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无机非金属材料的生产工艺中,大多都要经过原料粉碎、热处理、成型和干燥等工段。如果不采取有效措施,其中的每一个环节都可能对环境产生污染。
1.大气污染。无机非金属材料的生产工艺中,对大气的污染主要有以下三个方面:一是燃料所产生的烟尘和物料处理过程中所产生的粉尘;二是燃料燃烧或矿石分解所产生的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等有毒气体;三是物料在高温反应时所产生的有毒气体和尘粒,包括氟、镉、铅、砷等及它们的化合物。大气污染危害甚大。1952年12月5日清晨,英国伦敦城市上空一带为高气压所控制,地面处于完全无风状态,雾很大,从工厂和家庭排出的烟尘和二氧化硫与雾滴结合形成污染物浓度很高的烟雾,致使数千人生病死亡,这就是著名的伦敦型烟雾。当代世界面临的主要大气环境问题如温室效应、酸雨、臭氧层变薄和出现空洞、洛杉矶烟雾等都是由于大气中的污染物超标引起。大气污染已经严重的危害了地球的生态环境。
2.水污染。无机非金属材料的生产工艺中,水既是生产原料,也是溶剂、洗涤剂、冷却介质和传递介质。在使用过程中,水中会混入各种各样的杂质或者温度升高,成为废水。如果不进行相关的处理,含有酚、砷、氟等有害物质和粉尘、泥砂、煤灰渣等悬浮物的废水排入水体,会危害水中的生物,淤塞河道,极大的降低水的使用价值。水体污染会造成水质恶化,危害人体的健康,破坏生态环境。3.噪音污染。伴随着无机非金属材料的生产过程的噪声污染也是人们生活中的公害之一。无机非金属材料的生产过程的噪声主要产生于风机、机械设备和电机等运行之中,它们强度大,连续不断。它对人体造成的影响主要表现在:持续不断的噪声刺激会损伤人的听觉导致耳聋,影响人体的睡眠导致神经衰弱症,此外噪声对人体生理和心理的影响也十分严重。
二、了解污染控制的相关标准,学习污染控制的各种技术手段
环境保护可以从两方面加以研究:一是改善环境,降低环境负荷;二是制造环境负荷低的制品或研究环境负荷低的制品生产工艺。环境负荷大致分为污染型环境负荷和消耗型环境负荷两种。污染型环境负荷是指向水、大气中排放污染物质,是传统的环境问题。消耗型环境负荷主要是指能源、资源的消耗,排放出大量的废弃物等。环保教育是社会主义精神文明建设的重要组成部分,关系着经济的发展和人民的健康。传播环境知识、提高环保意识和环保责任感是学校教育的重要任务。我国在1962年颁布了工业企业设计的卫生标准,首次对居民区内大气中的12种有害物质规定了最高允许浓度。后于1982年颁布了国标GB3095-82《大气环境质量标准》,1996年颁布了GB3095-1996《环境空气质量标准》,用以替代GB3095-82。对二氧化硫(SO2),二氧化碳(CO2),氮氧化物(NOx)等污染物的评价给予了定量的指标。国家颁布GB8978-1996《污水综合排放标准》、GB3838-2002《地表水环境质量标准》和GB3096-93《城市区域环境噪声标准》等对各种工业废水的排放、噪音的控制等进行了限制。环境保护工作不仅仅是环保行政部门的事,它与我们每个人的工作和生活都息息相关。对于专业技术人员,要在了解环境污染的危害和环境治理的标准的基础上,努力学习掌握相关的环保技术。防治空气中的烟尘污染可以改革燃料组成,采用灰分少的优质煤、油或者天然气等洁净燃料,改进燃烧设备和燃烧方法,减少烟气中碳尘的含量。防治粉尘要尽量减少粉料的运输,采用相应的收尘设备并对不同的污染物采用相应的防治措施。对于废水的防治和处理应该根据污染物的类别分别采取净化处理措施。如对于固体悬浮物一般采用沉淀法,利用悬浮物的沉降特性使其与水体分离,对于含砷的废水可以采用硫化物沉淀法等利用砷与其他物质形成稳定的沉淀物除去水中的砷,而对于含铬的废水则利用六价铬的氧化作用,加入适当的还原剂使其还原为低价的铬离子再用沉淀法除去。对于噪音污染首先要从声源上减少噪声的产生,设计和选用低噪音的设备,改进生产工艺和操作方法,当声源控制受到限制时就应当考虑从噪音的传播途径上采取措施,有效的利用建筑物、绿化带等地形地物使噪声衰减,等等。
