《材料研究與測試方法》課程設計分析范文

本站小編為你精心準備了《材料研究與測試方法》課程設計分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

[摘要]《材料研究與測試方法》是材料學科的一門專業必修基礎課。課程內容為材料結構、物相、成分的分析原理及其方法，使同學具備從事材料生產與研究所必要的測試與分析能力。為了更好地進行課程設計與推進，以紅外光譜分析為例，從教師科學研究實例中設計課程結構，確定課程推進方案，結合實際講述本節課要點，增強學生對課程的認知與實踐能力，實現每堂課復習-學習-測試相結合，為全面落實立德樹人，提高應用型人才培養質量奠定基礎。

[關鍵詞]材料研究與測試方法；課程設計；課程推進；教學方法；紅外光譜分析

1引言

《材料研究與測試方法》是材料學科的一門專業必修基礎課，是無機非金屬材料專業的一門重要專業課。學好《材料研究與測試方法》這門課程，有利于培養學生具備識別、分析、解決無機非金屬材料產品制備與生產過程中工程問題的專業技術能力，滿足企業對專業技術人才培養質量的需求[1-3]?！恫牧涎芯颗c測試方法》在眾多專業基礎課中是最難的課之一，需學習多種測試方法的原理，需要較多的物理、數學和化學知識做基礎，這一點對應用型本科院校的學生是比較困難的。此外，這門課需要了解很多的設備，這些設備大都是極其精密的儀器，且很多是國家卡脖子的技術或設備，學習起來極為抽象。隨著我國科技和精密加工的快速發展，很多卡脖子技術得到突破，有利于增強學生們的愛國主義精神，對實現中華民族偉大復興信心倍增[5-7]。作為該課程的老師，作者多年來從事無機非金屬材料的研究，具備相關的實踐能力。因此，在進行課程講述過程中，結合自己的科研積累，可巧妙設計課程推進方法，增強同學們的實踐能力。紅外光譜分析近年來廣泛應用于醫藥、化工、石油、環保、食品、材料、半導體、光學等領域，是實驗室科研以及企業生產不可或缺的分析測試工具。紅外光譜分析是課程的后期內容，本文目的通過該知識點介紹作者課程推進方法，切實實現每堂課復習-學習-測試相結合，為全面落實立德樹人，提高我校應用型人才培養質量奠定基礎。

2課程設計與推進

2020年10月作者在ACSAppliedEnergyMateria期刊上發表了一篇題為HardSiOCMicrobeadsasaHigh-PerformanceLithium-IonBatteryAnode的文章[8]，在2021年上半年的《材料研究與測試方法》課程中，作者反復將該文章的實例作為講述內容，實現復習-學習-測試相結合，引導同學們在學習過程中聯系實際，增加同學們的科研興趣與熱點追蹤能力，為今后的學習、工作和科研生活打下良好基礎。

2.1課前復習設計

在學習本節課之前，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的學習。因此，在本節課的開始，通過上述實例進行復習。在復習前，先和同學們分享一些關于鋰離子電池的前沿內容，由此引出了今天所要復習的內容。首先介紹鋰離子電池，它是由正極、負極、電解液和隔膜組成的，并向同學們提出問題：現有的鋰離子電池面臨什么問題，同學們對電池有什么需求等。同學們特別感興趣，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展過程中急需解決的問題。作者針對每個問題做詳細解答后，引出了上述文章主要內容：負極材料和硅負極。硅氧碳材料是一種先進的無機非金屬材料，可用做鋰離子電池負極。在科學研究中，我們逐步對其進行測試分析。實驗的目標是想獲得內部多孔且電化學性能優異的微米級球形粉。為了分析實驗結果，首先借助掃描電子顯微鏡觀察發現，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極材料，因此通過掃描電子顯微鏡可實現本項任務的表征。在此期間幫助同學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能譜可進行分析，結果表明，制備的材料和預想的一致，為硅、氧和碳三個元素，且三個元素的比例可確定。

