將應用實例引入無機材料分析方法課程教學實踐研究*

李 妍，葛 強

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

無機材料分析方法是一門以材料分析和表征方法為主要講授內(nèi)容的課程，通過對合成材料的表面微觀形貌、晶格結(jié)構(gòu)、成分以及性能測試和分析，建立起它們之間的關(guān)系或是基本規(guī)律，為無機材料應用奠定基礎。因而無機材料分析方法是無機非金屬材料工程專業(yè)的必修課程，是材料相關(guān)領域的基礎課程。因此，是否學好無機材料分析表征方法的知識點將直接影響到后續(xù)無機材料專業(yè)核心課程的學習[1]。

無機材料分析方法是一門實踐性很強的課程，是將理論知識學習和實驗結(jié)果分析相互融合的課程。在材料的科學研究中，無論是新材料的合成還是已有材料的改性，均會使用相應的表征手段對材料結(jié)構(gòu)和成分進行分析，因此科研之中將有很多實例可以用于課堂教學。近年來，隨著我國科學研究水平的逐步提高，科研成果突飛猛進，尤其是納米材料的研究已經(jīng)達到國際領先水平。而納米材料表征手段首要選用電鏡分析，因此納米材料的科研實例對于分析方法電鏡部分的知識點講解和理解往往更具有典型性，可以作為具體例子應用于電鏡分析的知識點理解，和拓展應用中。而且在教學過程中引入科技前沿實例使基礎理論知識形象化，不僅能增加學生對這門課程的興趣，加深學生對分析方法的理解，更能調(diào)動課堂上學生的積極性，以及激發(fā)學生對科學研究的潛力。因此，結(jié)合最新科學研究進展，進行傳統(tǒng)無機材料分析方法的教學改革具有重要意義和實際的可執(zhí)行性。

1 科研實踐實例

1.1 質(zhì)厚成像

質(zhì)厚成像原理是無機非晶體材料透射電子成像的重要組成部分。同學們對于同一材料由于厚度不同而引起的襯度可以理解，但是對于由于原子序數(shù)不同引起的圖像襯度，雖然也能明白原子對電子束散射能力不同將引起襯度差別，但是教材中缺少直觀的電鏡照片圖像加以理解。為了將抽象的概念形象化，筆者將多孔硅包覆的四氧化三鐵電鏡照片引入到課堂教學中，該結(jié)構(gòu)是近幾年研究很熱的磁熱、光熱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(見圖1)[2]。同學們看到單一的四氧化三鐵基本看不到圖像襯度的差別，但是其外面包覆了多孔硅材料之后，由于四氧化三鐵的分子量明顯大于硅材料，可以看到顆粒內(nèi)部四氧化三鐵存在的區(qū)域明顯更暗。結(jié)合教材上質(zhì)厚成像原理圖，同學們可以更加簡單明了地理解了質(zhì)厚成像原理。

圖1 Fe3O4透射電鏡照片(A)；多孔硅包覆的Fe3O4透射電鏡照片(B)；質(zhì)厚成像原理(C)

1.2 電子衍射斑點

在透射電鏡成像部分，同學們最容易混淆的就是利用衍射束形成的暗場像和電子衍射中的衍射斑點，往往認為暗場像就是衍射斑點像。因此在這部分中，引入了Cu3O4和Cu2O復合薄膜材料的明場像和暗場像，首先通過對比看出暗場像和明場像的關(guān)系，比如1號和2號區(qū)域，在明場像中分別較暗和較亮，而在暗場像中則相反，分別較亮和較暗。再對比它們各自區(qū)域的衍射斑點圖案，具體說明電子衍射模式下衍射斑點和成像模式下衍射束的暗場像的區(qū)別[3]。

圖2 透射電子顯微分析Cu3O4和Cu2O復合薄膜的明場像(a)；透射電子顯微分析Cu3O4和Cu2O復合薄膜的暗場像(b);(c)和(d)為對應1和2區(qū)域的電子衍射斑點花樣

1.3 高分辨像

圖3 TiO2的透射電鏡照片(a)；TiO2的高分辨透射電鏡照片(b)；TiO2的電子衍射模式(c)

