本科材料科学与工程专业大三《材料现代测试方法》

本科材料科学与工程专业大三《材料现代测试方法》

——“热重-差热联用技术：TG/DTG/DSC曲线协同解析”教案

一、课程基本信息与设计理念

（一）授课对象与课程定位

本教案适用于材料科学与工程专业大学三年级本科生，所属课程为专业核心必修课《材料现代测试方法》，总学时48学时，本节为第七章“热分析技术”第3-4课时（90分钟连贯教学）。该课程开设于学生已完成《物理化学》《无机材料科学基础》及《材料合成与制备》等前序课程之后，正处于从基础理论向专业应用过渡的关键阶段。学生已初步掌握化学热力学、晶体化学及材料合成基本技能，具备开展复杂仪器解析的认知储备，但对“热-重-相”三者耦合的联用分析思维尚属空白。本教学设计旨在打破传统教学中孤立讲授TG、DTA、DSC各自原理的碎片化模式，以真实科研场景中的“同步热分析（STA）”为技术载体，构建以TG为质量基线、DTG为速率标尺、DSC为能量佐证的“三维一体”协同解析框架，实现从单一曲线识图向多谱互证推理的高阶思维跃升。

（二）教学内容重构与标题阐释

本课标题《热重-差热联用技术：TG/DTG/DSC曲线协同解析》是基于传统“热重分析”专题进行的深度重构。其核心突破在于：第一，将DTG（微商热重）从TG的衍生计算工具提升为独立的动力学诊断维度；第二，将DSC（示差扫描量热）从平行的“另一种技术”转化为与TG时空对应的能量证据链；第三，确立“联用”而非“并列”的教学哲学——不是分别教会学生看三条曲线，而是教会学生面对任何一条未知材料的STA曲线时，能够在同一温度轴下同步调取质量信息、速率信息与热焓信息，进行逻辑互验。这一标题精准锁定了本课在学科知识图谱中的生态位：既非纯理论推导课，亦非纯仪器操作课，而是定位于“科学推理与证据权衡”的方法论课。

（三）教材与资源处理策略

摒弃对单一版本教材的照本宣科，采用“核心讲义+原始文献+虚拟仿真平台”的多元复合资源架构。以国家级规划教材《材料分析方法》（周玉主编）第11章为知识基准，同时引入TAInstruments、Netzsch等公司公开的STA应用手册作为技术规范参照，截取2023年发表于JournaloftheAmericanCeramicSociety等期刊的原始热重图谱片段作为课堂“侦测”素材，实现对教材知识的溯源与升级。特别说明：本课不使用任何商业教辅机构的成套PPT模板，所有图谱均重新标注中文双语坐标，确保学术严谨性。

二、教学目标与高阶标准

（一）素养化目标群

依据《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（材料类）》及工程教育认证毕业要求指标点，本课设定四级素养目标：

1.知识建构维度：能够复述TG、DTG、DSC的基本原理及谱图特征；能够辨析“质量变化”与“热效应”的非同步现象及其物理化学本质【重要】【基础认知层】。

2.思维转化维度：能够针对给定的STA原始数据，独立完成基线校准、拐点识别、阶梯失重归属判定；能够运用n金属∶n氧计量法推导未知热解产物的化学式【非常重要】【高频考点】【核心能力层】。

3.创新迁移维度：能够在开放性案例中（如气氛致变、多步重叠反应），主动设计“变速率升温”或“在线质谱联用”的补充验证方案【热点】【高阶思维层】。

4.价值内化维度：通过热重分析在“双碳”生物质热解、锂电正极材料热安全评价中的真实应用，建立“精确计量支撑绿色制造”的工程师伦理意识【一般】【隐性素养层】。

（二）教学重难点的靶向定位

重点：TG曲线平台归属与化学计量学反推算法【非常重要】。该点占据高考、考研及课程期末考试命题频次之首，且是后续热力学计算的基础，必须确保100%学生达成当堂规范演算。

难点：DTG峰位与DSC峰位的偏移归因分析【难点】。学生惯于将“失重”与“吸热”简单绑定，对于熔融分解、氧化增重等耦合过程常产生逻辑混乱。本课通过可视化动画将微商曲线还原为斜率场，突破认知壁垒。

