《材料研究與測(cè)試方法》課程設(shè)計(jì)分析范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了《材料研究與測(cè)試方法》課程設(shè)計(jì)分析參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
[摘要]《材料研究與測(cè)試方法》是材料學(xué)科的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容為材料結(jié)構(gòu)、物相、成分的分析原理及其方法，使同學(xué)具備從事材料生產(chǎn)與研究所必要的測(cè)試與分析能力。為了更好地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)與推進(jìn)，以紅外光譜分析為例，從教師科學(xué)研究實(shí)例中設(shè)計(jì)課程結(jié)構(gòu)，確定課程推進(jìn)方案，結(jié)合實(shí)際講述本節(jié)課要點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知與實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)每堂課復(fù)習(xí)-學(xué)習(xí)-測(cè)試相結(jié)合，為全面落實(shí)立德樹人，提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
[關(guān)鍵詞]材料研究與測(cè)試方法；課程設(shè)計(jì)；課程推進(jìn)；教學(xué)方法；紅外光譜分析
1引言
《材料研究與測(cè)試方法》是材料學(xué)科的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課，是無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)的一門重要專業(yè)課。學(xué)好《材料研究與測(cè)試方法》這門課程，有利于培養(yǎng)學(xué)生具備識(shí)別、分析、解決無(wú)機(jī)非金屬材料產(chǎn)品制備與生產(chǎn)過程中工程問題的專業(yè)技術(shù)能力，滿足企業(yè)對(duì)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的需求[1-3]。《材料研究與測(cè)試方法》在眾多專業(yè)基礎(chǔ)課中是最難的課之一，需學(xué)習(xí)多種測(cè)試方法的原理，需要較多的物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)知識(shí)做基礎(chǔ)，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)用型本科院校的學(xué)生是比較困難的。此外，這門課需要了解很多的設(shè)備，這些設(shè)備大都是極其精密的儀器，且很多是國(guó)家卡脖子的技術(shù)或設(shè)備，學(xué)習(xí)起來極為抽象。隨著我國(guó)科技和精密加工的快速發(fā)展，很多卡脖子技術(shù)得到突破，有利于增強(qiáng)學(xué)生們的愛國(guó)主義精神，對(duì)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興信心倍增[5-7]。作為該課程的老師，作者多年來從事無(wú)機(jī)非金屬材料的研究，具備相關(guān)的實(shí)踐能力。因此，在進(jìn)行課程講述過程中，結(jié)合自己的科研積累，可巧妙設(shè)計(jì)課程推進(jìn)方法，增強(qiáng)同學(xué)們的實(shí)踐能力。紅外光譜分析近年來廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、石油、環(huán)保、食品、材料、半導(dǎo)體、光學(xué)等領(lǐng)域，是實(shí)驗(yàn)室科研以及企業(yè)生產(chǎn)不可或缺的分析測(cè)試工具。紅外光譜分析是課程的后期內(nèi)容，本文目的通過該知識(shí)點(diǎn)介紹作者課程推進(jìn)方法，切實(shí)實(shí)現(xiàn)每堂課復(fù)習(xí)-學(xué)習(xí)-測(cè)試相結(jié)合，為全面落實(shí)立德樹人，提高我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
2課程設(shè)計(jì)與推進(jìn)
2020年10月作者在ACSAppliedEnergyMateria期刊上發(fā)表了一篇題為HardSiOCMicrobeadsasaHigh-PerformanceLithium-IonBatteryAnode的文章[8]，在2021年上半年的《材料研究與測(cè)試方法》課程中，作者反復(fù)將該文章的實(shí)例作為講述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)復(fù)習(xí)-學(xué)習(xí)-測(cè)試相結(jié)合，引導(dǎo)同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中聯(lián)系實(shí)際，增加同學(xué)們的科研興趣與熱點(diǎn)追蹤能力，為今后的學(xué)習(xí)、工作和科研生活打下良好基礎(chǔ)。
