《材料研究与测试方法》课程教学大纲

《材料研究与测试方法》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101134223202课程名称（中/英文）：材料研究与测试方法/MethodsofMaterialsResearchandTesting课程类别：专业必修课程学分：2总学时：32理论学时：32实验/实践学时：0适用专业：材料物理专业适用对象：本科先修课程：材料科学与工程基础，固体物理，晶体学基础、大学物理教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《材料研究与测试方法》是材料物理本科专业的专业必修课程。本课程主要涉及材料的表征手段与测试方法，通过对材料的表征与测试建立材料微观组织结构与性能的关系。本课程主要介绍了X射线的物理基础，深入探讨了X射线的衍射原理，重点分析了X射线的多晶衍射及应用；介绍了电子显微镜分析技术，重点讲解了扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及电子探针的结构与原理，结合实例深入剖析微观结构与晶体结构方法在材料中的应用；介绍了热分析技术与光谱分析技术的原理，重点讲解了热分析与光谱分析谱图的解析原则及在材料热稳定性与成分分析中的应用。通过学习，使学生具备根据所选材料体系确定科学合理的表征手段和测试方法的能力，并建立材料微观结构与材料性能之间的联系，从而为后续的专业学习和研究打下坚实的基础。课程讲解过程中涉及一些名人及其相关科学成果与研究进展，传播科学家的探索精神、爱国爱家的情怀和坚韧不拔的精神，能够激发学生追求材料科学的兴趣，培养学生踏实勤奋、精益求精、实践创新的工匠精神。2.对接培养的岗位能力着重培养学生的材料测试与分析能力，为从事材料的设计、工艺开发、材料加工应用及相关学科教学的工作奠定基础。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点1.1]具备解决复杂工程问题所需数学、自然科学、计算、工程科学理论基础，并能够用于表述太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域的工程问题。[毕业要求指标点4.3]能够合理选用材料研究与检测设备，并采用科学、合理的试验方法和步骤，安全地开展试验研究，并正确地采集试验数据。[毕业要求指标点5.2]能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，针对新能源材料领域的复杂工程问题进行分析，并进行计算与设计。[毕业要求指标点5.3]能够通过组合、选配、改进、二次开发等方式创造性地运用现代工程工具对影响新能源材料结构与性能、生产与服役过程中的复杂工程问题进行预测与模拟，满足特定需求，并分析其局限性。2.课程教学目标本课程教学目标对应毕业要求1、4、5，具体指标点内容如下：教学目标1：掌握X射线的物理基础和衍射原理，并能够用来分析新能源材料的物相组成（包含定性分析和定量分析）、点阵常数以及宏观应力相关问题，指导新能源材料的生产和制备工程问题；掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析，指导新能源材料与器件的产品质量控制。（支撑毕业要求指标点1.1）教学目标2：掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的晶体结构与缺陷进行分析，获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。（支撑毕业要求指标点5.2）教学目标3：掌握热分析和表面光谱分析技术，解释新材料制备过程中的化学反应中物理变化；分析复杂新材料与器件制备与加工过程中高分子材料的成分分析与结构表征，调控新能源材料与器件的加工过程中的影响因素与工艺参数。（支撑毕业要求指标点4.3）教学目标4：通过学习材料研究与测试方法的技术与手段，能够针对不同特点的工程领域复杂问题设计合理的测试方案，并对测试结果进行科学而有效分析。具备根据所选材料体系确定科学合理的表征手段和测试方法的能力，并建立材料微观结构与材料性能之间的联系，对材料与器件工程的复杂问题进行数据分析和综合并得到有效结论。（支撑毕业要求指标点5.3）四、教学课时安排学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题或知识点1X射线的物理基础44001主题或知识点2X射线的衍射原理44001主题或知识点3X射线的多晶衍射分析及其应用66001、4主题或知识点4电子显微分析基础44001、4主题或知识点5透射电子显微镜44002、4主题或知识点6扫描电子显微镜及电子探针22001、4主题或知识点7热分析技术44003、4主题或知识点8光谱分析技术44003、4合计323200五、教学内容及教学设计主题1X射线的物理基础1.教学内容（1）X射线的发展史：X射线透射学、X射线衍射学、X射线光谱学与布拉格定律的建立和莫塞莱定律的发现。讲解我国科学家对于X射线发展史的贡献，激发学生的民族自豪感和专业学习兴趣，以及培养建设祖国的理想。（2）X射线的性质：X射线的产生与X射线的本质。