透射電子顯微分析的高分辨像與電子衍射模式的電子斑點是教學的重點和難點，書本上對于這部分進行了大篇幅的講解，但是例子較少，普遍存在學生不知道該如何運用的問題。在這部分講解中，我們引入了傳統(tǒng)無機材料TiO2[4]。對于制備的TiO2納米棒，首先進行透射電子顯微分析，確定其形貌特征，進而通過高分辨的透射電子顯微分析，觀察到其(101)晶面，確定其是TiO2。最后通過電子衍射分析，通過衍射斑點特征明確TiO2是銳鈦礦晶型。通過這個例子，使學生明確透射電鏡模式的具體應用。

1.4 掃描電鏡成像

二次電子掃描電鏡圖像具有的優(yōu)點是：分辨率高，無明顯的陰影效應，景深大、立體感強。對于景深大、立體感強這一優(yōu)點，教材上沒有相應的電鏡照片給與附證，加之學生對于景深本就理解有困難，對于這一優(yōu)點學生存在困惑。因此，通過引入石墨烯表面生長氮化鐵的二次電子照片，使同學們看出層次分明的石墨烯和氮化鐵納米顆粒照片，展示二次電子像立體感強的優(yōu)點[5]。

圖4 垂直分布的石墨烯掃描電鏡照片(a)；表面修飾了Fe2N的石墨烯掃描電鏡照片(b)

1.5 整體分析

圖5 表面修飾了Pt顆粒碳管的掃描電鏡照片(a)；表面修飾了Pt顆粒碳管的透射電鏡照片(b)；多孔硅包覆的Fe3O4殼核結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片(c)；多孔硅包覆的Fe3O4殼核結(jié)構(gòu)透射電鏡照片(d)

因為掃描電鏡和透射電鏡都可以觀察樣品的微觀形貌，學生們對于選擇哪種手段表征形貌存在迷惑。在本部分的講解中，我們將碳管和多孔硅包覆的Fe3O4殼核結(jié)構(gòu)引入到具體實例中。首先觀察碳管，通過掃描電鏡雖然可以觀察其表面形貌信息，但是無法獲得其是管狀結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。但是通過透射電鏡照片，很清楚地看到中空的結(jié)構(gòu)。其次，對于具有核殼結(jié)構(gòu)的納米材料，在掃描電鏡觀察時，只能看到形貌信息，無法獲得其準確的核殼結(jié)構(gòu)，而通過透射電鏡可以清晰的看出Fe3O4核和多孔硅-殼的對比信息[2,6]。因此，學生通過這兩個例子可以很清楚地了解到掃面電鏡和透射電鏡在觀察樣品形貌時的區(qū)別，根據(jù)需要采用合適的電鏡表征手段。

2 教學效果評價

經(jīng)過兩年的教學實踐，通過對講授班級同學的課下交流、座談、問卷調(diào)查，為本門課程的教學改革提供了建設性的建議和具有較高價值的效果評價參考。95%的同學對于知識點講解輔以科技前沿實例作為支持的方法非常滿意，表示全新的、高清的電子照片，具有代表性的短視頻對于抽象、較難知識點的理解非常有幫助。同時，極大地增加了同學們探索無機材料新性能的熱情，增強了學生對于本學科學習的興趣。另外，5%的同學也表示滿意，并希望將科研成果進一步延深至宏觀的應用領域。通過這些反饋，不僅充分肯定了此次課程改革的重要性，也為下一步完善改革舉措，豐富課堂內(nèi)容，更合理的課程設計，指明了方向。接下來，我們將在全面總結(jié)此次改革效果的基礎上，進一步加大科研成果在教學中作為具體實例講解的比重，進一步發(fā)掘?qū)W生興趣，提高學生的自覺性、主動性、積極性。

3 結(jié) 語

作者從事《無機材料分析方法》課程的教學近十年，通過上述的改革方法不斷改進教學質(zhì)量，取得了優(yōu)異的教學成果。目前高等院校正處于教學改革的重要時期，無機材料相關(guān)課程的教學也需要積極引入新鮮元素。通過教學內(nèi)容的不斷豐富和更新，用科研成果作為課堂教學實例，既滿足學生日益增長的求知需求，也能夠?qū)⒖蒲谐晒M快推廣給學生，激發(fā)廣大學生的科研熱情和投身科研的積極性與主動性。更重要的是適當?shù)乜蒲谐晒谌胝n堂教學有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，為我國培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才奠定基礎。