2.1課前復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)
在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，已完成了X射線衍射，掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等章節(jié)的學(xué)習(xí)。因此，在本節(jié)課的開始，通過上述實(shí)例進(jìn)行復(fù)習(xí)。在復(fù)習(xí)前，先和同學(xué)們分享一些關(guān)于鋰離子電池的前沿內(nèi)容，由此引出了今天所要復(fù)習(xí)的內(nèi)容。首先介紹鋰離子電池，它是由正極、負(fù)極、電解液和隔膜組成的，并向同學(xué)們提出問題：現(xiàn)有的鋰離子電池面臨什么問題，同學(xué)們對(duì)電池有什么需求等。同學(xué)們特別感興趣，踴躍回答問題，期間提到了高容量，快充及安全性等問題，這些問題正是鋰離子電池發(fā)展過程中急需解決的問題。作者針對(duì)每個(gè)問題做詳細(xì)解答后，引出了上述文章主要內(nèi)容：負(fù)極材料和硅負(fù)極。硅氧碳材料是一種先進(jìn)的無(wú)機(jī)非金屬材料，可用做鋰離子電池負(fù)極。在科學(xué)研究中，我們逐步對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是想獲得內(nèi)部多孔且電化學(xué)性能優(yōu)異的微米級(jí)球形粉。為了分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先借助掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，我們制備的是50微米以下的微球，我們科研的目的就是制備可直接刮涂電極的負(fù)極材料，因此通過掃描電子顯微鏡可實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)任務(wù)的表征。在此期間幫助同學(xué)們回顧了掃描電鏡二次電子成像的原理。為了探究材料的元素組成，通過與掃描電子顯微鏡配套EDS能譜可進(jìn)行分析，結(jié)果表明，制備的材料和預(yù)想的一致，為硅、氧和碳三個(gè)元素，且三個(gè)元素的比例可確定。
2.2課程導(dǎo)入及講解
為了探究材料的相組成，作者的研究思路是進(jìn)行X射線衍射分析，遺憾的是通過X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，材料無(wú)特征峰，為無(wú)定型非晶相。這有利于回顧了之前所學(xué)的X射線衍射的物理學(xué)基礎(chǔ)以及X射線衍射圖譜的識(shí)讀。請(qǐng)同學(xué)回答了橫縱坐標(biāo)各代表的含義，進(jìn)一步復(fù)習(xí)了布拉格方程的相關(guān)知識(shí)。此外，透射電子顯微鏡也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，尤其是高分辨和電子衍射花樣。為了驗(yàn)證材料是非晶態(tài)的，對(duì)材料進(jìn)行透射電子顯微鏡高分辨觀察和電子衍射花樣的測(cè)試，結(jié)果均證實(shí)是非晶態(tài)的，因?yàn)闆]有出現(xiàn)晶格條紋和衍射斑點(diǎn)。因此，通過這一篇科研文章，把之前學(xué)的內(nèi)容全都復(fù)習(xí)了一遍。但之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容仍然無(wú)法揭示出材料的分子結(jié)構(gòu)或化學(xué)鍵形式，因此基于該問題，課程自然導(dǎo)入本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容紅外光譜分析。之前學(xué)習(xí)的測(cè)試方法均未能實(shí)現(xiàn)材料分子結(jié)構(gòu)的表征，借助紅外光譜分析，可探究材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，制備的材料由硅碳鍵，羥基，硅氧硅鍵組成，這樣同學(xué)們有豁然開朗的感覺。導(dǎo)入過程如圖1所示。通過紅外光譜內(nèi)容的導(dǎo)入，同學(xué)們興趣滿滿，想知道紅外光譜為什么能測(cè)試材料的分子結(jié)構(gòu)，怎樣實(shí)現(xiàn)的。因此課程內(nèi)容就包括了紅外光譜概述，分子的運(yùn)動(dòng)與能態(tài)，分子振動(dòng)模型和紅外光與紅外吸收譜線的詳細(xì)介紹，有序的學(xué)習(xí)關(guān)于紅外光譜的全部知識(shí)點(diǎn)。關(guān)于紅外光譜概述主要介紹紅外光譜分析的定義和發(fā)展史，紅外光普分析是基于紅外光與物質(zhì)相互作用，揭示物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。而紅外光譜是一種分子振動(dòng)光譜，當(dāng)物質(zhì)受到紅外光作用時(shí)，分子或原子基團(tuán)產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)光進(jìn)行吸收。