无机非金属材料是20世纪40年代以后才提出来的,随着现代科学技术的发展,从传统的硅酸盐材料演变而来的。它与有机高分子材料和金属材料并列三大材料之一。主要用于传统工艺上面,比如水泥、陶瓷、玻璃以及耐火材料等等。对现代工艺发展,具有重要的意义。但是,无机非金属材料这个材料并不是大部分人都了解,为了其有利的发展,必须要将其引导至适用其发展的行业上面,本文针对无机非金属这一材料,在未来的发展道路上,该如何发展,如何适应时代要求,做出了相应的发展趋势的探讨。
【关键词】
高效;高科技设备;智能化;引进;升华
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物,氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有从材料的统称。无机非金属材料是现代材料当中必不可少的,水泥、玻璃、陶瓷、等等材料的运用,尤其是建筑业,都是需要无机非金属材料的支撑,它关系着国家的命脉以及人类发展中所必要的材料。随着现代各行各业的发展速度,无机非金属材料也随着现代技术的发展而往更高层次的发展。
一、顺势环境发展,与环境合二为一
现在人们都追求“高利润”“高速度”发展,而没有考虑到环境对人类的重要性。特别是在材料这方面,材料的加工、制作以及运输都是特别容易产生废弃物,如果这些废弃物得不到很好的解决,最坏的结果就是破坏自然环境,打破生态环境。环境是人类赖以生存的基础,人类都是在环境里面生存的,这个是雷打不动的事实,如果一味的靠破坏环境来求得生存,最终都会被自然所抛弃。所以,在强调无机非金属材料的发展中,必须要保证与环境合二为一,确切的保证环境不能遭到污染,生态不能遭到破坏,做到人与自然“和谐发展”。
二、高效、节能、减排三合一
由于传统无机非金属材料产业是一个相对耗能高,环境污染严重的领域。随着世界各地对环境的关注度,务必使这种落后的传统生产方式得到改变,无论是在生产方式还是在经营理念方面,都要进行改变,以便探索出新的研发工艺。社会发展的速度很快,要想顺应社会的发展速度,必须要强调“高效”发展。而在环境保护这方面,必须要节能减排,以便做到与环境的合二为一。高效、节能、减排三合一是适应时展的产物,是社会经济发展与环境协调的体现。无机非金属材料在现实社会中的运用,必须要做到高技术设备与高素质人才并用。高效、节能、减排是国家发展中提出的综合考虑环境因素所做出的发展生产力的方案。
三、与国外发达国家相接
众所周知,中国国内的发展力跟某些发达国家相比较,还是有很大的差距的。中国的发展不能闭关锁国,或者是照搬外国的,这些都是错误的,而且是不现实的。要想获得发展,并且在技术上得到提升,必须要与发达国家相比较,再取其精华去其糟粕,最好是引进一些高素质的专业人才。最好是加快人才的培养,不断进行革新教育设置,把最新的相关知识写入教材,是学习者对无机非金属材料得到认识,让无机非金属材料技术得到升华,推动该项技术的发展。
四、引进国外的高科技设备,提升设备优势
综上所述,发达国家的技术以及设备,甚至是专业人才都是较高的。要想求得该项技术的发展,必须要适当的引进国外的高科技设备,综合所引进的技术,结合国内的发展,再加以提升,不能只是模仿,而不结合本国本地的实际需求,必须要做到“引进与提升”并用,促进无机非金属材料的更好的运用到实际中。
五、大型化生产能力逐渐取代单线生产能力
以往的无机非金属材料的生产能力就是流水线那种很简单的生产能力,大部分都是那种小厂甚至是私人承办的单线生产,没有达到大规模甚至大型化的生产能力。而现代社会发展速度如此之快,单靠这种小型的发展技术是不可能满足现代社会发展需求的,必须要有大型化的生产能力,来支撑这个市场。大型化的生产能力必须是要促进形成若干个有国际竞争力的大型建材集团,建立以企业为主导的新型建材工业科技创新体系,以提高无机非金属新材料品种的多样性。
