材料物理專業(yè)開設(shè)綜合實驗的嘗試

李延波

摘 要 材料物理方向的學(xué)習(xí)內(nèi)容十分廣泛，對理論知識和動手能力都要求較高。目前的以驗證性實驗為主的實驗方式存在許多不足之處，本文以“固相法制備無鉛壓電陶瓷綜合實驗”為例，介紹了我校對材物專業(yè)開展綜合實驗進行的嘗試，并對實施過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞 實驗教學(xué) 綜合實驗 材料物理

Abstract Material physics direction of learning content is very extensive， both theoretical knowledge and practical ability requirements are higher. The way to test the current has many deficiencies， the lead-free piezoelectric ceramics prepared by solid phase synthesis experiment as an example， introduces the attempt to carry out a comprehensive professional proofreading material experiments， and to find problems in the implementation process are analyzed and summarized.

Keywords experimental teaching； comprehensive experiment； material physics

0 引言

材料物理專業(yè)的主要研究方向有固體物理、陶瓷功能材料、磁性材料、形狀記憶合金材料以及有機發(fā)光材料、高儲能密度介電材料、熱電材料以及環(huán)境功能材料等新型功能材料等。該專業(yè)的課程內(nèi)容包括材料學(xué)基礎(chǔ)知識、材料合成制備、材料及器件的性能檢測等。包含的內(nèi)容非常廣泛，其綜合性及實踐性非常高。而實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是專業(yè)教學(xué)中的重要組成部分，它不僅僅可以使學(xué)生可以理論聯(lián)系實際，更好地掌握理論知識，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、科研能力等。實驗教學(xué)的延伸，是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力、自主能力的重要手段，是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的有效途徑。根據(jù)教育部《2003-2007教育振興行動計劃》，推動高等學(xué)校加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加快實驗教學(xué)改革和實驗室建設(shè)，促進優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學(xué)水平和教育質(zhì)量的精神，實驗的作用和地位日益顯現(xiàn)。如何開設(shè)合適的實驗項目，使學(xué)生可以通過實驗把學(xué)過的理論與實踐聯(lián)系起來并且把各種知識串連起來是一個重要的課題?？梢哉f只有把學(xué)習(xí)到的理論知識能用到實驗上來，才算真正掌握了這些知識。實踐是認(rèn)知的基礎(chǔ)。[1，2]對于材料學(xué)科來說，科學(xué)的方法和科學(xué)的思維方式需要在實際操作中才能得到，否則課本上的知識只能永遠在課本上。

1 目前存在的主要問題

材料物理專業(yè)主要課程包括“晶體學(xué)”“材料物理”“材料現(xiàn)代分析測試技術(shù)”“材料合成制備技術(shù)”等。這些課程從原料的合成制備，到材料的結(jié)構(gòu)表征以及最后的性能測試，內(nèi)容是材料、器件合成制備的不同過程，但其理論課程內(nèi)容相互關(guān)系較小。作為各個獨立的課程，如不能從整體上思考，會直接影響教學(xué)的效果，比如，材料的合成制備過程，會影響材料的結(jié)構(gòu)，而材料的結(jié)構(gòu)又會影響其性能及使用，從單個的課程中難以看到這些相互影響。以往的實驗以驗證性實驗為主：即教師擺好儀器，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書一步一步把實驗進行下去，然后記錄數(shù)據(jù)，完成實驗報告。就內(nèi)容來說，單個的驗證性實驗作用比較片面，學(xué)生難以更深入地理解教學(xué)內(nèi)容；從主動性來說，學(xué)生沒有自主學(xué)習(xí)的動力，難以調(diào)動積極性。而沒調(diào)動學(xué)生主動性的結(jié)果很可能是學(xué)生實驗做完后，并沒有真正理解自己做的東西，然后很快就會忘掉。

從實驗內(nèi)容來說，驗證性實驗通常的內(nèi)容是對樣品進行處理，比如球磨；使用儀器對樣品進行測試，比如密度測試、LCR電橋的測試、居里溫度測試等等，這些實驗內(nèi)容都墨守成規(guī)，學(xué)生做了實驗，但并不知道這些處理方式就是在材料合成中起什么作用，也不知道測試得到這些數(shù)據(jù)代表著什么含義。并且實驗內(nèi)容也難以與當(dāng)前行業(yè)的動態(tài)聯(lián)系起來。

