《材料现代分析方法》课程大纲
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课程代码 |
080404L |
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课程名称 |
中文名：材料现代分析方法 |
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英文名:Advanced Analysis Methods for Materials |
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课程类别 |
专业课 |
修读类别 |
必修 |
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学 分 |
3.0 |
学 时 |
48（理论36+实验12） |
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开课学期 |
第5学期 |
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开课单位 |
材料科学与工程学院材料科学系 |
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适用专业 |
材料类各专业(金属材料工程、材料连接、无机非金属材料科学、无机非金属材料工程、高分子材料、功能材料等) |
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先修课程 |
高等数学、大学物理、大学化学、材料科学基础，等 |
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后续有关专业课程和教学环节 |
计算材料学，材料类各专业课程，毕业论文。 |
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主讲教师/ 职称 |
秦国强/副教授，张希清/副教授，司华艳/副教授，杨治刚/讲师，胡洁/讲师，付华/教授，张光磊/教授 |
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考核方式及各环节所占比例 |
作业+ 实验+ 期末考试 （10%）+（20%）+（70%） |
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教材及主要参考书 |
（1）《材料科学研究与测试方法》第二版（教材），朱和国、王新龙编著，东南大学出版社，2013年 （2）《材料现代分析方法》，左演声编，北京工业大学出版社，2000年 （3）《材料分析方法》，周玉主编，机械工业出版社，2004年 |
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一、课程性质和目标
《材料现代分析方法》是材料类专业(金属材料工程、材料连接、无机非金属材料科学、无机非金属材料工程、高分子材料、功能材料等)的专业基础必修课。本课程主要介绍X射线衍射分析原理、X射线多晶衍射方法及应用、透射电子显微分析、扫描电子显微分析与电子探针、光电子能谱与俄歇电子能谱、光谱分析技术、热分析技术等常用的材料现代分析方法的基本原理、仪器操作、数据分析技术和应用领域。本课程是后续材料类专业课程和进行材料科学研究和工程技术开发的理论和实验基础，是分析材料微观结构和改进性能得不可缺少的工具。
知识目标：
-
解释材料现代分析方法的范畴和发展历史，认识材料现代分析方法在材料科学与工程领域中的地位及作用。
-
能够解释X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针及光谱分析和热分析等典型材料现代分析方法的基本原理和实验方法，具备从事材料现代分析测试工作的理论基础。
-
能够辨别典型材料现代分析方法的应用范围和局限，能够依据不同材料特性正确选择材料现代分析方法和仪器设备，设计实验方案，开展实验研究，对实验数据进行综合分析，得到合理有效结论。
能力目标：
-
能够选用材料现代分析方法和工具，开展材料组成和结构分析、工艺分析、性能优化、新产品开发与科学研究，具备使用材料现代分析工具的能力。
-
具备自主学习其它材料现代分析方法的基础知识和方法，能比较和选择不同材料现代实验方法和仪器，为自主学习和终身学习奠定基础。
二、本课程所支撑的毕业要求
（1）本课程所能支撑的毕业要求如下：
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序号 |
毕业要求 指标点 |
毕业要求指标点具体内容 |
课程目标 |
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1 |
毕业要求4-1 |
能运用专业理论和科学手段，依据对象特征，选择研究路线，设计实验方案。 |
2 , 3 |
|
2 |
毕业要求4-2 |
