。最終，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體情況，選擇的實(shí)驗(yàn)方案為采用溶膠凝膠法來(lái)制備，這種制備方法也屬于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用的磁性材料合成方法。有些同學(xué)對(duì)鐵電陶瓷比較感興趣，在調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)所講述的制備工藝流程跟我們課堂講授的有較多的不同。因此，我們也鼓勵(lì)學(xué)生嘗試不同的實(shí)驗(yàn)流程。在樣品的表征方面，不同的磁性材料涉及的表征手段也不相同。例如在結(jié)構(gòu)表征方面，講義涉及的表征方法為X射線(xiàn)衍射法，主要通過(guò)對(duì)樣品照射X射線(xiàn)使其產(chǎn)生衍射花樣來(lái)標(biāo)定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)語(yǔ)

磁性材料的制備與表征屬于綜合性實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋的樣品的制備、表征及數(shù)據(jù)的分析，課程內(nèi)容較多，知識(shí)點(diǎn)分散，實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程較為枯燥。本文將教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了梳理，提出了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，包括課程內(nèi)容設(shè)置不科學(xué)、講義內(nèi)容不利于學(xué)生發(fā)散思維、知識(shí)點(diǎn)陳舊、無(wú)法激發(fā)學(xué)生的探索精神。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了四點(diǎn)教學(xué)改革方案，分別為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)、結(jié)合前沿、鼓勵(lì)創(chuàng)新。根據(jù)這四點(diǎn)教學(xué)改革方案，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些問(wèn)題已得到較好的解決，能夠從根本上解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。在后續(xù)的講授過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)掘教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并積極探討相應(yīng)的解決方案，從而使學(xué)生能更好的獲得磁性材料制備與表征的實(shí)驗(yàn)技能。