為了改善這種狀況，實驗項目設(shè)計時就需要考慮到調(diào)動學(xué)生的主動性和實驗項目的綜合性，實驗項目要讓學(xué)生真正參與進去，能夠自己查閱資料，設(shè)計實驗條件及實驗步驟。 而綜合實驗不僅僅是對理論課程的驗證，更是對所學(xué)知識的融會貫通，使得學(xué)生可以從整體上理解各個課程和部分的含義。并且通過綜合實驗，可以選擇合適的實驗內(nèi)容，使學(xué)生接觸到相關(guān)研究方向比較前沿的內(nèi)容，而理論課程因為受到教材限制，無法做到這一點。[3-4]

2 材料物理專業(yè)綜合實驗的一個實例

下面以我校材料物理專業(yè)開設(shè)的一個實驗項目“固相法制備無鉛壓電陶瓷綜合實驗”為例，介紹綜合實驗的整體實施及作用。

首先，實驗項目的選題非常重要，所謂選題，就是教師選擇合適的題目，為學(xué)生的實驗設(shè)計定一個大方向。就我們采用的“固相法制備無鉛壓電陶瓷”這個題目來說，壓電陶瓷是一種壓電材料，其主要作用是利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)化，廣泛應(yīng)用于軍事、航天及日常生活的各個領(lǐng)域，如超聲波發(fā)生器、相機和顯微鏡的鏡頭、燃油點火器、艦艇的聲納系統(tǒng)等等，目前全球市值大約有150億美元。但目前所使用的壓電陶瓷有98%是主要成份為鉛的鋯鈦酸鉛（PZT），鉛作為重金屬無論是在生產(chǎn)制造過程中還是使用中以及最后廢物，處理，鉛都對人體及環(huán)境有損害。全球多個國家都先后發(fā)布了禁止含鉛元器件使用的條文。所以無鉛壓電陶瓷是現(xiàn)今的研究熱點之一。選擇該題目可以使學(xué)生實驗內(nèi)容更接近研究前沿，更重要的是無鉛壓電陶瓷的綜合實驗的制備過程采用固相燒結(jié)法，該方法不僅是工業(yè)生產(chǎn)合成的常用方法，而且固相合成所用的高溫爐一般高校材料專業(yè)實驗室都會配備，并且壓電陶瓷要用到的測試設(shè)備都比較常見或者價格便宜配備容易，比如LCR電橋、阻抗分析儀、準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀等。其題目內(nèi)容也契合材料物理專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)。endprint

從實驗內(nèi)容來說，無鉛壓電陶瓷綜合實驗的步驟大體可分為“實驗方案設(shè)計”、“合成制備”、“性能測試”、“結(jié)果分析”四個部分，

“實驗方案設(shè)計”部分需要教師首先告訴學(xué)生實驗的基本要求，比如本實驗的基本要求為“固相燒結(jié)法制備無鉛壓電陶瓷”，即要求學(xué)生所做的材料為“無鉛壓電陶瓷”，合成方法為“固相燒結(jié)”法。然后還需要指導(dǎo)教師列出實驗室現(xiàn)有的儀器以及試劑的條件。學(xué)生在此基礎(chǔ)上明確自己的實驗?zāi)康?，查閱相關(guān)的文獻，盡量選擇實驗過程中所用試劑和設(shè)備是實驗室現(xiàn)有的。然后選擇合適的配方及實驗方案，方案交給老師后，教師再根據(jù)實驗室的具體時間安排和設(shè)備條件，對學(xué)生設(shè)計的實驗方案進行修改調(diào)整。調(diào)整后，學(xué)生就可以根據(jù)各自小組的實驗設(shè)計方案進行實驗。通過該步驟，學(xué)生會首先掌握或者強化針對特定需求查閱資料、分析篩選資料從中提取自己需要的知識點的能力。而要完成實驗設(shè)計、做出實驗配方及實驗條件數(shù)據(jù)，學(xué)生需要了解整個實驗從合成制備到性能測試的全部流程，包括原料配方，合成過程中需要用到的各種儀器設(shè)備和參數(shù)設(shè)定，以及化學(xué)試劑。