掌握实验设备的基本原理，能正确使用实验仪器与设备，安全地实施实验方案，科学地采集实验数据。 |
2 , 3 |
|
3 |
毕业要求4-3 |
能正确解读测试信息，分析和解释实验过程和实验结果，通过信息综合得到合理有效的结论。 |
2，3，4 |
|
4 |
毕业要求5-1 |
了解专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和软件的使用原理和方法，并理解其局限性。 |
2，3，4 |
|
5 |
毕业要求5-2 |
能够将现代检测技术和先进的材料制备和加工手段用于材料结构分析、性能优化和新产品开发。 |
3，4 |
|
6 |
毕业要求5-3 |
能根据产品研发与检测需要，选择分析方法与现代工具对材料结构和性能进行分析。 |
3，4 |
|
7 |
毕业要求12-2 |
具备材料现代分析的基础知识，具备自主学习和终身学习的方法和能力。 |
1、5 |
（2）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系
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教学内容 |
课程目标 |
毕业要求指标点 |
|
|---|---|---|---|
|
理论 教学 |
1 绪论 |
1 |
12-2 |
|
2 X射线衍射分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
3 透射电子显微分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
4扫描电子显微分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
5 热分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
6 光谱分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
7 其他分析技术 |
1、2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
实验 教学 |
1.X射线衍射实验 |
2、3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
2.XRD物相标定实验 |
3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
3.扫描电镜分析实验 |
3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
4.透射电镜观察实验 |
3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
5.红外光谱分析实验 |
3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
|
|
6.热分析实验 |
3、4、5 |
4-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2、5-3、12-2 |
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三、教学基本内容
（一）理论教学基本内容（36学时）
1 绪论（2学时）
- 基本要求
理解本课程的意义及在材料研究中的地位，熟悉本课程的教学内容，掌握材料现代分析方法与材料性能的关系，了解本课程的教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度，了解本课程的发展历史及相关教材及参考书的特点。
- 教学内容
- 材料分析技术的发展历史
- 课程大纲解读
课程内容和意义、学习与考核方法、学习要求。
-
重点
重点：材料现代分析方法的概念及分类。
2 X射线衍射分析技术（12学时）
(1) 基本要求
1）解释X射线产生的原理、特征X射线的特点、X射线的衰减，X-射线与物质的相互作用。
2）证明布拉格方程的导出过程及规律；解释其衍射矢量方程和厄瓦尔德图解；认识劳埃方程。
3）解释电子的散射强度、原子散射强度、晶胞衍射强度、极化因子、结构因子的概念；理解多晶体的衍射强度，分析系统消光规律。
4）解释电子散射的概念；解释并辨别电子与固体作用产生的各种信号及与之对应的分析方法。
5）认识X射线衍射仪的结构，解释X射线衍射仪的原理；解释物相分析的基本原理，解释并选择简单物相分析方法；认识物相定量分析原理和常用方法。
(2) 教学内容
-
X射线物理学基础；
-
X射线衍射理论、X射线衍射方法；
-
XRD定量分析原理，PDF卡片的组成。
-
物相的定性、定量分析方法。
-
案例分析。
-
重点和难点
重点：X射线物理基础，XRD物相分析
难点：消光规律。
3第三章透射电子显微分析技术（8学时）
- 基本要求
认识电子与固体作用的机理及特点，解释透射电镜结构及成像原理，熟悉选择透射电镜样品制备方法，解释选区电子衍射原理，进行简单衍射花样分析。
-
教学内容
-
电子与物质作用信号；
-