分子運(yùn)動(dòng)與能態(tài)回顧了之前學(xué)習(xí)的大學(xué)物理和無(wú)機(jī)化學(xué)知識(shí)。先是和同學(xué)們回顧原子能級(jí)，進(jìn)而推進(jìn)研究分子能級(jí)。在分子能級(jí)中除了原子能級(jí)的存在，同時(shí)具有電子能級(jí)，振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，這里重點(diǎn)介紹電子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，引出紅外光譜為振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜。分子的振動(dòng)模型介紹了雙原子分子和多原子分子的振動(dòng)模型。首先針對(duì)雙原子分子進(jìn)行講解，建立諧振子模型，利用經(jīng)典力學(xué)模型揭示雙原子振動(dòng)，把兩個(gè)原子看做由彈簧連接的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)，兩個(gè)原子在鍵軸上做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，得出兩個(gè)重要結(jié)論即：振動(dòng)頻率與原子振動(dòng)距離無(wú)關(guān)，振動(dòng)頻率與化學(xué)鍵力常數(shù)和質(zhì)量有關(guān)。從雙原子分子振動(dòng)到多原子分子，分子中各基團(tuán)的復(fù)雜振動(dòng)可以看作一系列相互獨(dú)立的簡(jiǎn)單振動(dòng)的迭加，這些獨(dú)立的、較簡(jiǎn)單的振動(dòng)方式稱為簡(jiǎn)正振動(dòng)，每個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)代表一種振動(dòng)方式，有其特有的振動(dòng)頻率。用動(dòng)畫的形式展示振動(dòng)的方式和方向，包括對(duì)稱伸縮振動(dòng)(鍵角保持不變，相鄰鍵長(zhǎng)同步伸長(zhǎng))，非對(duì)稱伸縮振動(dòng)(鍵角保持不變，相鄰鍵其一鍵長(zhǎng)伸長(zhǎng)，另一鍵長(zhǎng)縮短)，剪切彎曲振動(dòng)(鍵長(zhǎng)不變，鍵角增大或縮小，相鄰鍵處在同一平面)，平面搖擺振動(dòng)(鍵角和鍵長(zhǎng)均保持不變，相鄰鍵處同一平面)，非平面搖擺振動(dòng)(相鄰鍵同步向里向外，鍵長(zhǎng)與鍵角保持不變)，扭曲振動(dòng)(相鄰鍵其一向內(nèi)，另一向外振動(dòng)，鍵長(zhǎng)不變，鍵角變化)，引出振動(dòng)自由度。任何分子都有3個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)(或2個(gè)線性分子)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即具有6個(gè)(或5個(gè))使分子變形的自由度。振動(dòng)自由度數(shù)目為3N-6(或3N-5，線性分子。)第四個(gè)知識(shí)點(diǎn)為紅外吸收光譜，也是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。因此在講第四個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)先講述了紅外光。聯(lián)系了大量的實(shí)際，比如紅外光的性質(zhì)，能量小且熱效率高，可用于烘干和人體理療等，同學(xué)們學(xué)習(xí)到了日常生活中一些設(shè)備的原理，非常感興趣。講完紅外光的性質(zhì)，就可以引出紅外區(qū)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，可伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。最后講述了難點(diǎn)，包括紅外光的吸收過程，只有發(fā)生偶極矩變化的振動(dòng)才能產(chǎn)生紅外吸收譜帶，我們稱這種振動(dòng)為紅外活性的，反之為非紅外活性的。舉例說明沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無(wú)紅外活性。如單原子分子：銅，鐵，鋁等金屬和同核雙原子分子：N2、O2、Cl2等。最后紅外譜線的形成，紅外光譜的特點(diǎn)，具體介紹紅外吸收峰的數(shù)量，位置，形狀以及強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的材料的結(jié)構(gòu)特征。紅外譜線的特點(diǎn)分五點(diǎn)：(1)可用來推測(cè)某種官能團(tuán)的存在與否，確定化合物結(jié)構(gòu)。(2)不破壞樣品。氣液固狀態(tài)均適合，測(cè)定方便，制樣簡(jiǎn)單；(3)分析時(shí)間短，傅里葉紅外光譜僅需一秒。(4)樣品用量少(1~5mg)，且可回收。(5)紅外光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。在講述上述內(nèi)容后，對(duì)傅里葉紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)、使用方法、樣品制備原則等進(jìn)行講述，該部分主要是讓同學(xué)們簡(jiǎn)單了解，使用大量的實(shí)物圖進(jìn)行介紹，同學(xué)們學(xué)的很輕松。