“合成制備”的步驟，即學(xué)生按照修改后的實驗方案進行實驗，該步驟也是綜合實驗的中心，壓電陶瓷的實驗步驟大體可以分為配方稱重、混料、預(yù)燒、壓片、燒結(jié)等步驟，不同的實驗設(shè)計細節(jié)及實驗條件上稍有偏差。配方稱重部分，學(xué)生需要根據(jù)所使用的壓片模具的直徑、擬壓片的厚度，以及樣品的理論密度計算出單片重量，再根據(jù)要求的片數(shù)得到總重量，最后根據(jù)自己所設(shè)計的配方分子式，計算出需要的各個原料化合物的質(zhì)量。該步驟可有效鍛煉學(xué)生實際應(yīng)用中根據(jù)分子式計算各單個配料的能力。稱重完成后，則根據(jù)實際情況，使用研缽或球磨機混合樣品，混合后，根據(jù)自己設(shè)計的方案直接進行預(yù)燒，或者成型后預(yù)燒，最后再進行成型燒結(jié)。通過此步驟，學(xué)生可以掌握一般功能陶瓷燒結(jié)的過程。

“性能測試”，該步驟是對燒結(jié)得到壓電陶瓷片進行性能測試，根據(jù)實驗室的條件，可以對居里溫度Tc、壓電常數(shù)d33、機電耦合系數(shù)Kp、密度€%j、損耗角正切tg€%]等參數(shù)進行測試。通過次步驟，學(xué)生可以掌握燒結(jié)后樣品的上電極處理、LCR電橋使用、阿基米德法測量密度、介電曲線法測量居里溫度，阻抗分析儀測量機電耦合系數(shù)的能力。相比單個的驗證性實驗，會更加深刻理解各參數(shù)的意義。整個實驗過程會幫助理解材料的配方與合成工藝步驟對樣品性能的影響。

“結(jié)果分析”，得到性能測試結(jié)果后，對比自己的試樣性能與所參閱文獻的性能，分析實驗中的不足之處和可以改進的地方。對比自己得到的數(shù)據(jù)與同學(xué)其它同學(xué)的數(shù)據(jù)，加深理解原料配方、實驗條件對結(jié)果的影響，并把總結(jié)書寫到實驗報告上。

3 結(jié)果與討論

目前“無鉛壓電陶瓷綜合實驗”已在我校材料物理方向開展過一屆，在實驗中，學(xué)生的積極性和主動性得到了極大的提高。他們會反復(fù)演算配方，認(rèn)真進行各個實驗步驟，互相比較各自的樣品性能，分析總結(jié)實驗結(jié)果?？傮w來說該綜合實驗的開展比較成功。

但是實驗進行過程中也暴露了一些問題，首先，綜合設(shè)計性實驗對學(xué)生能力要求較高，需要有較好的查閱分析文獻能力，才能從論文中總結(jié)出配方、儀器、實驗條件等參數(shù)。設(shè)計出合理的實驗方案，學(xué)生完成該項目難度較大。其次，開放性的綜合實驗對教師的能力要求很高，學(xué)生可能會查閱到高中各樣的文獻，對教師的專業(yè)知識和指導(dǎo)能力提出了極高的要求，指導(dǎo)教師需要對所開設(shè)實驗的方向具備一定的研究基礎(chǔ)。再次，實驗室的條件難以滿足完全的開放設(shè)計實驗需求，各種配方需要的化學(xué)藥品種類極多，實驗室可能只有其中的一小部分，實驗室的儀器也難以滿足需要，特殊的儀器實驗室很少能配備，因整個實驗合成制備部分需要兩天左右，如果每個學(xué)生的燒結(jié)溫度都不相同的話，最基本的高溫爐都無法滿足需求，我們實際試驗中采用的是分少數(shù)幾個組進行實驗的方式。最后，目前進行的實驗步驟中，最后對得到的樣品只進行了性能檢測，并未進行結(jié)構(gòu)分析，而結(jié)構(gòu)分析是材料研究中的重要部分，有了結(jié)構(gòu)分析才能真正讓材料的“結(jié)構(gòu)”、“性能”和“應(yīng)用”聯(lián)系起來。這些都需要以后的進一步發(fā)展改善。

參考文獻

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