《材料研究与测试方法》课程设计分析范文

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[摘要]《材料研究与测试方法》是材料学科的一门专业必修基础课。课程内容为材料结构、物相、成分的分析原理及其方法，使同学具备从事材料生产与研究所必要的测试与分析能力。为了更好地进行课程设计与推进，以红外光谱分析为例，从教师科学研究实例中设计课程结构，确定课程推进方案，结合实际讲述本节课要点，增强学生对课程的认知与实践能力，实现每堂课复习-学习-测试相结合，为全面落实立德树人，提高应用型人才培养质量奠定基础。

[关键词]材料研究与测试方法；课程设计；课程推进；教学方法；红外光谱分析

1引言

《材料研究与测试方法》是材料学科的一门专业必修基础课，是无机非金属材料专业的一门重要专业课。学好《材料研究与测试方法》这门课程，有利于培养学生具备识别、分析、解决无机非金属材料产品制备与生产过程中工程问题的专业技术能力，满足企业对专业技术人才培养质量的需求[1-3]。《材料研究与测试方法》在众多专业基础课中是最难的课之一，需学习多种测试方法的原理，需要较多的物理、数学和化学知识做基础，这一点对应用型本科院校的学生是比较困难的。此外，这门课需要了解很多的设备，这些设备大都是极其精密的仪器，且很多是国家卡脖子的技术或设备，学习起来极为抽象。随着我国科技和精密加工的快速发展，很多卡脖子技术得到突破，有利于增强学生们的爱国主义精神，对实现中华民族伟大复兴信心倍增[5-7]。作为该课程的老师，作者多年来从事无机非金属材料的研究，具备相关的实践能力。因此，在进行课程讲述过程中，结合自己的科研积累，可巧妙设计课程推进方法，增强同学们的实践能力。红外光谱分析近年来广泛应用于医药、化工、石油、环保、食品、材料、半导体、光学等领域，是实验室科研以及企业生产不可或缺的分析测试工具。红外光谱分析是课程的后期内容，本文目的通过该知识点介绍作者课程推进方法，切实实现每堂课复习-学习-测试相结合，为全面落实立德树人，提高我校应用型人才培养质量奠定基础。

2课程设计与推进

2020年10月作者在ACSAppliedEnergyMateria期刊上发表了一篇题为HardSiOCMicrobeadsasaHigh-PerformanceLithium-IonBatteryAnode的文章[8]，在2021年上半年的《材料研究与测试方法》课程中，作者反复将该文章的实例作为讲述内容，实现复习-学习-测试相结合，引导同学们在学习过程中联系实际，增加同学们的科研兴趣与热点追踪能力，为今后的学习、工作和科研生活打下良好基础。

2.1课前复习设计

在学习本节课之前，已完成了X射线衍射，扫描电子显微镜和透射电子显微镜等章节的学习。因此，在本节课的开始，通过上述实例进行复习。在复习前，先和同学们分享一些关于锂离子电池的前沿内容，由此引出了今天所要复习的内容。首先介绍锂离子电池，它是由正极、负极、电解液和隔膜组成的，并向同学们提出问题：现有的锂离子电池面临什么问题，同学们对电池有什么需求等。同学们特别感兴趣，踊跃回答问题，期间提到了高容量，快充及安全性等问题，这些问题正是锂离子电池发展过程中急需解决的问题。作者针对每个问题做详细解答后，引出了上述文章主要内容：负极材料和硅负极。硅氧碳材料是一种先进的无机非金属材料，可用做锂离子电池负极。在科学研究中，我们逐步对其进行测试分析。实验的目标是想获得内部多孔且电化学性能优异的微米级球形粉。为了分析实验结果，首先借助扫描电子显微镜观察发现，我们制备的是50微米以下的微球，我们科研的目的就是制备可直接刮涂电极的负极材料，因此通过扫描电子显微镜可实现本项任务的表征。在此期间帮助同学们回顾了扫描电镜二次电子成像的原理。为了探究材料的元素组成，通过与扫描电子显微镜配套EDS能谱可进行分析，结果表明，制备的材料和预想的一致，为硅、氧和碳三个元素，且三个元素的比例可确定。