六、智能化材料取代一体式
ⅢA ⅣA
ⅤA ⅥA
ⅦA
B
C
N
O
F
Al
Si
P
S
Cl
Ga
Ge
As
Se
Br
In
Sn
Sb
Te
I
Tl
Pb
Bi
Po
At
(二)碳碳元素及其单质的性质变化规律
元素名称 元素符号 原子半径
(nm) 主要
化合价 单质的性质 颜色、状态 密度
(g·cm—3) 熔点
(℃) 沸点
(℃) 碳 C 0.077 +2,+4 金刚石:无色固体
石墨:
灰黑色固体 3.51
2.25 3550
3652
—3697
(升华) 4827
4827 硅 Si 0.117 +2,+4 晶体硅:灰黑色固体 2.32—2.34 1410 2355 锗 Ge 0.122 +2,+4 银灰色固体 5.35 937.4 2830 锡 Sn 0.141 +2,+4 银白色固体 7.28 231.9 2260 铅 Pb 0.175 +2,+4 蓝白色固体 11.34 327.5 1740
碳族元素化合价主要有+4和+2,C、Si、Ge、Sn的+4价化合物是稳定的,而Pb的+2价化合物是稳定的。
例 PbO2有强氧化性
阅读下列材料,回答有关的问题
锡、铅两种元素的主要化合价+2价和+4价,其中+2价锡元素和+4价铅元素的化合物均是不稳定的,+2价锡离子有强还原性,+4价铅元素的化合物有强氧化性。例如 Sn2+还原性比Fe2+还原性强。PbO2的氧化性比Cl2氧化性强。
(1)写出下列反应的化学方程式
①氯气跟锡共热__________;②氯气跟铅共热__________;③二氧化铅跟浓盐酸共热__________;
(2)能说明Sn2+还原性比Fe2+还原性强的离子方程式______________。
答案:
(1)
①
②
③
(2)
二.碳族非金属氧化物比较
CO CO2 SiO2 类别 酸性 氧化还原性 强还原性 弱氧化性 弱氧化性 毒性 有毒 无毒 无毒
反应实例:
酸性:H2CO3>H2SiO3
与碱反应:CO2+2OH—=CO32—+H2O CO2+H2O+CO32—=2HCO3— CO2+OH—=HCO3—
思考:CO2通入NaOH溶液中生成的盐是什么?
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
思考:盛放碱液的试剂瓶为什么不能用玻璃塞?
氧化还原性
三、Na2CO3与NaHCO3的比较
Na2CO3 NaHCO3 俗称 纯碱(苏打) 小苏打 溶解性 易溶 易溶 溶液度Na2CO3> NaHCO3 稳定性 稳定 不稳定 与酸反应出CO2速率 慢(分二步)
CO32—+H=HCO3—
HCO3—+H+=H2O+CO2 快(一步)
HCO3—+H+=H2O+CO2 相互转化
方程式如下:
Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3
NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O
四、知识网络
(一)碳及其化合物
(二)硅及其化合物
【关键词】固溶物;无机非金属;非金属材料;应用与研究
0 前言
随着科学的不断进步,新技术开始在各个领域中应用,尤其是进入21世纪以来,新的技术更是如雨后初笋般出现,我们常听到的如纳米材料的应用、超导材料的发现、新能源的研究以及光电子材料的技术发展等一系列新技术和新材料。这对我国的新材料工业来说是一次重大的发展机遇,如果能抓住这次新材料机遇,我国的工业生产将会有一个新的突破。随着固溶物的应用和发展,固溶物的应用和研究越来越广,尤其是近些年来在无机非技术材料中的应用,在制备无机非金属材料中,在材料制备过程中,通过对其内部掺杂杂质、改变压力等一系列条件,来使得非金属材料的性质发生改变,从而赋予非金属材料新的特性。
