[摘 要]本文分析了材料现代分析技术课程实验设置存在的不足，并结合自身承担科研项目所取得的典型科研成果设计了一个综合实验，对该实验的内容、过程进行了详细介绍。多年的教学实践表明该实验的设置可以显著提升学生将所学知识综合运用的能力，提高其将知识用于工程实践解决复杂问题的能力，并加深他们对各种分析方法、原理、用途的理解，有效提升了教学效果。
[关键词]材料分析技术 实践教学 综合实验
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）18-0041-02
[收稿时间]2013-05-03
[基金项目]上海工程技术大学《材料现代分析技术》课程建设项目 （k201205003）。
[作者简介]刘延辉 （1974-），男，河南人，硕士，讲师，研究方向：材料表面改性。何 亮 （1980-），女，湖南人，硕士，讲师，研究方向：材料表面改性。李忠文 （1973-），男，哈尔滨人，博士，讲师，研究方向：材料表面改性。李军 （1977-），男，内蒙人，博士，教授，副院长，研究方向：材料表面改性。
一、引言
材料现代分析技术是材料科学与工程类专业的一门必修课，在培养计划的课程设置体系中起着至关重要的作用。
该课程着重介绍材料科学研究及其应用检测的重要手段和方法，是一门实践性非常强的课程。实验与实践教学是巩固课堂讲授知识、培养学生创新能力和动手能力的重要环节，因此针对该课程设计并开设一些综合型实验来培养学生良好的科研素质，提高其综合运用知识及分析问题和解决问题的能力是非常有必要的。
二、我校开设该课程实验分析
本课程设置实验共三个，分别是“利用X射线衍射技术进行物相定性分析”，“透射电子显微分析技术及复型样品制备”、“扫描电子显微分析技术及金属薄膜样品制备”。在不断实践的过程中，我们发现实验的设置存在如下问题：
1.大多数实验是对已经获得的数据或结果进行验证和分析，学生缺乏对分析表征过程的参与，也缺乏对背景知识的了解。这就导致学生为了完成教学任务而去实验，效果差强人意，积极性不高。例如实验（1）只是给学生一张衍射花样图片，然后根据所学知识进行物相的标定，对测试试样的尺寸、制备过程、测试过程中参数的选择以及衍射花样的获取缺乏亲身体验；实验（2）只是给学生介绍了透射电镜的基本构造、成像原理，并演示了复型样品的制备过程。学生没有亲自操作的机会，无助于动手能力的提高；实验（3）只是给学生介绍了扫描电镜的基本构造，并给学生一些断口形貌的二次电子像照片进行断口类型的判断。学生对试样的形态、形貌的获取缺乏了解。
2.大多数实验内容是为了验证教材中的基本原理和方法，偏离了工程实际。这就容易让学生产生分析方法和过程放之四海而皆准的错觉，一旦遇到实际复杂问题时，又感到无从下手，产生挫折感，进而对书本知识是否真正有用产生怀疑。例如实验（1），进行标定的衍射花样多是单相（最多两相）物质，且该物质为多晶体材料，无择优取向，无残余应力。按照教材上介绍的以三强线为主的标定方法是可行的，但是实际中要标定的更多是多种物相组成的块体材料，存在择优取向，也存在残余应力。对于这种材料的物相标定，教材中介绍的过程显然不再适用。
3.偏离该课程分析表征的主题，设备构造内容的介绍较多，分析表征方法的运用较少。例如实验（2）用较大篇幅介绍透射电镜的构造和成像原理，但对透射电镜应用于材料分析表征的内容几乎没有。例如对比较典型组织的透射电镜照片如何分析？对析出相的衍射花样如何标定？如何确认析出相和母相的位向关系等均无涉及，而这恰恰是学习透射电子显微术最主要的目的。实验（3）介绍扫描电镜构造的内容较多，也让学生分析了一些断口形貌照片。但是扫描电镜的用途非常多，除了形貌分析之外，还有一个重要的分析内容就是成分分析（点分析、线扫描和面扫描），该实验中没有涉及。
4.三个实验彼此独立，并没有构成一个彼此相关，互为补充的完整体系。这使得学生无法把XRD分析、扫描电子显微分析术和透射电子显微分析术联系在一起，在实际中综合运用这几种方法的能力较为欠缺。众所周知，针对材料的分析往往是一个系统的表征体系，互相支撑方能对材料组织结构获取准确的信息。例如物相的确认，XRD仅仅对主要物相可以进行初步鉴定，对于含量较少的物相（例如夹杂）是无法鉴别的；另外如果材料中存在择优取向或宏观应力时，物相的鉴别存在较大随意性；再有XRD并不能够确定具体物相的形态和尺寸。因此这就需要通过电子显微术来进一步明确物相的信息，例如可以通过扫描电镜观察形貌，结合成分分析来准确鉴别不同物相的形态、尺寸及分布，对于更为细小的物相（晶界、相界以及物相内部析出相和夹杂物）的鉴别，须通过透射电镜观察其形貌并通过其电子衍射花样来明确其物相类别及位向关系。