2.2课程导入及讲解

为了探究材料的相组成，作者的研究思路是进行X射线衍射分析，遗憾的是通过X射线衍射分析发现，材料无特征峰，为无定型非晶相。这有利于回顾了之前所学的X射线衍射的物理学基础以及X射线衍射图谱的识读。请同学回答了横纵坐标各代表的含义，进一步复习了布拉格方程的相关知识。此外，透射电子显微镜也是学习的难点，尤其是高分辨和电子衍射花样。为了验证材料是非晶态的，对材料进行透射电子显微镜高分辨观察和电子衍射花样的测试，结果均证实是非晶态的，因为没有出现晶格条纹和衍射斑点。因此，通过这一篇科研文章，把之前学的内容全都复习了一遍。但之前学习的内容仍然无法揭示出材料的分子结构或化学键形式，因此基于该问题，课程自然导入本节课的重点内容红外光谱分析。之前学习的测试方法均未能实现材料分子结构的表征，借助红外光谱分析，可探究材料内部的分子结构，制备的材料由硅碳键，羟基，硅氧硅键组成，这样同学们有豁然开朗的感觉。导入过程如图1所示。通过红外光谱内容的导入，同学们兴趣满满，想知道红外光谱为什么能测试材料的分子结构，怎样实现的。因此课程内容就包括了红外光谱概述，分子的运动与能态，分子振动模型和红外光与红外吸收谱线的详细介绍，有序的学习关于红外光谱的全部知识点。关于红外光谱概述主要介绍红外光谱分析的定义和发展史，红外光普分析是基于红外光与物质相互作用，揭示物质的组成、结构及内部运动的规律。而红外光谱是一种分子振动光谱，当物质受到红外光作用时，分子或原子基团产生振动对光进行吸收。分子运动与能态回顾了之前学习的大学物理和无机化学知识。先是和同学们回顾原子能级，进而推进研究分子能级。在分子能级中除了原子能级的存在，同时具有电子能级，振动能级和转动能级，这里重点介绍电子的振动能级和转动能级，引出红外光谱为振动-转动吸收光谱。分子的振动模型介绍了双原子分子和多原子分子的振动模型。首先针对双原子分子进行讲解，建立谐振子模型，利用经典力学模型揭示双原子振动，把两个原子看做由弹簧连接的两个质点，两个原子在键轴上做简谐振动，得出两个重要结论即：振动频率与原子振动距离无关，振动频率与化学键力常数和质量有关。从双原子分子振动到多原子分子，分子中各基团的复杂振动可以看作一系列相互独立的简单振动的迭加，这些独立的、较简单的振动方式称为简正振动，每个简正振动代表一种振动方式，有其特有的振动频率。用动画的形式展示振动的方式和方向，包括对称伸缩振动(键角保持不变，相邻键长同步伸长)，非对称伸缩振动(键角保持不变，相邻键其一键长伸长，另一键长缩短)，剪切弯曲振动(键长不变，键角增大或缩小，相邻键处在同一平面)，平面摇摆振动(键角和键长均保持不变，相邻键处同一平面)，非平面摇摆振动(相邻键同步向里向外，键长与键角保持不变)，扭曲振动(相邻键其一向内，另一向外振动，键长不变，键角变化)，引出振动自由度。任何分子都有3个平动自由度，3个(或2个线性分子)转动自由度，即具有6个(或5个)使分子变形的自由度。振动自由度数目为3N-6(或3N-5，线性分子。)第四个知识点为红外吸收光谱，也是学习的重点。因此在讲第四个知识点时先讲述了红外光。联系了大量的实际，比如红外光的性质，能量小且热效率高，可用于烘干和人体理疗等，同学们学习到了日常生活中一些设备的原理，非常感兴趣。讲完红外光的性质，就可以引出红外区对应的振动基态到激发态的跃迁，可伴随转动能级的跃迁。最后讲述了难点，包括红外光的吸收过程，只有发生偶极矩变化的振动才能产生红外吸收谱带，我们称这种振动为红外活性的，反之为非红外活性的。举例说明没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如单原子分子：铜，铁，铝等金属和同核双原子分子：N2、O2、Cl2等。最后红外谱线的形成，红外光谱的特点，具体介绍红外吸收峰的数量，位置，形状以及强度对应的材料的结构特征。红外谱线的特点分五点：(1)可用来推测某种官能团的存在与否，确定化合物结构。(2)不破坏样品。气液固状态均适合，测定方便，制样简单；(3)分析时间短，傅里叶红外光谱仅需一秒。(4)样品用量少(1~5mg)，且可回收。(5)红外光谱仪结构简单，价格低廉。在讲述上述内容后，对傅里叶红外光谱仪的结构、使用方法、样品制备原则等进行讲述，该部分主要是让同学们简单了解，使用大量的实物图进行介绍，同学们学的很轻松。