1 固溶物简介
在溶液中将溶质进行溶解后,理化性质受到微量溶质的决定形成的产物为固溶体。固溶体有很多分类,一般我们根据外来的组元在固溶体中主晶相的固溶度分类,将固溶体分为有限型和连续型两种;按照外来组元在固溶体主晶相的位置分类,可以分成间隙固溶体和置换固溶体;而若按照相图中固溶体所处的位置,则可以分成中间固溶体和端部固溶体两部分。在固溶体的制备方法中,一般常用的有沉淀法、电泳法、溶胶法以及络合法等一系列传统的方法,在最近几年,新兴了一些固溶体的制备方法,但是这些技术和方法还不是很成熟,因此在实际的生产过程中应用较少。这表明固溶体在非金属材料中的应用还有很大的空间去探求,非金属材料制备在固溶体中还有很长一段路要走。
2 固溶体的特性
固溶体的特性一般主要是由固溶物的组成物来决定的,在近些年的无机非金属材料的制备中,在固溶体中掺杂一些性质独特的物质来改变固溶体本身存在的特性,改变固溶体原有的属性。在固溶体中,加入一些稀有元素,会将该元素的特性延伸到固溶体中,会大大提升固溶体的属性。现在一些学者将稀有金属添加到固溶体中,钛使用用最广的一种,钛由于具有密度小,质轻,机械强度高、耐腐蚀、耐酸、耐碱等一系列性能,因此在固溶体中被广泛的应用,掺入钛的固溶体也会具备钛原有的一些属性,使得固溶体的性能得到进一步的加强。还有一些将硅、铝以及石墨加入到固溶体中,让固溶体拥有它们的属性,为非金属材料的制备提供更好的固溶体。
3 固溶体在无机非金属材料中的应用
随着对固溶体的研究越来越多,因此固溶体的应用也越来越广泛,近些年,固溶体开始在无机非金属材料中广泛应用。
3.1 固溶体作为催化剂
在我国,一些研究人员通过将CeO2和ZrO2进行固溶作用,得到了一种新的铈锆氧化物的固溶体,由于之前的二氧化铈是非常好的催化剂,在生物陶瓷材料的制备、燃料电池的电极的生产中都被用作催化剂使用,效果很好。这种由两种氧化物固溶形成的固溶体,其既具有Ce的氧化还原性质,在4价的Ce4+氧化为3价的Ce3+时,发生氧化还原时,会对周围的氧浓度产生缓冲的作用,其中的CeO2直接影响的是铈锆氧化物的固溶体的催化活性,在生物陶瓷的制备过程中,加入铈锆氧化物的固溶体,能有效的将Zr4+引入到立方的晶格中去,在烧结的过程中起到催化作用,使得生产出来的生物陶瓷质量高、性能强,具有一些特性。
在Mn-Ce-O的复合氧化物中,掺入一些铜粉,形成新的复合氧化物的固溶体,同样可以在催化作用中增强其催化的作用,这是由于在合氧化物Cu.Mn―Ce―O三元固溶体中,二价的Cu2+和Mn3+进入到CeO2的晶格中去,使其形成萤石型结构的三元固溶体,这样的催化剂在催化无机非金属材料过程中,提高了氧的活性和吸附能力,提高了固溶体中铜和锰的分散和结合的速度,在无机非金属中会加快化合物表面物质的还原,将催化活性能降到最低,使得生产过程中,无机非金属材料耗能少,降低了成本。
还有一种固溶体是将TiO2中将SnO2掺杂进去形成SnO2-TiO2固溶体,主要的结构为金红石,形成的固溶物由于酸性弱,在固溶物的表面会出现含有吸附氧,在晶格中出现晶格氧。在非金属材料的制备中,TiO2会在反应中被SnO2反应分解,将SnO2-TiO2固溶体的比表面积增大到一定程度,将SnO2-TiO2固溶体的催化活性提升,在宽带隙半导体的制备中能连续反应,催化活性很高。
3.2 固溶体对晶格的影响
在一种发现的钛酸铝固溶体,经过研究和实验,发现钛酸铝具有耐火性、隔热性以及抗震性等一系列优良特点,但是在实际的应用中,发现钛酸铝在高温时,只要温度超过800℃时,就会被分解,在1300℃以下会被分解成金红石和刚玉,这就会让钛酸铝的催化性能降低,不稳定的钛酸铝,要想保证其稳定性,通常会加入一些Fe2O3和MgO,使得钛酸铝形成稳定一点的晶格,有效地抑制钛酸铝固溶体的分解。在无机非金属材料的制备中,钛酸铝固溶物的使用会使得生产的非金属材料压电性稳定、介电常数能够大幅的提升。因此在实际的应用中,钛酸铝固溶体广泛的应用到无机非金属材料的制备中。