三、综合实验的设计及分析
我们教学团队经过不断的探索，发现将自身承担完成的科研项目所取得的典型研究成果经过编排和组合，设计一个综合型实验，能够很好地解决目前该课程实践环节存在的诸多问题。该综合实验总的名称为“稀土添加对颗粒增强Ti基熔覆层组织影响的分析表征”，由三大部分组成，第一部分为背景及试样制备过程介绍环节，占用1个课时；第二部分是实验环节，包括三个实验，分别是“熔覆层XRD分析的综合运用”、“熔覆层微观组织的SEM分析”、“熔覆层精细结构的TEM分析”。这三个实验彼此相关、互为补充，共占用6个课时；第三部分是数据的综合分析环节，占用1个课时。
第一部分首先介绍实验研究的背景，包括激光熔覆技术的发展历史、与其他表面改性技术相比具有的优势和用途、本实验要解决的问题（在钛合金表面制备激光熔覆层来解决其硬度低及耐磨性差的不足）；然后介绍实验的过程（钛合金的切割及清洗、熔覆材料的选择、配料、混合、预涂覆层的制备、激光熔覆工艺的选择），同时通过PPT展示整个过程，讲解不同环节应该注意的事项。最后学生在课外查阅相关资料，写一篇约2000字的报告。
第二部分是这个综合试验中最为重要的环节。根据教材相关内容讲授的进度合理安排三个实验。第一个实验，将同学分成若干组，每组发放一块分析用材料进行XRD分析。在分析前，讲解X射线衍射仪的构造和分析原理，然后现场观看衍射花样的获取过程。接下来就是衍射花样的分析，首先根据熔覆材料的原始组分、结合相图分析和热力学计算来预测熔覆层的物相组成，并采用Jade软件进行标定；然后根据涂层基体α（Ti）晶面间距相对于无应力状态下晶面间距的相对变化值 来估算稀土添加对其宏观应力的影响；接下来根据增强相衍射线相对强度的变化分析稀土添加对增强相体积分数的影响；最后结合以上分析结果，利用材料科学基础课程所学知识进行综合分析并写报告。第二个实验，首先给每组发一块试样，通过镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀等环节制备要观察的金相试样，并讲解扫描电镜的构造和分析与原理；然后现场观看扫描电镜拍摄微观组织照片的全过程，观察二次电子像和背散射电子像的差别，掌握如何选用合适的成分分析模式（点、线、面）；接下来让学生分析组织构成（不同物相的形态、尺寸、分布及成分等）；最后完成一篇详细的分析报告。第三个实验，给每组发一块试样制备金属薄膜样品，并讲解透射电镜的构造和分析原理；然后发放透射电镜拍摄的组织和电子衍射花样照片进行分析表征，最后完成一篇详细的分析报告。
第三部分是结合三个实验结果进行综合分析，了解彼此的相关性和互补性，完成一篇详细的分析报告。
这样一个综合实验起到以下四方面作用：
1.使学生将材料科学基础和材料现代分析技术两门课程所学的知识巧妙地联系在一起，提高了他们将知识综合运用的能力。
2.将材料现代分析技术课程所学的各种分析表征方法巧妙联系在一起，提升了他们最大限度利用所学方法对材料组织结构信息进行综合分析的能力。
3.学生参与了分析的整个过程（制样、数据获取、数据分析），培养了他们实践动手能力。
4.使学生认识到所学的知识在实践中能够发挥重要作用，激发了学习的兴趣，进而加深了对分析方法、原理和步骤、适用条件的理解。
四、体会和总结
笔者讲授这门课8年之久，体会到在课堂上主要讲授的是各种材料组织结构分析方法的内容、原理和用途，而这些方法必须通过亲身试验方能全面掌握。根据自身的科研成果提炼出典型案例设计一个环环相扣的综合实验，让学生在老师指导下自己动手制备样品，现场对样品进行测试，自行分析实验获得的图谱或照片，然后进行综合分析并写出综合分析报告，可以有效提升学生运用已掌握的知识真刀实枪地解决材料科学研究中的实际问题的能力，为后继专业课学习、开展毕业论文及科学研究奠定坚实的基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 曲明贵，张静武.“材料现代分析测试方法”精品课程建设实践[J].教育与教学研究，2010，（1）.
[2] 陈文哲.材料现代分析方法与新材料技术的发展[J].理化检验-物理分册，2002，（11）.
[3] 李涛，赵鸣.“材料分析与测试技术”教学初探[J].中国冶金教育，2008，（5）.
[责任编辑：左 芸]