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1、研究生课程材料测试技术教学改革初探 徐平伟 赵飞 张晓燕 徐本军 李伟 欧梅桂 贵州大学材料与冶金学院 摘 要： 创新能力培养是高素质人才培养中的重要环节。本文以材料学科硕士研究生的材料测试技术课程教学改革为例, 结合我校授课内容、方式和大型设备管理等方面, 探索了在教学实践中培养研究生创新能力, 以期达到提高教学效果和全面提高我校高素质人才综合能力的目的。关键词： 教学改革; 教学实践; 研究生创新能力; 材料测试技术; 本文引用格式:徐平伟, 赵飞, 张晓燕, 等.研究生课程材料测试技术教学改革初探J.教育现代化, 2017, 4 (47) :92-93.研究生教育是专业型高科技人才、应用
2、型高素质人才培养的重要组成和基本途径1。其培养方案和目标直接决定了研究生的质量, 对研究生就业乃至对用人单位、对社会和国家具有深远的影响。培养和提高研究生的创新能力是研究生教育的关键, 也是衡量研究生教育质量的核心指标, 如何有效培养创新能力是评价研究生教育成效的标准2-3。材料测试技术课程是贵州大学材料科学与工程一级学科硕士点为研究生开设的一门专业必修学位课。通过该课程的学习, 学生可掌握材料研究方法基础理论知识、材料结构与性能表征方法的基本原理、有关测试仪器的结构原理及其应用、材料主要近代仪器分析方法所涉及的制样技术、图谱解析方法及其在材料研究领域中的具体应用等知识。为提高材料科学与工程专
3、业研究生的创新能力和实践能力方面具有重要作用。经过多年的建设与发展, 贵州大学材料科学与工程学科已建设成贵州省优势学科, 已成为贵州省重要的材料科学研究和人才培养基地。近年来, 贵州大学材料科学与工程依托学科建设, 硬件建设取得长足进展, 新增 Zeiss Supra40 型场发射扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、Tecnai G20 型场发射透射电子显微镜等现代材料测试设备仪器, 为材料科学与工程专业人才培养搭建了良好的研究平台。随着大型设备的增加和完善, 我们结合材料测试技术课程特色和专业培养需要对其进行教学改革, 以培养学生创新能力, 提高学生综合素质。一与时俱进, 改革培养方案, 调整课
4、程内容随着学院大型设备的不断增加, 为材料测试实验技术的实践教学手段及方法提供了良好支撑。通过调整培养方案, 将原来的课程 54 (+6 实验) 学时改为 36 (+24 实验) 学时。增加学生与大型分析仪器接触的机会, 让学生在实践操作和实际案例分析中学习并熟悉材料测试的新技术与新方法, 从而提高其实践能力。课堂学时的缩减并不意味着教学质量的下降。为了确保教学质量, 从以下三个方面进行课程内容的调整: (1) 长期以来, 我们选用的是业内公认的经典教材哈尔滨工业大学出版社出版的材料分析测试技术4。考察了许多高校本科阶段开展的教学课程, 发现相当比例的高校也选用这本教材, 所讲授内容基本相同,
5、 这就导致了部分学生本科教学内容与研究生教学内容的重叠。因此删减了电子显微分析部分中扫描电子显微镜和电子探针等相对简单的内容, 减少了部分学时; (2) 根据学科方向研究侧重点和专业培养需求进行了分班:我院材料学科主要有高分子材料、功能材料和金属材料三个研究方向。以前三个方向集中教学, 涉及的材料分析技术有热分析、波谱分析、X 射线衍射分析和电子显微分析等内容, 所授内容多而广。而根据学科方向不同, 实际选用的分析技术也有很大差异。比如金属材料方向很少采用波谱分析、红外分析等技术, 而高分子材料方向较少使用透射电子显微分析等技术, 这就造成了相当课时和所学内容的浪费。因此调整大班教学为有研究方
6、向倾向的小班教学, 分别侧重于金属材料和高分子材料方向。使学生根据自己的学科研究方向重点掌握相关的主要设备的操作及分析方法, 更快更好地开展相关课题研究。 (3) 计算机技术的快速发展促进了大型设备和仪器操作的简单化和自动化, 因而在材料科学中的应用日趋普及, 很多与材料分析相关的数据库和应用软件等被相继开发, 将繁杂琐碎的数据查找和抽象复杂的理论计算等转变为可视化的操作, 甚至可以通过一些算法模拟和重现某些理论的结果。相对于复杂的理论推导, 这些简单的模拟和可视化的操作更易被学生接受。而在教材中, 这些内容很少涉及。因此我们在讲授中及时地将这些数据库或者应用软件加入到教学内容中。如讲解透射电
7、子显微分析时, 采用与透射电镜配套的 Digital Micrograph 软件和Jade 5.0 软件, 可以快速方便确定物相并获得其对应的晶体学信息;还可以采用 Digital Micrograph 软件的傅里叶 (FFT) 和反傅里叶变换 (IFFT) 功能可以模拟物镜成像的过程。通过课堂上对这些数据库或者软件的演示, 一方面可以提高学生的学习兴趣, 深化对理论知识的理解, 同时也是将该门课程所学的知识用于实践的体现。二课堂与科研结合, 培养学生创新能力教学与科研相结合。将与研究生学习研究密切相关的元素融入到具体的实验测试中, 包括科研样品的制备, 安全意识的培养, 精密仪器的使用, 根