3.3 固溶体在新型陶瓷中的应用
在近些年,一些陶瓷公司开始研究钛硅碳系列的陶瓷,这种新型的陶瓷具备强度高、抗压、抗震、抗氧化等一系列优良特性,在一些陶瓷的制备中,采用氧化锆固溶体进行新型陶瓷的应用,由于氧化锆在高温下的结构不同,在1200℃的温度以下结构为单斜相,而在1200℃到2400℃之间的结构为四方晶相,在2400℃以上的结构将形成立方相。在陶瓷的制备过程中,氧化锆固溶体在立方相结构时最稳定,在陶瓷中主要用于制备耐火陶瓷和隔热陶瓷,因此,在制备这些新型陶瓷中,就要对烧制陶瓷的温度进行严格的控制,防止温度的变化导致氧化锆固溶体的结构发生变化,在研究中一般采用的是溶胶凝胶法将氧化锆固溶体掺杂进陶瓷材料中,但是掺杂的比例也会导致制备的陶瓷性能发生变化,这时将加入一定比例的Pr,加入的Pr会将定形的氧化锆固溶体转化为晶相结构的氧化锆。通过实验研究发现,不同的制备技术、不同的Pr掺杂以及不同的温度,生产的新型陶瓷的兴纸业不相同。
4 结束语
随着科学技术的发展,新型材料将会陆续的发现,新的科学技术也会应用到无机非金属材料的制备中。在实际的应用中,通过化合物的拥有不同的膨化系数来将不同的化合物进行固溶,形成新的固溶物来制备超低膨胀无机材料。调整化合物不同的比例也能生产出不同的热膨胀非金属材料。而在一些传统的氧化铝材料中,通过掺杂一些其他新型的氧化物制备成新的固溶物可以制成颜色不同的人工宝石;在锆钛酸铅加入一些镧系氧化物,就能够生产出透明度很高的压电陶瓷。固溶体的特性经过长时间的研究和分析,相信在未来的无机材料生产中应用会越来越广。固溶体的明天将会越来越好。
【参考文献】
关键词 教学改革;案例教学法;多媒体教学
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2012)33-0014-03
无机非金属材料测试方法(以下简称“测试方法”)是无机非金属材料工程专业的一门专业基础课,课程中主要介绍了有关材料科学分析测试仪器的原理与使用、无机材料的表征以及测试数据的处理与分析等内容[1]。本课程的目的是通过教学使学生了解无机非金属材料领域常用的测试方法,了解相关仪器的结构和功能,掌握仪器的基本操作以及如何选用合理的测试方法检测、表征材料的组成和结构,再对所获得的信息进行正确的处理和解释等。
这门课程的学习对该专业的本科生构建相应的知识结构体系起了重要的作用,也为他们以后开展生产实践、毕业论文和材料专业的研究等奠定必要的基础,但是课程内容涵盖面大,涉及的知识十分零散,课程整体缺乏系统性,导致学生学习起来比较困难。因此,如何组织教学内容,理清知识的内在联系,把握好讲授内容的深度和广度,选用恰当的方法进行教学,将决定本课程教学效果的好坏。鉴于此,为进一步提高该门课的教学质量,有必要对课程教学进行改革,包括教学内容、教学方法、教学手段和教学实践等方面的探索和改进,以期获得更好的教学效果。
1 教学内容和教学要求的改进
材料的分析测试方法已经发展有五六十种之多,它们的原理不尽相同,其实多数各自独立,在当前出版的教材中也多是一个章节介绍一种方法,这种相互间缺乏逻辑性联系的知识给学生的学习带来一定的障碍。为此,首先,根据学校的具体情况和非金属专业的要求,选择合适并且必要的测试方法作为教学内容;其次,将这些零散且宽泛的知识进行系统总结和分类,将这些看似相互独立的测试手段通过一定的方式联系起来;最后,在教学中还要轻重分明,详略得当,将重点突出,以便于学生的理解和掌握。
在实际教学中,将这些材料分析方法按其功能进行分类,主要有物相分析、成分分析、形貌分析及组织结构分析四部分。这种分类让学生一开始就对每一种测试方法的用途有所了解,增强了教师教学和学生学习的针对性。下一步是对每一类分析方法在教学过程中再安排三级教学目标,第一级为对基本原理和设备结构的了解,第二级为对使用技术的掌握,第三级为对所得结果的分析和运用[2]。教学中通过对仪器工作原理和结构的介绍,让其了解仪器是如何工作的,实验数据是如何得来的;通过对样品制备和仪器操作的介绍,让学生掌握材料表征的基本技术;通过研究实例的分析,让学生掌握分析方法的原理,学会基本的数据处理技术,进而得出实验结论。