透射电镜结构及成像原理；
-
衬度理论；
-
选区衍射；
-
透射制样方法。
-
案例分析。
-
重点和难点
重点：电子与固体物质相互作用，透射电镜成像原理
难点：衬度理论。
4 扫描电子显微分析技术（4学时）
-
基本要求
认识扫描电镜采用的分析信号、仪器结构、成像原理及用途，熟悉试样制备方法和图像的解释，认识电子探针（能谱仪与波谱仪）原理、结构和用途，对谱图进行比较分析。
-
教学内容
-
扫描电镜采用的分析信号，
-
扫描电镜结构、成像原理及用途，
-
扫描电镜试样制备方法，像衬度，
-
电子探针（能谱仪与波谱仪）原理、结构、用途及性能。
-
案例分析。
-
重点和难点
重点：扫描电镜与电子探针工作原理及应用。
难点：扫描电镜与透射电镜的异同。
5 热分析技术（4学时）
-
基本要求
学习热分析技术的基本原理，解释差热分析、差示扫描量热分析、热重分析的原理和结构，比较差热分析、差示扫描量热分析和热重分析的应用领域。
-
教学内容
-
差热分析；
-
差示扫描量热分析；
-
热重分析。
-
案例分析。
-
重点和难点
重点：三种热分析技术原理及应用。
难点：差热和差示扫描量热分析技术的差异。
6 光谱分析技术（2学时）
-
基本要求
认识光谱分析技术的基本原理，解释原子光谱分析法、分子光谱分析法的原理和结构，认识红外光谱分析的原理和应用。
-
教学内容
-
光谱分析的一般原理；
-
原子光谱分析法；
-
分子光谱分析法；
-
红外光谱。
-
案例分析。
-
重点和难点
重点：光谱分析一般原理，红外光谱。
难点：红外光谱。
7 其他分析技术（4学时）
-
基本要求
认识表面分析方法的基本原理，列举俄歇能谱分析、X射线光电子谱分析的原理和应用。
(2) 教学内容
1) 表面分析基本原理；
2) 俄歇能谱；
3) X射线光电子谱。
4) 案例分析。
(3) 重点和难点
重点：俄歇能谱分析、X射线光电子谱分析的原理和应用。
难点：表面分析基本原理。
（二）实验教学基本内容（12学时）
|
序号 |
实验项目 |
实验要求 |
实验内容 |
实验性质 |
学时 |
|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
X射线衍射实验 |
了解X射线衍射仪的构造及工作原理,掌握样品制备方法和X射线衍射测试技能。 |
（1）X射线衍射仪构造、操作及参数选择； （2）样品制备方法； （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
|
2 |
XRD物相标定实验 |
掌握用计算机检索图谱，鉴别物相的能力。 |
（1）Jade软件的安装调试；（2）衍射图谱检索、物相鉴别及数据处理。 （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
|
3 |
SEM扫描电镜显微组织观察与分析实验 |
了解扫描电子显微镜的构造及工作原理,掌握样品制备方法和扫描电子显微镜测试技能。 |
（1）扫描电子显微镜构造、基本操作及参数选择； （2）样品制备基本方法； （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
|
4 |
透射电镜观察实验 |
了解透射电子显微镜的构造及工作原理,掌握样品制备方法和扫描电子显微镜测试技能。 |
（1）透射电子显微镜构造、基本操作及参数选择； （2）样品制备基本方法； （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
|
5 |
红外光谱分析实验 |
了解红外光谱仪构造及工作原理,掌握红外光谱图物相定性分析原理和方法。 |
（1）红外光谱仪构造、基本操作及参数选择； （2）常规样品制样方法； （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
|
6 |
热分析实验 |
了解差热分析的原理，掌握差热分析的实验技术。
|
（1）差热测试仪器操作基本步骤和流程； （2）样品制备方法。 （3）数据分析。 |
综合 |
2 |
四、达成课程目标的途径和措施
1. 本课程的教学方法
本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“案例教学法”、“多媒体视频法”、“实验法”等，教学内容紧跟各种材料现代分析方法，及时补充新材料、新技术等内容，根据每届学生特点和教学内容，调整教学方法，以提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。
1）案例教学法，以点带面。教师通过引入具体问题启发学生思考，介绍材料现代分析方法的应用及局限。
2）充分利用多媒体手段。通过材料现代分析方法方面的动画/视频播放与讲解，使学生在课堂上切身感受仪器原理、结构、样品制备、数据处理等，加深认识。
3）试验教学。主要采用“讲授法”、“直观演示法”与实际动手结合，通过在实验室对仪器设备的讲解以及实验步骤的示范性操作，让学生不仅可获得感性认识，也增强了实践动手能力。实验课程的开设是对理论课程的有益补充，可加深学生对所学理论知识的理解。
2. 教学手段