2.3分组讨论

在学习期间，尤其是课程中期同学们疲劳时，作者出了一个简单问题，通过学习通APP进行分组讨论。讨论的问题是红外光的性质及应用。随机将同学们分成六个小组，边讨论边回答问题，同学们展现出了极大的兴趣。红外光的性质包括以下几点：(1)红外光具有一切光具有的性质，比如折射，反射，干涉，衍射等；(2)红外光的能量小，达不到原子、分子解体的能量；(3)红外光的热效率高，可用来进行烘干，人体理疗等。随着讨论的进行，回答内容逐条增加，说明所有同学都在做贡献，经过大家的努力，最后的答案非常全面。

2.4课程测试

在课程的最后，通过学习通APP对课程内容进行测试，幻灯片回到本节课开始的位置，让同学们限时回答红外光谱图中硅碳键，羟基，硅氧硅键产生的机理，进一步回顾了分子的运动与能态、分子振动模型和红外光与红外吸收谱线等知识点。

2.5课程思政

在课程进行中，作者首先介绍的是红外光谱及红外光谱仪的发展，讲述国内外学者对该项技术的贡献，并根据此引出国内学者及研发机构的贡献。红外光谱发现于19世纪初，但直到1982年，国外研究者利用岩盐棱镜和热辐射计测试出了20多种有机化合物的红外光谱图，1905年科学家已经可以探测出128种有机和无机化合物的红外光谱图，确定了红外光与分子结构间的作用关系，1930年红外光谱发展到了一个新的高度。和之前学习的X射线衍射一样，理论确定之后，将是仪器设备的发展。1947年第一台实用的双光束自动记录的红外光谱仪问世，20世纪50年代初相继发表了特征吸收谱带频率表和复杂分子的红外光谱，60年代，用光栅代替棱镜作分光器，为第二代红外光谱仪。第三代红外光谱仪是干涉型傅里叶红外光谱仪，出现在70年代以后。这些时间段我国正处在建国初期，在理论研究和仪器设备制造等方面明显落后于国外。但近年来，我国无论在理论研究还是仪器设备制造方面已取得突破性发展，在面对国外卡脖子技术困扰时，奋发图强，攻坚克难，已完成了红外光谱仪的国产化。期间介绍了天津港东公司研制开发的具有自主知识产权的FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪，具有性能稳定、操作简便、使用寿命长、维护成本低等特点时，同学们都非常兴奋和自豪，为我国近年来高尖端科学技术的发展点赞，纷纷表示中国正在经历着民族的伟大复兴，作为见证者及未来即将成为参与者感到高兴。通过课程思政，使同学们学习积极性提高，从思想高度上学习这门课程，一定会取得显著的成效。

3总结

本文以红外光谱分析为例详细介绍了《材料研究与测试方法》课程的设计及推进方法，期间结合作者自己的科研积累，巧妙设计课程推进方法，增强同学们的实践能力。从课前复习设计，课程导入与讲解，分组讨论，课程测试及课程思政五个方面具体阐述，切实实现每堂课复习-学习-测试相结合，课程推进逻辑性强，教学效果突出，有利于提高我校应用型人才培养质量。

作者：董宾宾 郑希辰 王青峰 王黎 殷超凡 贾铁昆 郭炎飞 付芳 闵志宇 单位：洛阳理工学院材料科学与工程学院