分析测试使用到多种仪器,它们的工作原理往往不同,涉及量子力学、晶体学、电学、磁学、光学、声学等多种知识。对于材料科学与工程专业的学生而言,学习这门课程的主要目的是学会利用仪器测出数据和结果,再对其进行一定的分析。因此,在具体的教学内容上,对每种仪器的原理和结构只作一般性了解,其目的是让学生不仅知其然,还要知其所以然,即测出的数据和结果是如何得到的;而教学的重点则放在各种仪器的使用、样品的制备以及如何处理和分析实验数据上,让教学目标由一般的“以仪器为中心”真正转到“以材料为中心”上。
2 案例教学法的实施
所谓案例教学,就是在教师的指导下,根据教学目的和教学要求,组织学生通过对案例的调查、阅读、思考、分析、讨论和交流等活动,教给学生分析问题和解决问题的方法或道理,进而提高他们分析问题和解决问题的能力,加深对基本概念和原理的理解的一种特定的教学方法[3]。
“测试方法”这门课程虽然涉及的知识和理论很多,但实践性很强,所以采用案例教学方式可能会取得更好的教学效果,为此做了一定的探索和尝试。比如在讲授X射线荧光分析的应用时,有意选取贴近生活的案例:如何确定购买的金戒指是24K。这个案例突出X射线荧光分析的元素定性定量分析和无损检测特点,同时也激起学生学习的兴趣。在学生学完全部测试方法之后,结合本院教师的科研课题,拿出一个综合案例来进行教学。例如,取出一种新制备的纳米粉体,向学生发问:如何确定它的成分和物相?怎么确定该粉体颗粒的粒度、形貌和结构?让学生开动脑筋,灵活应用所学的分析测试手段,通过分组讨论,设计实验方案,仔细进行测试,进行合理分析,最后得出实验结论。又如,拿出一种陶瓷块体材料,要求分析影响其力学性能的因素。这个案例要结合“无机材料的物理性能”等其他学科的知识,首先要知道通常影响材料力学性能的因素有哪些,比如物相、成分以及组织断口形貌等;其次是设计方案利用相应的仪器对这些因素进行检测,再进行系统分析,以得出正确的结论。
实践证明,通过案例教学,充分调动了学生学习的积极性和主动性:通过对所学知识的运用,深化了对理论的理解;通过对实际问题的解决,培养了他们的创新能力;通过学生间、师生间的相互交流和讨论,还培养了他们与人沟通的能力以及团队合作的精神。在案例教学中,学生还了解了材料研究的一般性思维与方法,锻炼了综合运用无机材料的基本知识和分析方法进行科学研究的能力。
当然在实施这种教学方法时,需要注意师生角色的变化。学生是教学活动的主体,由他们独立查阅资料和思考问题,也由他们集体讨论,相互交流,最后拿出最优方案;教师只是在各个环节中起着启发指导的作用。另外要注意案例教学与举例教学的区别,案例教学是一个学生运用知识、培养能力的过程,而举例只是辅助教师说明问题的一种手段。
3 多媒体教学手段的运用
多媒体教学是利用多种媒体设备和软件对文本、声音、图形、图像、动画等信息进行综合处理,教师在授课时配合屏幕上文字、图片的显示,动画、视频以及声音的播放,利用形、声、色、动、实等手法,将教学内容用丰富多彩的形式表现出来的一种教学手段。
“测试方法”是一门具有多学科交叉性的学科,其教学内容庞杂、信息量大,既有抽象的微观理论需要介绍,又有复杂具体的分析仪器需要呈现。为适应在有限的课时内达到更好的教学效果,有必要采用多媒体这种表现力强的现代教育技术装备来进行教学。
多媒体教学的好处是易于调动人的多种感官来接受信息,该设备能在很短的时间内将大量的内容以图文并茂、有声有色的形式展现出来,大大增加了课堂教学的信息量,也容易激发学生的学习兴趣。对于复杂仪器的介绍,多媒体具有独特的优势,可以把无法拆卸的大型精密仪器通过PPT电子幻灯片或Flas的形式,直观形象地显示出内部结构以及它的工作原理;对于仪器操作流程的教学,则可以播放事先制作的视频资料,放在公共网络平台上,学生可以随时下载观看。显然,这比课堂上教师的文字描述甚至到实地观看的效果也要好。