2.2課程導入及講解

為了探究材料的相組成，作者的研究思路是進行X射線衍射分析，遺憾的是通過X射線衍射分析發現，材料無特征峰，為無定型非晶相。這有利于回顧了之前所學的X射線衍射的物理學基礎以及X射線衍射圖譜的識讀。請同學回答了橫縱坐標各代表的含義，進一步復習了布拉格方程的相關知識。此外，透射電子顯微鏡也是學習的難點，尤其是高分辨和電子衍射花樣。為了驗證材料是非晶態的，對材料進行透射電子顯微鏡高分辨觀察和電子衍射花樣的測試，結果均證實是非晶態的，因為沒有出現晶格條紋和衍射斑點。因此，通過這一篇科研文章，把之前學的內容全都復習了一遍。但之前學習的內容仍然無法揭示出材料的分子結構或化學鍵形式，因此基于該問題，課程自然導入本節課的重點內容紅外光譜分析。之前學習的測試方法均未能實現材料分子結構的表征，借助紅外光譜分析，可探究材料內部的分子結構，制備的材料由硅碳鍵，羥基，硅氧硅鍵組成，這樣同學們有豁然開朗的感覺。導入過程如圖1所示。通過紅外光譜內容的導入，同學們興趣滿滿，想知道紅外光譜為什么能測試材料的分子結構，怎樣實現的。因此課程內容就包括了紅外光譜概述，分子的運動與能態，分子振動模型和紅外光與紅外吸收譜線的詳細介紹，有序的學習關于紅外光譜的全部知識點。關于紅外光譜概述主要介紹紅外光譜分析的定義和發展史，紅外光普分析是基于紅外光與物質相互作用，揭示物質的組成、結構及內部運動的規律。而紅外光譜是一種分子振動光譜，當物質受到紅外光作用時，分子或原子基團產生振動對光進行吸收。分子運動與能態回顧了之前學習的大學物理和無機化學知識。先是和同學們回顧原子能級，進而推進研究分子能級。在分子能級中除了原子能級的存在，同時具有電子能級，振動能級和轉動能級，這里重點介紹電子的振動能級和轉動能級，引出紅外光譜為振動-轉動吸收光譜。分子的振動模型介紹了雙原子分子和多原子分子的振動模型。首先針對雙原子分子進行講解，建立諧振子模型，利用經典力學模型揭示雙原子振動，把兩個原子看做由彈簧連接的兩個質點，兩個原子在鍵軸上做簡諧振動，得出兩個重要結論即：振動頻率與原子振動距離無關，振動頻率與化學鍵力常數和質量有關。從雙原子分子振動到多原子分子，分子中各基團的復雜振動可以看作一系列相互獨立的簡單振動的迭加，這些獨立的、較簡單的振動方式稱為簡正振動，每個簡正振動代表一種振動方式，有其特有的振動頻率。用動畫的形式展示振動的方式和方向，包括對稱伸縮振動(鍵角保持不變，相鄰鍵長同步伸長)，非對稱伸縮振動(鍵角保持不變，相鄰鍵其一鍵長伸長，另一鍵長縮短)，剪切彎曲振動(鍵長不變，鍵角增大或縮小，相鄰鍵處在同一平面)，平面搖擺振動(鍵角和鍵長均保持不變，相鄰鍵處同一平面)，非平面搖擺振動(相鄰鍵同步向里向外，鍵長與鍵角保持不變)，扭曲振動(相鄰鍵其一向內，另一向外振動，鍵長不變，鍵角變化)，引出振動自由度。任何分子都有3個平動自由度，3個(或2個線性分子)轉動自由度，即具有6個(或5個)使分子變形的自由度。振動自由度數目為3N-6(或3N-5，線性分子。)第四個知識點為紅外吸收光譜，也是學習的重點。因此在講第四個知識點時先講述了紅外光。聯系了大量的實際，比如紅外光的性質，能量小且熱效率高，可用于烘干和人體理療等，同學們學習到了日常生活中一些設備的原理，非常感興趣。講完紅外光的性質，就可以引出紅外區對應的振動基態到激發態的躍遷，可伴隨轉動能級的躍遷。最后講述了難點，包括紅外光的吸收過程，只有發生偶極矩變化的振動才能產生紅外吸收譜帶，我們稱這種振動為紅外活性的，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，具體介紹紅外吸收峰的數量，位置，形狀以及強度對應的材料的結構特征。紅外譜線的特點分五點：(1)可用來推測某種官能團的存在與否，確定化合物結構。(2)不破壞樣品。氣液固狀態均適合，測定方便，制樣簡單；(3)分析時間短，傅里葉紅外光譜僅需一秒。(4)樣品用量少(1~5mg)，且可回收。(5)紅外光譜儀結構簡單，價格低廉。在講述上述內容后，對傅里葉紅外光譜儀的結構、使用方法、樣品制備原則等進行講述，該部分主要是讓同學們簡單了解，使用大量的實物圖進行介紹，同學們學的很輕松。