本课程采用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，将动画视频、录像及图片穿插到教学内容中，使学生“身临其境”地学习，达到课程目标要求。“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。
3. 课外阅读要求
要求学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外文献和案例检索，加深对教学内容的理解，拓展专业视野，了解行业最新发展前沿。
4. 多环节训练
（1）作业（课堂讲解/讨论）
（2）试验
（3）期末考试（案例分析）
五. 课程综合记分方法
课程考核由作业、试验、期末考试三部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。
各考核环节及所占比重见下表：
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考核环节 |
比重（%） |
|---|---|
|
作业 |
10 |
|
试验 |
20 |
|
期末考试 |
70 |
|
总计 |
100 |
（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）
评分标准：
-
作业：每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成10分。
作业的评分标准
|
观测点 |
85~100分 |
75~84分 |
60~74分 |
＜60分 |
|
完成进度 |
严格按照作业要求并及时完成 |
基本按照作业要求并及时完成 |
不能按照作业要求，未及时完成 |
不能按照作业要求，未及时完成 |
|
概念掌握程度 |
概念清晰 |
概念基本清晰 |
概念不清晰 |
概念错误 |
|
分析或结论有效性 |
分析合理、结论有效 |
分析基本合理、结论基本有效 |
分析不合理 |
不能制定正确和合理解决问题的方案。 |
-
实验：根据实验报告成绩以及实验课上的操作表现及实验预习情况综合进行评定。每次实验按百分制评分，总评后折算成20分。
实验课程评价标准
|
过程控制 |
80-100分 |
60-79分 |
0-60分 |
|---|---|---|---|
|
实验预习 |
完成预习报告，回答问题正确，熟悉实验目的和原理。
|
完成预习报告，回答问题基本正确，基本熟悉实验目的和原理。 |
能基本回答问题，不熟悉实验目的和原理。 |
|
实验过程 |
按时参加实验，原始数据记录完整，实验过程熟练，动手能力强，同其他组员很好协作配合。 |
按时参加实验， 原始数据记录基本完整，实验过程较熟练，能与其他组员配合。 |
实验课迟到， 原始数据记录不完整，实验过程不熟练，被动参与实验。 |
|
实验报告 |
数据整理规范，计算结果正确，能综合实验数据分析规律，结论正确 |
数据整理规范，计算结果基本正确，结论基本正确但缺乏实验数据综合分析。 |
数据整理和结果均有明显错误，结论有错误 |
3）期末考试：期末考试成绩是通过开卷（占50%）和闭卷（占50%）考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成70分。
试卷蓝图设计
|
课程目标
|
对应试题 |
把握能力层次 |
目标分值 |
百分比（%） |
||
|
了解 |
理解 |
应用 |
||||
|
1 |
一 |
2-5 |
2-5 |
/// |
2-5 |
2-5 |
|
2 |
二 |
5-10 |
5-10 |
10-15 |
20-25 |
20-25 |
|
三 |
5-10 |
5-10 |
10-15 |
20-25 |
20-25 |
|
|
3 |
四 |
2-5 |
2-5 |
10-15 |
20-25 |
20-25 |
|
五 |
2-5 |
2-5 |
10-15 |
20-25 |
20-25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
六、 评估方法
本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。
课程目标1评估设计
|
学习成果 |
学习任务、过程和观测 |
||
|---|---|---|---|
|
预期学习成果 |
细化的预期学习成果及实施准则 |
预设的学习任务 |
观测点 |
|
1、解释材料现代分析方法的范畴和发展历史 |
解释材料现代分析方法的概念及其与材料传统分析方法的区别，了解材料现代分析方法发展史及典型人物和事件。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
期末考试 |
|
||
|
2、认识材料现代分析方法在材料科学与工程中的地位及社会发展中的作用 |
认识材料现代分析方法在材料科学与工程课程体系中的地位及作用。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
期末考试 |
|
||
课程目标2 评估设计
|
学习成果 |