此外,多媒体还可以使微观模型宏观化、抽象概念具体化。例如,在讲解电子束与物质的相互作用时,对于二次电子、背散射电子、透射电子、特征X射线和俄歇电子等各种信号产生的原理,如果仅仅口述,学生很难理解;但通过Flash形式,将每种信号的产生过程演示出来,整个过程将变得直观明了[2]。教学中,在讲授透射电镜、扫描电镜时,还涉及很多材料的电镜照片;学习X射线衍射、热分析以及红外光谱、拉曼光谱时,要用到一些材料的图谱,有了多媒体,则可以直接把它们显示在屏幕上,教师就可以很方便地引领学生去观看和分析。
当然,多媒体教学并不万能。例如,在讲解X射线衍射的基本原理时,涉及一些公式的推导,这时最好的教学方法还是传统的板书,因为在板书的间隙学生刚好可以思考;若将公式直接闪现,学生难以跟上节奏。因此,在使用多媒体时还要间或运用传统式教学,将两者有机地结合起来,才能取得最佳的教学效果。另外,在使用多媒体教学时,容易造成教师站在操作台前操作鼠标而不动,变成“播放员”,也容易造成照屏宣读,变成“播音员”,从而忽视与学生的互动和交流,同时也限制了教师形体语言的运用;学生方面,更易被屏幕吸引,这是好事,但容易忽视教师的形体和表情,结果是师生间在课堂上缺乏情感上的交流,这些都势必对教学效果造成一定的影响。因此,在使用多媒体教学时,为避免这种情况的出现,教师首先要熟悉教学内容,其次是要使用翻页激光笔,让教师摆脱鼠标,从操作台前站出来,必要时还要走到学生中去。
4 理论与实验教学的联系
“测试方法”是一门理论与实际联系紧密的课程。实践证明,课程内容仅仅通过口头讲解,很难达到好的教学效果。如果在介绍每一种仪器的基本结构和工作原理的基础上,再去观察真正的仪器,并且上机操作,学生的积极性将会变得更加高涨,印象也会更为深刻。为此,根据学院和学校的现有条件设立X射线衍射、扫描电镜、粒度分析、热分析及红外光谱等实验教学内容,让理论去指导实践,由实践来强化对理论的理解。
实验教学可以先安排针对某个测试方法的验证性实验,其目的是让学生了解每种仪器的构造和原理,掌握仪器的操作,学会对实验结果的分析;然后在此基础上再设置一些综合性、设计性实验。后者在具体操作时可以结合一些教师的科研课题,样品由教师提供,而如何去表征是在教师的指导下由学生分组讨论,自行拟定实验方案,分别对所测样品的物相、成分、形貌及结构进行测试,并对结果进行分析[4]。通过这种综合性实验的锻炼,让学生了解到各种测试手段既相互独立又有机联系,它们往往具有互验性,前一个实验的结果可能就是下一个实验的佐证;通过设计性实验的练习,让他们体会到实验不只是验证,更多的是探索、创造和发现,而各种测试的最终目的是去了解材料的内部成分和微观构造以及它们与宏观性能的联系,找出其中的规律,从而为进一步设计合成具有更优性能的材料奠定基础。同时,这些实验过程的完成也是理论知识加深理解和灵活运用的过程,而这正是“测试方法”课程的教学目的。
5 结语
在“测试方法”课程的教学中,首先要根据现有的条件和专业的要求精心选择教学内容,然后对其合理编排,让庞杂的知识变得更有逻辑性和系统性。针对理论性较深同时实践性又较强的课程特点,采用案例教学法结合实验教学,尤其是设计性实验教学的进行,辅之以多媒体教学手段的运用,让难以理解的内容变得易被接受,让枯燥抽象的理论变得形象生动,让学生由被动接受知识转化为自觉主动地学习。在学习知识的同时,更注重理论在实践中的灵活应用;在技能得到培训的同时,更注重研究性思维和创新能力的培养,以期真正实现大学生知识、能力、素质三者的协调发展。
参考文献
[1]杨南如.无机非金属材料测试方法[M].武汉:武汉工业大学出版社,1993.
[2]杨英歌,陈飞,曾冬梅,等.“现代材料分析方法”教学改革探讨[J].新课程研究,2011(8):75-76.