《材料分析测试原理与技术》本科课程教学探讨

摘要：材料分析测试技术是材料学科研究领域重要的研究方法和手段，《材料分析测试原理与技术》课程是材料工程本科专业的一门学科基础必修课程，通过该课程的学习，可以使学员掌握现代材料科学领域基本的分析与测试方法，对于学员在今后在材料领域的科研工作具有重要意义。本文从《材料分析测试原理与技术》课程定位与教学目标制定、教学内容的设置、教学方法和理念的探讨等方面进行了阐述。

关键词：材料；分析测试技术；课程目标；教学理念；本科教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）12-0094-02

一、前言

材料科学研究的基本内容为材料的制备与处理工艺、材料的性能测试和材料的组成与结构表征。其中材料的制备与处理工艺是研究如何获得所需的材料；材料的性能测试是研究材料的力学、物理、化学等性能及相应测试表征方法；材料的組成与结构表征是研究材料的化学组成、微观结构、微观组织形貌及相应的分析表征方法。材料科学研究的核心任务，就是研究材料的工艺、性能、组成结构及其相互关系。材料组成及微观组织结构对材料性能有巨大的影响，不同化学元素组成的材料其性质和性能不同；而相同化学组成的材料由于制备工艺（制备、处理）不同而带来的微观结构不同，其性能也会有很大不同，所以材料分析测试技术对研究材料的工艺、性能、组成结构及其相互关系这个材料科学的核心任务具有非常重要的作用。

本课程系统讲授材料研究过程中常用的微观结构、微观组织形貌以及微区化学成分等方面的分析测试原理与技术，是材料工程本科专业的一门学科基础必修课程。通过本课程的学习，学员能够熟悉与掌握光学显微分析、X射线衍射分析、电子显微分析以及电子探针、俄歇能谱、光电子能谱等表面微区成分分析等研究手段的基本原理、基本方法，了解分析仪器构造以及在材料研究中所能解决的实际问题，初步具有材料微观结构、微观组织形貌、微区化学成分分析的能力，为今后在材料研究与使用过程中正确合理选择与综合选用恰当的分析方法奠定理论与实践基础。

二、课程目标定位

1.知识与基本技能学习。开设本课程的目的在于：使学员掌握材料的光学显微分析、X射线衍射分析、电子显微分析和表面微区成分分析等各种研究手段的基本原理、基本方法；了解各种分析仪器的基本构造；熟悉并掌握上述各种材料分析方法对测试样品的制作要求，熟悉上述各种材料分析方法在材料研究与使用过程中所能解决的实际问题及其局限性。初步具有材料微观结构、微观组织形貌、微区化学成分分析的能力。

2.实际动手能力提升。材料各种分析方法的基本概念与原理、基本方法、仪器设备基本构造、样品制备方法与要求、特点及其应用等内容的教学以课堂多媒体教学为主，结合一定量的教学实验及课后作业，使学员全面理解与掌握本课程知识，并能够做到融会贯通。

课堂教学以学员为主体，使用启发式教学。实验教学要求学员亲身参与、亲自动手，以提高分析解决实际问题的能力。

3.创新能力培养。首先，要使学员充分认识“材料分析测试原理与技术”在本专业乃至材料研究及使用过程中的重要地位，从而能够积极主动进行学习。课堂教学过程中除课程内容学习外，注重学员学习能力、分析问题能力的培养，做到既教书又育人；在教授学员课程知识的过程中，结合课程中涉及的材料各种分析方法的发现、发明及发展的历程，注重对学员创新能力的培养。使学员素质和能力得到全面提高。

三、教学内容设置

材料分析从测试技术涵盖的内容非常方法，包括材料的微观形貌观察、微观结构表征和化学成分测定。自然科学发展到今天，已经发展了多种技术手段来实现以上测试内容。作为一门本科生的课程不可能把所有的材料分析测试技术与方法全部覆盖，一般只能根据本校材料学科的特色进行取舍。根据国防科技大学材料学科的特点，本课程的教学内容主要包括以下几个方面。