（3）X射线谱：X射线连续谱与X射线特征谱影响因素与形成机理。（4）X射线与物质的相互作用：X射线的散射、X射线的吸收与吸收限的作用。2.教学重点X射线的物理性质；X射线谱、X射线与物质的相互作用。3.教学难点X射线谱、X射线与物质的相互作用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题2X射线的衍射原理1.教学内容（1）X射线衍射的方向：劳埃方程、布拉格方程的表达式；反射级数与干涉面指数概念；衍射条件分析、衍射方向与晶体结构、布拉格方程与劳埃方程的一致性。讲解劳埃、布拉格以及其他科学家的学术贡献，传播科学家的探索精神和坚韧不拔的意志品质，激发学生探索材料科学的学习兴趣。（2）X射线衍射的强度：单电子对X射线的散射、单原子对X射线的散射、单胞对X射线的散射强度、单晶体的散射强度与干涉函数、多晶体的衍射强度与影响多晶体衍射强度的其他因数。2.教学重点布拉格方程、布拉格方程的讨论、衍射矢量方程，结构消光、多晶体衍射强度。3.教学难点布拉格方程的讨论、结构消光、多晶体的衍射强度。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题3X射线的多晶衍射分析及其应用1.教学内容（1）X射线衍射仪：X射线测角仪、计数器及计数电路主要特点及要求、X射线衍射仪的常规测量方法。介绍X射线衍射仪过程中，穿插讲解我国X射线衍射仪的发展过程、相关成就以及对材料科学发展的贡献，增强学生的爱国情怀和民族自豪感。（2）X射线物相分析：物相定性分析基本原理、PDF卡片检索、物相定性分析步骤、物相定量分析方法分类及原理、重叠线的分离。（3）点阵常数的精确测定：点阵常数测量原理、误差源分析、测量方法原理及分析步骤。（4）宏观应力的测定：内应力的产生、分类及其衍射效应，宏观应力分析的原理，宏观应力分析方法。2.教学重点物相定性分析基本原理，物相定性分析步骤，物相定量方法分类及原理；点阵常数测量原理、误差源分析、测量方法原理及分析步骤；内应力的产生、分类及其衍射效应，宏观应力分析的原理。3.教学难点物相定性分析；物相定量分析方法中的内标法、K值法；点阵常数测定的实际应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题4电子显微分析基础1.教学内容（1）光学显微镜分辨率：光学显微镜分辨率公式，光学分辨率的影响因素。（2）电子波的波长：电子波的波长表达式，电子波波长与加速电压的关系。（3）电子与固体物质的作用：电子散射的概念及特点、电子散射的分类；电子与固体作用产生的信息，包括二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、特征X射线、俄歇电子、阴极荧光等离子震荡的概念及特点。讲解我国以及国外科学家对于电子与固体作用产生信息的学术贡献，激发学生的民族自豪感和专业学习兴趣，培养投身祖国建设的理想。（4）电子衍射：电子衍射与X射线衍射的异同点，电子衍射的方向与电子衍射形成机理。2.教学重点光学分辨率的影响因素，电子与固体作用产生的信息；电子衍射与X射线衍射的异同点，电子衍射的方向与电子衍射形成机理。3.教学难点光学分辨率的影响因素；电子与固体作用产生的信息；电子衍射与X射线衍射的异同点。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题5透射电子显微镜1.教学内容（1）工作原理：透射电子显微镜的组成，以及与光学显微镜的区别。（2）电磁透镜：静电透镜、电磁透镜的聚集原理。（3）电磁透镜的像差：球差、像散与色差产生原因及消除措施。（4）电磁透镜的景深与焦长、分辨率：景深与焦长的概念及表达式，点分辨率的概念与测试方法；晶格分辨率的概念以及与点分辨率的区别（5）电镜的光学系统：照明系统的组成与特点；成像系统的组成及特点。（6）透射电镜的主要附件：样品台，顶插式样品台的优点；电子束的平移和倾斜装置；消像散器；光阑。（7）透射电镜的样品制备：制样的基本要求，薄膜样品的制备过程。讲解我国在透射样品制备方法与相关技术方面的进展，激发学生的民族自豪感和专业学习兴趣，培养投身祖国建设的理想。2.教学重点球差、像散与色差产生原因及消除措施；电磁透镜的景深与焦长、分辨率；选取电子衍射的概念及其操作步骤；简单电子衍射花样的标定；透射电镜的样品制备。3.教学难点球差、像散与色差产生原因及消除措施；简单电子衍射花样的标定。