核心素养渗透点：从“看一条线”到“叠三条线”的坐标系转换思维，这是本课区别于传统讲法的本质创新点【非常重要】。

三、教学实施过程（总时长90分钟，占比全文篇幅70%以上）

（一）第一教学阶：认知冲突与坐标系重构（00:00-00:15）

1.前置诊测与概念唤醒

教师通过虚拟仿真平台调取学生熟悉的“胆矾脱水”静态计算题（已知初始质量求算最终产物），全体学生在3分钟内完成纸笔演算。该题正确率通常可达85%以上，此时教师并不表扬，而是突然呈现该反应的真实TG-DSC同步实测曲线，并指向图中一段“未见明显平台、曲线持续缓降”的区域发问：“若按刚才的演算，此处应为一个水平平台，为何实测呈现斜坡？是我们的理论错了，还是我们忽略了什么变量？”【非常重要】【认知冲突创设】

2.坐标系解构——从二元到三元

教师直接在黑板上手绘坐标轴：左侧纵轴TG（质量百分比），右侧纵轴DSC（热流/mW·mg⁻¹），横轴统一为温度（℃）。这一看似简单的“左右双Y轴”绘制动作，被刻意放慢并旁白：“此前大家看热重曲线，眼里只有一根线；从现在起，你们要学会在同一张图中同时听取质量和热量两种声音。”【重要】【技能点】随后，学生在学案对应位置模仿绘制该坐标系，并标注TG读左轴、DSC读右轴的视觉规则。

3.DTG概念介入——质量变化率的可视化

教师展示同一组数据中由TG数值差分计算得到的DTG曲线，但并不直接给出数学定义，而是提问：“如果在斜坡段做一个极小的切线，切线的陡峭程度告诉了我们什么？”借助GeoGebra动态数学软件，演示TG曲线上连续点的斜率变化如何“流淌”成为下部的DTG波形。此时学生顿悟：DTG不是另一条独立的线，而是TG曲线的“速度计”。教师当即定义：DTG峰面积对应TG台阶高度，DTG峰位对应最大失重速率温度【非常重要】【高频考点】。

（二）第二教学阶：三联证据链的解剖与建模（00:15-00:50）

1.典型三联图谱的全息标注

以硫酸钙水合物CaSO₄·2H₂O在氮气气氛下的STA图谱为第一具“标本”，组织学生以4人小组为单位，在纸质图谱上进行“三级证据链”圈画标注。教师通过智慧教室系统将典型小组的标注结果投屏，全班共建标注规范【重要】【合作建构】。

第一层级（TG证据）：圈定所有质量恒定平台区，标注T₁、T₂、T₃特征温度及对应残余质量百分数。学生需在学案空白处换算：假设初始物质的量为1mol，各平台对应的表观摩尔质量及推测化学式。

第二层级（DTG证据）：圈定所有峰形信号，将峰顶温度反向映射回TG曲线，验证该温度恰好位于TG阶梯最陡处。教师特别强调：若TG阶梯对称，DTG峰基本对称；若TG阶梯拖尾，DTG峰呈现不对称展宽【一般】【识别规律】。

第三层级（DSC证据）：区分“峰”与“台阶”的形态差异。学生观察到，在70℃附近DSC出现尖锐吸热峰，而TG同步显示快速失重，由此建立“物理吸附水逃逸”的归属判断；在160℃附近DSC出现宽缓吸热峰，TG失重持续，归属为结晶水脱除；在350℃以上DSC出现放热峰，但TG无失重，提示可能发生晶型转变或固相反应【非常重要】【难点突破】。

2.热重-热焓非同步现象的归因推演

选取草酸钙CaC₂O₄·H₂O的标准STA曲线，该样品具有三步阶梯失重，每一步均有对应DSC峰，但第二步（碳酸盐分解）DSC吸热峰明显滞后于DTG失重速率峰值。此时并不直接给出答案，而是引入“传热迟滞”物理模型：教师手持一块厚牛排与一片薄肉片，模拟样品堆积密度对热传导的影响。学生由此理解——DSC传感器位于坩埚底部，而质量变化感知源于整个样品；当样品量较大或导热性差时，内部碳酸钙分解产生的CO₂需要时间逸出，导致热信号滞后于质量信号。此环节深度植入了“测试条件即物理过程”的工程思维【热点】【跨学科视野】。