1.光学显微分析技术。掌握光学显微镜的成像原理及样品要求；掌握光学显微镜样品的制备技术；掌握体视学基础及图像定量分析；理解光学显微镜的物性参数；理解显微硬度测定原理及方法；了解相衬显微镜、偏光显微镜、微分干涉显微镜及共聚焦显微镜基本原理、构造及应用。

2.X射线衍射分析。掌握晶体衍射的基本原理；掌握X射线衍射定性相分析和定量相分析基本原理；掌握晶体点阵类型和立方晶系点阵常数的确定及衍射指数的标定方法；理解晶体倒易点阵的概念；理解X射线粉末衍射实验技术；了解X射线的产生及其与物质的相互作用；了解X射线衍射线性形分析和材料宏观应力分析。

3.电子显微分析。掌握晶体电子衍射原理；熟悉电子与物质的交互作用区及其所产生的物理信号；理解电子与物质的交互作用和材料分析的关系；理解电子光学基础；理解透射电镜的结构与成像原理；熟悉透射电镜的物性参数；熟悉透射电镜样品的制备技术；了解透射电子显微分析技术在物质和材料研究中的应用；理解扫描电子显微镜工作原理与结构；熟悉扫描电子显微分析的性能特点；了解扫描电子显微分析在物质与材料研究中的应用。

4.材料表面的微区成分分析技术。掌握电子探针、俄歇电子能谱和X射线光电子能谱定性和定量分析的方法和析谱方法；理解电子探针、俄歇电子能谱和X射线光电子能谱的工作原理；熟悉设备构造与技术特点；了解误差来源及分析精度；了解电子探针、俄歇电子能谱和X射线光电子能谱分析在物质与材料研究中的应用。

5.波谱分析技术。掌握紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱测试技术；理解紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱的基本原理；了解紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱分析技术在物质与材料研究中的应用。

材料分析测试技术是一门实践性很强的课程，所以，除了以上的理论学习内容以外，还安排了丰富的实验课程内容。具体包括：光学显微镜的操作与使用、显微图像定量分析、X射线衍射仪的操作与使用、X射线衍射定性物相分析、扫描电镜与透射电镜的操作与使用演示、红外光谱实验等。

三、课程基本理念

将课堂教学、讨论、实验教学以及课后作业等教学环节有机结合在一起，以学员为主体，注重启发式教学。课堂教学注重各种材料微观结构、微观形貌及微区成分等分析方法的基本原理与技术的学习与掌握；实验教学环节强调学员积极参与，注重学员材料各分析方法的基本实验技能的训练；讨论及课后作业注重学员综合分析与解决实际问题能力的培养。使学员材料分析测试方面的素质和能力得到全面提高。

四、课程设计思路

本课程教学由课堂教学、实验教学两大部分组成。课堂教学分为三方面内容：材料的晶体结构的X射线衍射分析方法、材料微观组织形貌的显微分析方法及材料微区成分分析方法。主要介绍各种分析方法的基本概念与原理、基本方法、仪器设备基本构造、样品制备方法与要求、特点及其在材料研究及使用过程中的应用等。结合课后作业，使学员能够对本课程知识融会贯通。实验教学设置了分析仪器构造与操作认知、样品制备以及测试数据分析等多个环节。分组进行，培养学员动手能力和独立分析解决问题的能力。

五、结束语

据统计，20世纪以来，获得诺贝尔奖的科研成果中，有一半以上与科学仪器和实验技术、实验方法和创新有关，或者直接应用了最近的科学仪器和实验技术。材料分析测试技术的发展对整个材料科学的推动作用是毋庸置疑的。作为材料工程专业本科学员，掌握通用的材料分析测试技术是今后从事工作和研究所必须的。本文对该课程教学目标定位、教学内容设置以及教学理念进行了探讨。

参考文献：

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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

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