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题6扫描电子显微镜及电子探针1.教学内容（1）扫描电镜的结构：扫描电镜的特点；电子光学系统组成及特点；信号检测处理、图像显示和记录系统；真空系统。（2）扫描电镜的主要性能参数：分辨率的概念及影响因素；放大倍数；景深。（3）表面成像衬度：二次电子成像衬度的分类及特点；背散射电子成像衬度分类及特点。（4）二次电子与背散射电子衬度像的应用：表面形态观察；断口形貌观察；材料成分分析。（5）电子探针：电子探针波谱仪；电子探针能谱仪。（6）电子探针分析及应用：点分析，线分析，面分析。（7）扫描电镜的发展：扫描电镜的发展方向。介绍扫描电镜发展历史过程中，穿插讲解我国扫描电子显微镜研发情况、相关成就以及对材料科学发展的贡献，增强学生的爱国情怀和民族自豪感。2.教学重点扫描电子显微镜的结构、原理、特点及应用；电子探针的波谱仪与能谱仪。3.教学难点扫描电子显微镜与电子探针的应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题7热分析技术1.教学内容（1）热分析技术的发展史：热分析技术的概念及发展方向。讲解热分析仪发展历史过程中，穿插讲解国内外科学家探索物理现象的严谨精神和专业态度，激发学生探索材料科学的学习兴趣，培养学生踏实勤奋、精益求精和实践创新的工匠精神。（2）热分析方法：热重分析法的概念及特点；差热分析仪的组成及要求，差热曲线的组成；差示扫描量热法的概念以及与差热曲线的区别。（3）热分析测量的影响因素：实验条件；试样特性。（4）热分析的应用及发展方向：金属材料、陶瓷材料、复合材料、含能材料的应用举例；以及热分析技术的发展方向。2.教学重点热重分析法的概念及特点；差热分析仪的组成及要求，差热曲线的组成；差示扫描量热法的概念以及与差热曲线的区别；热分析测量的影响因素；热分析的应用。3.教学难点差示扫描量热法的概念以及与差热曲线的区别；热分析测量的影响因素；热分析的应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题8光谱分析技术1.教学内容（1）红外吸收光谱：红外吸收光谱的基本原理；红外吸收光谱组成；红外吸收光谱的解析原则及应用。（2）紫外-可见吸收光谱：紫外-可见吸收光谱的基本原理；基本概念；紫外可见分光光度计的组成；紫外-可见吸收光谱的应用。讲解双光束紫外-可见分光光度计设备过程中，穿插讲解我国紫外-可见分光光度计的研发情况、相关成就和应用以及对材料科学发展的贡献，增强学生的爱国情怀和民族自豪感。2.教学重点红外吸收光谱的基本原理及应用；紫外-可见吸收光谱的基本原理及其应用。3.教学难点红外吸收光谱的基本原理及应用；紫外-可见吸收光谱的基本原理及其应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。六、学生成绩评定本课程为专业必修课程，重点考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力和创新能力等，考核方式采用阶段测验、作业测评以及课堂表现等多种形式、多个阶段以及多种类型的全过程考核。1.课程考核方式及比例本课程考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力和创新能力等；考核方式采用出勤、作业评测、课堂表现、平时阶段测验等多种形式、多个阶段等全过程的考核，使学生成绩评定更加合理多样，优化课程评价体系，进一步提升本课程教学效果。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文其他√√√成绩比例%202010502.课程考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核期末考试合计出勤及课堂表现作业及阶段测验教学目标1指标点1.35820-3033~43教学目标2指标点5.2575-1017~22教学目标3指标点4.35810-2023~33教学目标4指标点5.3575-1017~22合计2030501003.课程成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）出勤及课堂表现（20%）无迟到、早退、旷课现象。积极参加课堂讨论，并有自己独到的见解，能够准确回答问题，并有自己独到的见解偶尔有迟到、早退现象。较为积极参加课堂讨论，能够准确回答问题，并提出自己的见解有迟到、早退现象。能够主动参加课堂讨论，能够回答问题有迟到、早退、偶尔有旷课现象。参与课堂讨论，基本能回答相关问题迟到、早退、旷课较多。