2.3分組討論

在學習期間，尤其是課程中期同學們疲勞時，作者出了一個簡單問題，通過學習通APP進行分組討論。討論的問題是紅外光的性質及應用。隨機將同學們分成六個小組，邊討論邊回答問題，同學們展現出了極大的興趣。紅外光的性質包括以下幾點：(1)紅外光具有一切光具有的性質，比如折射，反射，干涉，衍射等；(2)紅外光的能量小，達不到原子、分子解體的能量；(3)紅外光的熱效率高，可用來進行烘干，人體理療等。隨著討論的進行，回答內容逐條增加，說明所有同學都在做貢獻，經過大家的努力，最后的答案非常全面。

2.4課程測試

在課程的最后，通過學習通APP對課程內容進行測試，幻燈片回到本節課開始的位置，讓同學們限時回答紅外光譜圖中硅碳鍵，羥基，硅氧硅鍵產生的機理，進一步回顧了分子的運動與能態、分子振動模型和紅外光與紅外吸收譜線等知識點。

2.5課程思政

在課程進行中，作者首先介紹的是紅外光譜及紅外光譜儀的發展，講述國內外學者對該項技術的貢獻，并根據此引出國內學者及研發機構的貢獻。紅外光譜發現于19世紀初，但直到1982年，國外研究者利用巖鹽棱鏡和熱輻射計測試出了20多種有機化合物的紅外光譜圖，1905年科學家已經可以探測出128種有機和無機化合物的紅外光譜圖，確定了紅外光與分子結構間的作用關系，1930年紅外光譜發展到了一個新的高度。和之前學習的X射線衍射一樣，理論確定之后，將是儀器設備的發展。1947年第一臺實用的雙光束自動記錄的紅外光譜儀問世，20世紀50年代初相繼發表了特征吸收譜帶頻率表和復雜分子的紅外光譜，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，出現在70年代以后。這些時間段我國正處在建國初期，在理論研究和儀器設備制造等方面明顯落后于國外。但近年來，我國無論在理論研究還是儀器設備制造方面已取得突破性發展，在面對國外卡脖子技術困擾時，奮發圖強，攻堅克難，已完成了紅外光譜儀的國產化。期間介紹了天津港東公司研制開發的具有自主知識產權的FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀，具有性能穩定、操作簡便、使用壽命長、維護成本低等特點時，同學們都非常興奮和自豪，為我國近年來高尖端科學技術的發展點贊，紛紛表示中國正在經歷著民族的偉大復興，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，使同學們學習積極性提高，從思想高度上學習這門課程，一定會取得顯著的成效。

3總結

本文以紅外光譜分析為例詳細介紹了《材料研究與測試方法》課程的設計及推進方法，期間結合作者自己的科研積累，巧妙設計課程推進方法，增強同學們的實踐能力。從課前復習設計，課程導入與講解，分組討論，課程測試及課程思政五個方面具體闡述，切實實現每堂課復習-學習-測試相結合，課程推進邏輯性強，教學效果突出，有利于提高我校應用型人才培養質量。

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：洛陽理工學院材料科學與工程學院