8、据科研项目要求从测试过程中提取并拍摄有效的实验证据, 对仪器设备的维护、如何获得清晰的图片和仪器某个具体旋钮对成像的影响, 从感官视觉上深化课堂教学的理论和原理等, 开设材料分析测试实验专题。教学带动科研, 科研促进教学。例如: (1) 采用不同电子信号 (如背散射电子和二次电子) 对同一微区进行成像操作, 从视觉差异上协助理解两种信号的成像原理。 (2) 长期以来, 基于光学显微镜 (OM) 对微观组织的鉴定大多依靠经验, 但对于刚开始接触科学研究的同学, 组织的鉴定存在很大的不确定性。而利用背散射电子衍射 (EBSD) 的取向成像显微术可完成对马氏体 (红色) 和奥氏体 (蓝色) 的鉴定,
9、 直接从可视化的角度提取两种组织的形貌, 并根据 EBSD 中的组织特征对比分析出光学显微中的组织特征, 从而弥补实际经验不足。 (3) 利用 EBSD 技术还可以直接观察到马氏体和奥氏体的取向关系 (如 K-S 关系) 及其对应的变体等晶体学信息, 回归到固态相变教材的内容, 这对马氏体相变进行基础性研究具有推进作用, 为随后的科研工作奠定了一定的实验基础。三讲授与实践相结合, 培养学生创新能力。结合本院研究生导师的科研项目中涉及到的新理论、新案例和新趋势充实到教学内容中。例如, (1) 利用 EBSD 技术定量分析马氏体和残余奥氏体的优点, 研究不同比例和不同尺度的马、奥氏体组织对力学性能
10、 (强度和塑性) 的影响规律, 深刻理解材料学科中微观组织对性能的调控作用, 从而为通过组织调控开发新材料提供理论基础。再辅以原位观察技术直接观察到不同组织对裂纹形核和裂纹扩展行为的影响, 从而初步探索了多层次、多尺度复相组织的变形机理, 为设计高性能、长寿命钢铁材料及其工业化应用提供技术指导。 (2) 利用高分辨透射电镜 (点分辨率可达-0.2nm) 可直接观察到晶体缺陷, 如位错等, 也可以观察、鉴定共格界面向非共格界面的演化规律。这就有利于研究时效或回火过程中第二相与基体界面结构的演化, 通过研究位错与第二相界面的交互作用在原子尺度理解位错切过或绕过第二相的行为, 从而揭示不同尺寸、不同
11、类型和不同体积分数的第二相对材料变形的影响机制, 反过来理解析出相强化的实质。课程教学内容调整后, 让学生扩展知识面, 培养查新和创新能力, 提高学习自主性和学习兴趣。四加强师资培训, 提高教师自身素质和业务水平材料测试技术课程教学内容要求教师必须具备较广阔知识储备, 既要熟悉仪器的机械构造原理, 还要掌握不同测试仪器涉及到的物理学、化学、晶体学、量子学等多学科知识, 同时对材料性质、加工与制备方法也要有所了解, 才能将多学科的知识融会贯通并归纳总结出适合该课程的教学内容。同时还要不断了解材料科学的最新研究动态, 将新的测试理论和方法引入课堂。因此我们注重强化教师培训, 派出进修学习, 邀请国
12、内知名机构 (中科百测技术服务有限公司) 专家到校指导培训, 同时引进有具有实际操作经验的高水平博士从事该课程的教学和指导实验, 不断提高教师自身素质和业务水平。五研究生参与管理大型仪器设备材料测试技术课程中介绍的透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、原子力显微镜等大型仪器设备均引进于国外。为了保证设备稳定、持久的使用, 对这些大型、贵重仪器实施专职教师负责制。为了培养研究生的实践操作能力和创新能力, 充分发挥这些大型仪器设备的作用, 我们定期选取研究生进行仪器操作培训, 普及大型精密仪器的使用, 重点培养责任心强, 学习积极性高的同学作为大型设备仪器负责教师的助手, 对该设备进行操
13、作和参与部分管理工作。目前我院的 Zeiss Supra40 型场发射扫描电子显微镜和 MTS Landmark 万能试验机等设备都有研究生参与管理, 学生通过参与管理大型贵重设备, 不仅得到更多的实践能力培养, 同时管理能力及其责任心也得到充分培养。结合我校实际情况, 从授课内容、授课方式和大型设备管理等方面进行了材料学科硕士研究生的材料测试技术的教学改革, 将抽象的理论与实践结合, 从实践回归理论, 以理论指导实践, 教学与科研协同并进, 训练学生的实践动手能力, 加强学生分析问题和解决问题的能力, 增强学生的责任意识和安全意识, 提高教学质量, 全面提升我校高素质人才的综合能力。参考文献1王雪梅, 晏华, 王帅, 等.研究生课程“材料测试技术”教学改革初探J.课程教育研究, 2014, (32) :238. 2邢晓辉, 何美蓉, 凌朝辉.以课程教学为切入点培养研究生的科研能力J.当代教育论坛:学科教育研究, 2008, (11) :69-71. 3刘子利, 梁文萍, 姚正军, 等.培养研究生创新能力的材料专业课程教学改革与实践J.科技创新导报, 2012, (1) :164-165. 4周玉, 武高辉.材料分析测试技术M.哈尔滨工业大学出版社, 2007.