学习任务、过程和观测 |
||
|---|---|---|---|
|
预期学习成果 |
细化的预期学习成果及实施准则 |
预设的学习任务 |
观测点 |
|
1、认识X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针及光谱分析和热分析等典型材料现代分析方法 |
认识X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针及光谱分析和热分析等典型材料现代分析方法中英文名称及基本含义。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
期末考试 |
|
||
|
2、了解相关理论基础 |
了解X射线、电子等各种信号的产生、特征、本质及其与固体物质的相互作用。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
期末考试 |
|
||
|
3、掌握试验方法 |
了解典型仪器的结构原理，掌握基本实验方法和样品制备方法。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
实验 |
|
||
|
期末考试 |
|
||
课程目标3评估设计
|
学习成果 |
学习任务、过程和观测 |
||
|---|---|---|---|
|
预期学习成果 |
细化的预期学习成果及实施准则 |
预设的学习任务 |
观测点 |
|
1、了解典型材料现代分析方法的应用范围和局限。 |
了解典型X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针及光谱分析和热分析等的主要应用范围，分析相近分析方法的优缺点。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
期末考试 |
|
||
|
2、能够依据材料特性正确选择材料分析方法及仪器，设计并开展实验。 |
依据材料属性（有机/无机、金属/非金属、晶体/非晶体、极性/非极性等）和分析目的选择实验仪器，设计制定方案并开展实验。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
实验 |
|
||
|
期末考试 |
|
||
|
3、对实验数据进行综合分析，得到合理有效结论。 |
掌握数据处理和分析方法，了解不同分析方法数据的精度、误差及优缺点。 |
作业（课堂讲解/讨论） |
|
|
实验 |
|
||
课程目标4评估设计
|
学习成果 |
学习任务、过程和观测 |
||
|---|---|---|---|
|
预期学习成果 |
细化的预期学习成果及实施准则 |
预设的学习任务 |
观测点 |
|
1、能够选用材料现代分析方法和工具，开展材料组成和结构分析、工艺分析、性能优化、新产品开发与科学研究。 |
理解材料现代分析方法与材料的组成、结构及性能之间的四面体关系。 |
实验 |
|
|
期末考试 |
|
||
|
2、具备使用材料现代分析工具的能力。 |
了解产品研发和科学研究的基本流程，理解材料现代分析方法在产品研发和科学研究中的作用和地位。 |
实验 |
|
|
期末考试 |
|
||
课程目标5评估设计
|
学习成果 |
学习任务、过程和观测 |
||
|---|---|---|---|
|
预期学习成果 |
细化的预期学习成果及实施准则 |
预设的学习任务 |
观测点 |
|
具备自主学习其它材料现代分析方法的基础知识和方法，能比较和选择不同材料现代实验方法和仪器，为自主学习和终身学习奠定基础。 |
通过类比、反比等方法，依据掌握的材料成分、结构、表面形貌等现代分析方法的知识，学习其它材料现代分析方法的基本原理，并用于材料成份、工艺、结构与性能的综合分析。 |
作业 实验 期末考试 （全部学习考核环节） |
|
七 课程目标达成评价与持续改进机制
课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负责人组成。评价小组依据毕业要求达成度目标值设置课程达成目标值，采用课程总评成绩分析法进行评价。依据课程评价的结果，寻找问题，持续改进课程教学质量。依据毕业要求达成度评价结果，持续改进课程体系。
2 持续改进机制
-
建立持续改进制度
-
成立本课程持续改进组。
-
由课程持续改进组组长负责组织执行并监督持续改进过程。
-
制定持续改进措施。
-
成立本课程持续改进组
-
组长：付华
-
组员：秦国强、张希清、司华艳、张光磊、杨治刚、胡洁
-
本课程持续改进方法
-
平时成绩考核机制：根据每届学生学情，课程组教师须及时汇总统计学生平时成绩考核的各项指标，及时调整学生的状态，并做相应记录。
-
期末考试考核机制：对期末考试试卷进行分析，统计各部分试题得分情况，将统计结果用于整体分析研究该门课程，用于课程的持续改进。
-
本课程持续改进措施
-
针对平时成绩考核，采取与学生讨论、与学生单独交流等措施改进。
-
针对期末考试考核，根据学生考试出现的问题和本课程的重点内容对补考的学生采取辅导、答疑等措施改进。
制表：秦国强 审核：付华 批准： 发布日期：2018年