3.化学计量反推算法的标准化建模

本环节为本节课的算术核心，教师并不要求学生快速算出答案，而是强制要求每一步演算必须标注“守恒基准”。板书以三段式固定：

设n₀(样品)=1mol→初始摩尔质量M₀→某温度残余质量百分数ω%→残余部分表观摩尔质量M_余=ω%×M₀→残余部分中金属元素质量m(金属)=M₀中金属质量（守恒）→残余部分中氧元素或其他阴离子质量m(X)=M_余-m(金属)→n(金属):n(X)→化学式推断。

为强化“金属质量守恒”这一灵魂原则，教师设计对比陷阱：给出两个看似相似的计算案例，其一为空气中氧化（增重），其二为惰性气氛下分解（失重），学生通过演算发现——前者需考虑氧气参与质量增加，后者则直接按质量差算逸出气体。经此环节，学生深刻记忆：热重计算的第一步不是套公式，而是判断反应类型【非常重要】【高频考点】。

（三）第三教学阶：仿真实验与数据反演（00:50-01:20）

1.虚拟仿真平台中的“侦测者”任务

接入学校虚拟仿真实验教学中心的“同步热分析仪”3D交互模块，界面完全复刻NetzschSTA449F3真实操作面板。教师发布任务：现收到一份未知样品的热重原始数据文件（.txt格式），包含温度、时间、样品质量、参比热流四列数据。学生两人一组，需在15分钟内完成：

[1]导入数据，生成未矫正的原始TG-DSC叠图；

[2]执行空白基线扣除与Buoyancy校正（虚拟操作）；

[3]使用平台工具对TG曲线进行一阶微分，叠加显示DTG；

[4]标注所有拐点温度，并提交推测的产物化学式。

该任务完全还原研究生或研发工程师的真实工作流【非常重要】【高阶训练】。系统设置常见陷阱：如因气流波动引起的质量漂移、因样品蠕变引起的虚假失重等。教师巡场过程中，重点观察学生是否机械依赖软件自动寻峰，还是主动结合DSC峰形进行辅助判断。

2.典型错误资源的集中复盘

截取三组具有典型认知偏差的学生作业进行匿名展示：

案例A：学生将DSC起始峰温度误判为反应起始温度，而TG数据在更低温度已开始缓慢失重——教师借机阐释“DSC对表面吸附极其敏感，体相反应应以TG变化为准”；

案例B：学生直接使用残余质量百分数计算产物式量，忽略了初始样品可能含吸附水——教师复盘时强调“摩尔基准的统一性”；

案例C：学生面对重叠的DTG双峰强行拆分计算——教师引入“高斯多峰拟合”概念，展示专业热分析软件的解卷积功能，并说明本科阶段对此仅作定性了解，不强制计算【一般】【科学态度培养】。

3.板书同步生成“三联证伪”准则

当堂生成核心思维工具——“热重分析三联互校原则”，以板书固化：

其一，凡DTG有峰而TG无台阶，必为基线漂移或浮力效应，不可归属为分解反应；

其二，凡DSC有峰而TG无变化，必为物理变化（晶型转变、熔融、玻璃化转变）；

其三，凡TG持续失重而DSC无明显吸热峰，必为慢速脱附或氧化烧失（需考虑基线积分面积）；

其四，凡TG增重而DSC放热，必为氧化反应；凡TG增重而DSC吸热，罕见，须怀疑相变耦合【难点】。

学生将此四则抄录于学案扉页，后续所有案例分析均需对照此准则进行合理性检验。

（四）第四教学阶：真实科研情境迁移（01:20-01:30）

1.锂电正极材料热安全性案例植入

展示某商用三元正极材料NCM811与电解液混合体系的热重-质谱联用（TG-MS）数据。图谱中，200℃前无明显变化，250℃出现剧烈放热伴随质量陡降，DTG峰尖锐。此时提问：“若仅凭TG-DSC，你只能判断材料发生了分解；结合MS逸出气体分析，发现主要是氧气释放，这为提升电池安全性能提供了什么改进方向？”学生迅速联想到“表面包覆”或“阳离子掺杂”以抑制晶格氧析出。此环节将微观热重台阶与宏观工程失效紧密关联，使枯燥的计量学充满解决问题的张力【热点】【非常重要】。