2.3分組討論
在學(xué)習(xí)期間，尤其是課程中期同學(xué)們疲勞時(shí)，作者出了一個(gè)簡(jiǎn)單問題，通過學(xué)習(xí)通APP進(jìn)行分組討論。討論的問題是紅外光的性質(zhì)及應(yīng)用。隨機(jī)將同學(xué)們分成六個(gè)小組，邊討論邊回答問題，同學(xué)們展現(xiàn)出了極大的興趣。紅外光的性質(zhì)包括以下幾點(diǎn)：(1)紅外光具有一切光具有的性質(zhì)，比如折射，反射，干涉，衍射等；(2)紅外光的能量小，達(dá)不到原子、分子解體的能量；(3)紅外光的熱效率高，可用來進(jìn)行烘干，人體理療等。隨著討論的進(jìn)行，回答內(nèi)容逐條增加，說明所有同學(xué)都在做貢獻(xiàn)，經(jīng)過大家的努力，最后的答案非常全面。
2.4課程測(cè)試
在課程的最后，通過學(xué)習(xí)通APP對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試，幻燈片回到本節(jié)課開始的位置，讓同學(xué)們限時(shí)回答紅外光譜圖中硅碳鍵，羥基，硅氧硅鍵產(chǎn)生的機(jī)理，進(jìn)一步回顧了分子的運(yùn)動(dòng)與能態(tài)、分子振動(dòng)模型和紅外光與紅外吸收譜線等知識(shí)點(diǎn)。
2.5課程思政
在課程進(jìn)行中，作者首先介紹的是紅外光譜及紅外光譜儀的發(fā)展，講述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的貢獻(xiàn)，并根據(jù)此引出國(guó)內(nèi)學(xué)者及研發(fā)機(jī)構(gòu)的貢獻(xiàn)。紅外光譜發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)初，但直到1982年，國(guó)外研究者利用巖鹽棱鏡和熱輻射計(jì)測(cè)試出了20多種有機(jī)化合物的紅外光譜圖，1905年科學(xué)家已經(jīng)可以探測(cè)出128種有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的紅外光譜圖，確定了紅外光與分子結(jié)構(gòu)間的作用關(guān)系，1930年紅外光譜發(fā)展到了一個(gè)新的高度。和之前學(xué)習(xí)的X射線衍射一樣，理論確定之后，將是儀器設(shè)備的發(fā)展。1947年第一臺(tái)實(shí)用的雙光束自動(dòng)記錄的紅外光譜儀問世，20世紀(jì)50年代初相繼發(fā)表了特征吸收譜帶頻率表和復(fù)雜分子的紅外光譜，60年代，用光柵代替棱鏡作分光器，為第二代紅外光譜儀。第三代紅外光譜儀是干涉型傅里葉紅外光譜儀，出現(xiàn)在70年代以后。這些時(shí)間段我國(guó)正處在建國(guó)初期，在理論研究和儀器設(shè)備制造等方面明顯落后于國(guó)外。但近年來，我國(guó)無(wú)論在理論研究還是儀器設(shè)備制造方面已取得突破性發(fā)展，在面對(duì)國(guó)外卡脖子技術(shù)困擾時(shí)，奮發(fā)圖強(qiáng)，攻堅(jiān)克難，已完成了紅外光譜儀的國(guó)產(chǎn)化。期間介紹了天津港東公司研制開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀，具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)時(shí)，同學(xué)們都非常興奮和自豪，為我國(guó)近年來高尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展點(diǎn)贊，紛紛表示中國(guó)正在經(jīng)歷著民族的偉大復(fù)興，作為見證者及未來即將成為參與者感到高興。通過課程思政，使同學(xué)們學(xué)習(xí)積極性提高，從思想高度上學(xué)習(xí)這門課程，一定會(huì)取得顯著的成效。
3總結(jié)
本文以紅外光譜分析為例詳細(xì)介紹了《材料研究與測(cè)試方法》課程的設(shè)計(jì)及推進(jìn)方法，期間結(jié)合作者自己的科研積累，巧妙設(shè)計(jì)課程推進(jìn)方法，增強(qiáng)同學(xué)們的實(shí)踐能力。從課前復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)，課程導(dǎo)入與講解，分組討論，課程測(cè)試及課程思政五個(gè)方面具體闡述，切實(shí)實(shí)現(xiàn)每堂課復(fù)習(xí)-學(xué)習(xí)-測(cè)試相結(jié)合，課程推進(jìn)邏輯性強(qiáng)，教學(xué)效果突出，有利于提高我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。
作者：董賓賓 鄭希辰 王青峰 王黎 殷超凡 賈鐵昆 郭炎飛 付芳 閔志宇 單位：洛陽(yáng)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院