不能有效参加课堂讨论，回答不出所有问题作业（20%）能够独立完成作业，作业完成质量优秀，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论能够独立完成作业，完成质量较高，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论能够独立完成作业，完成质量符合要求，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论基本能够独立完成作业，部分题目解答存在抄袭现象，运用所学知识和理论解决问题的能力基本符合要求不能独立完成作业，存在明显抄袭现象，不具备运用所学知识和理论解决问题的能力阶段测验（10%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为优良完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教学目标1熟练掌握X射线的物理基础和衍射原理，并能熟练分析新能源材料的物相组成（包含定性分析和定量分析）、点阵常数以及宏观应力相关问题，指导新能源材料的生产和制备工程问题；熟练掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析，指导新能源材料与器件的产品质量控制。准确掌握X射线的物理基础和衍射原理，并能够用来分析新能源材料的物相组成（包含定性分析和定量分析）、点阵常数以及宏观应力相关问题，指导新能源材料的生产和制备工程问题；准确掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析，指导新能源材料与器件的产品质量控制。掌握X射线的物理基础和衍射原理，并能够用来分析新能源材料的物相组成（包含定性分析和定量分析）、点阵常数以及宏观应力相关问题；掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析。基本X射线的物理基础和衍射原理，并能够用来分析新能源材料的物相组成（包含定性分析和定量分析）、点阵常数以及宏观应力相关问题；基本掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析。不能掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，不能对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析。不能掌握电子显微分析和扫描电子显微镜基础理论和基本原理，不能对新能源材料的微观形貌、缺陷与微区元素成分分析教学目标2熟练掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的晶体结构与缺陷进行准确分析，准确获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。准确掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的晶体结构与缺陷进行分析，获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，并能够对新能源材料的晶体结构与缺陷进行分析，获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。基本掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，并基本能够对新能源材料的晶体结构与缺陷进行分析，可获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。不能掌握透射电子显微镜的基础理论和基本原理，不能对新能源材料的晶体结构与缺陷进行分析，不能获得合成与制备的工艺参数对材料微观结构的影响规律。教学目标3熟练掌握热分析和表面光谱分析技术，准确解释新材料制备过程中的化学反应中物理变化；准确分析复杂新材料与器件制备与加工过程中高分子材料的成分分析与结构表征，精准调控新能源材料与器件的加工过程中的影响因素与工艺参数。准确掌握热分析和表面光谱分析技术，能够解释新材料制备过程中的化学反应中物理变化；比较准确分析复杂新材料与器件制备与加工过程中高分子材料的成分分析与结构表征，可调控新能源材料与器件的加工过程中的影响因素与工艺参数。掌握热分析和表面光谱分析技术，可解释新材料制备过程中的化学反应中物理变化；能够分析复杂新材料与器件制备与加工过程中高分子材料的成分分析与结构表征，调控新能源材料与器件的加工过程中的影响因素与工艺参数。基本掌握热分析和表面光谱分析技术，基本上能解释新材料制备过程中的化学反应中物理变化；能分析复杂新材料与器件制备与加工过程中高分子材料的成分分析与结构表征。不能掌握热分析和表面光谱分析技术，不能解释新材