2.逆向教学设计：假如你没有DTG和DSC

教师展示一组仅有TG数据的历史文献图（1970年代），提问：“我们的前辈在只有TG的时代，如何推断反应机理？”学生陷入沉思。随后展示同一组数据经过微分处理后的手工描点DTG草图。这一历史回溯并非多余，而是为了让学生深刻理解：DTG不是DSC的附属品，也不是现代仪器的冗余功能，它是人类思维对原始数据深度加工以逼近真相的见证。课堂在此形成崇高感——我们所使用的每一个现代工具，背后都是几代科学家对更高分辨率、更高信息密度的不懈追求【一般】【价值升华】。

3.当堂形成性评价

发放半结构化的“一分钟试卷”，问题聚焦于本课核心认知冲突点：

“在今天学习之前，你认为TG和DSC是两条各说各话的曲线；在今天学习之后，请用一句话描述TG、DTG、DSC三者之间的关系。”学生匿名作答，课后教师扫描归档，作为下节课复习导入的生成性资源。

四、教学资源与跨学科映射

（一）多模态资源矩阵

课件主体并非传统线性PPT，而是基于Lectora构建的非线性交互课件，内置高清仪器剖面图、3D热流传感器模型、热重炉体温度场模拟动画。所有图谱原始数据均提供可的ASCII文本，方便学有余力者使用Python/matplotlib进行自定义绘图复现【重要】。同步推荐阅读材料包括但不限于：热分析动力学等温转换经典论文、ASTME1131-08热重分析标准规程、锂电热失控专著节选。

（二）跨学科显性化设计

物理维度：将DTG解释为“质量对温度的导数”，类比运动学速度概念，由物理专业背景教师负责微课解析，置入课前SPOC平台，供学生按需复习【一般】。

数学维度：展示TG曲线拟合为指数衰减函数的尝试，引入一级反应动力学阿伦尼乌斯公式的对数形式，虽不要求全解，但明确告知学生——热重是测试技术，更是动力学数据的唯一来源【重要】。

信息维度：指导学生利用热重数据建立小型数据库，绘制“特征温度-金属离子半径”散点图，体验高通量实验设计思维【热点】。

五、板书设计及生成逻辑（全程同步手绘演进）

（一）主板书（左侧固定）

标题：STA协同解析——TG·DTG·DSC

坐标系范式：左Y:TG/%;右Y:DSC/mW;X:T/℃

三大守恒基准：

1.金属原子数守恒

2.初始摩尔归一化（1mol）

3.电子守恒（氧化还原氛围判定）

（二）副板书（右侧随堂擦写）

DTG峰位≈TG拐点温度

DSC峰位≈热效应峰值温度（可能存在滞后）

化学式推算模板（五步递进）

（三）智慧屏投影区（动态）

实时调取学生标注图谱

虚拟仿真操作录屏回放

六、作业系统与持续性评价

（一）分层作业结构

基础层（全体必做）：完成学案中“典型矿物热重阶梯归属”表格，共计5组图谱，要求填写各阶段逸出物种及最终产物式量【重要】。

提高层（选做）：查找一篇2024年至今使用同步热分析技术的学位论文，评述作者在数据处理中是否充分利用了DTG与DSC的协同信息，撰写500字评阅意见【热点】。

挑战层（学术培育）：给定一组含重叠反应的实际热重数据，要求学生尝试使用多种基线类型（样条曲线、线性、S型）计算失重百分比，评估不同基线选择对最终定量结果引入的不确定度【一般】【高阶能力】。

（二）评价量规

过程性评价占比60%，聚焦于：仿真实验操作记录的完整性、小组讨论贡献度（基于智慧教室行为采集）、随堂演算规范度。终结性评价占比40%，采用基于真实科研数据的“热重分析报告”撰写形式，要求学生扮演检测中心工程师，向委托方解释图谱并给出材料纯度结论。

七、教学反思与迭代方向