《無機材料課程基礎》動力學教學的啟發式教學初探

摘要：本文以建構主義學習理論為指導，對無機材料科學基礎動力學的啟發式教學進行了探索。從動力學最基本的概念出發，根據常規的思維模式，以問題為中心，對無機材料科學基礎動力學的知識體系進行了梳理。以生活常識和學生已有的知識體系為基礎，通過設問和解疑，引導學生構建自己的知識體系。以辯證法為指導，引導學生積極思考，形成自身的開放性的知識構架，對培養學生的創新素質具有重要的意義。

關鍵詞：無機材料科學基礎；啟發式教學；建構主義理論

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0198-03

建構主義認為，知識是學習者在一定的情境之下，根據情境中的線索調動頭腦中事先準備好的多方面，多層次的先前經驗，通過主動積極思考，對新信息進行解答并賦予它們具有學習者自身特色的意義，然后以此為原材料，形成自己的知識構架。教育的問題，其本質是促進學生思考，形成新的知識體系。因而，作為教育主體的老師，其角色也要發生重大變化，由原先的知識傳播者轉變為思想的傳播者。其主要的使命，是以所要傳播的知識為媒介，教會學生去思考，并得出具有自身特點的結論，從而形成具有特色的知識的結構。教育的目標不再是向學生“移植”單純標準化知識體系，而是要讓學生建立在標準化知識體系基礎上的開放的思維體系。在這樣一種體系中，學生具有系統的基礎知識，但又對所獲得的知識具有深度的思考甚至質疑。相比單純的標準化知識體系，在標準化知識體系基礎上開放的思維體系在當今的社會中，顯得更為重要。而如何建立一個思維體系，以問題為中心的教學法則為我們提供了一個很好的思路。在幾年的無機材料科學基礎的教學中，筆者所在教學團隊以建構主義為指導，開展以問題為中心的無機材料課程教學實踐。本文將對無機材料科學基礎動力學部分的教學實踐談談體會，和同行進行交流，以期提高教學水平。

一、問題體系的梳理是以問題為中心的教學的關鍵

愛因斯坦指出：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數學上的或實驗上的技能而已。而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想象力而且標志著科學的真正進步。”顯然，問題是認識的起點，是興趣的表征，是創新的開始。在學習過程中，也是區分主動學習和被動學習的標志。開篇伊始，需要回答的第一個問題是：什么是無機材料動力學？根據無機材料科學基礎教材的精神，筆者的理解是無機材料制造過程中材料組成原子移動的科學。以此為出發點，根據常規的思路，就可以提出進一步的問題：原子移動的方式是什么？原子移動的動力是什么？原子移動的阻力是什么？（促進）原子移動的目標是什么？如何提高過程的時間效率？從本質上來講，無機材料動力學所解決的問題就是這五大問題。以下根據這五大線索對課程內容進行梳理：通過“原子移動的方式是什么？”這一問題，可以解決課程中關于原子移動的基本概念：擴散、粘（塑）性流動等，溶解沉淀、蒸發凝聚。其中前二個概念為較高層次的概念，擴散為介質中單個粒子的移動，而流動則是粒子群體移動。而溶解沉淀則是一處的固體（晶體）溶解于液體（熔體），在液體（熔體）中擴散，然后在另一處的固體表面沉積。蒸發凝聚則是固體蒸發，擴散或流動，然后又凝結的過程。以這樣一個線索，就很容易將無機材料科學基礎動力學過程中的各章內容—擴散、固相反應、相變和燒結中的原子移動概念很好地進行梳理。對“原子移動的動力是什么？”這一問題的回答，也可以貫穿無機材料科學基礎的全部內容。從本質上來說，原子移動的動力就在于其起始位和目標位的化學位差異。而化學位的差異可以由濃度（活度）差異、凹凸面差異和顆粒大小差異、體系中不同組分之間的相容性差異、以及溫度差異和壓力差異所影響和決定。由于不同部位的化學位差異的存在，在一定條件下，體系的不同部位的化學位將趨向于均衡。就如處于不同高度的液體在連通的情況下要處于同一平面一樣，由化學位所表示的“位能”也將在一定條件下趨向于均衡到同一位能值，從而導致粒子的移動。這樣，利用化學位的差異以及體系不同部位化學位在一定（動力學）條件下趨于均衡化的原理，就可以很好解釋正擴散、逆擴散、蒸發-凝聚、溶解-沉淀以及燒結過程中的晶體長大和二次再結晶、熱壓燒結的流動機理等各種知識。對“原子移動的阻力是什么？”這個問題的回答，可以很方便地理解液固相變和液液相變的機理問題。均一體系形成的新的界面所產生的附加能量，成為液固相變過程成核-生長過程的過冷問題。對原子移動的阻力這個問題另一個角度的涉及無機材料的制備問題，在溫度較低時，原子的運動受到環境（由化學鍵力形成的制約）的制約原子難以移動，只有在溫度升高時，環境的制約相對減小，原子才得以移動。無論擴散還是流動的原子遷移模式，無不受這個規律所影響。對于“原子移動的結果和目標是什么？”的回答，與無機材料課程中談到的燒結問題密切相關，由此可延伸出收縮、氣孔率、實現設計的相結構以及材料的最終性能等。就如我們在處理日常生活問題所必須考慮的一樣，過程的時間效率非常重要，具體體現為速率和效率。圍繞速率，動力學就有一系列數學表達式，如Fick第一、第二定律、楊德方程、金斯特林格方程、相變中成核生長速度、晶體長大速度以及燒結過程中的頸部尺度和時間的關系、氣孔率和時間的關系等。而為了提高效率，陶瓷制造之所以要用粉體為原料、制造微晶玻璃為何要用晶核劑等問題也得到在這個角度的答案。通過將上述五個基本問題進行解答和梳理和擴展，可以涵蓋無機材料科學基礎動力學的基本內容。在教學中，在尊重原教材的前提下，利用建構主義思想，以學生已有的生活經歷、基礎知識，以辯證法和認識論為指導，通過構思新的問題，可提高學生的興趣，啟發學生思考，取得較好教學效果。

二、生活知識和基礎知識是構建知識構架的初級原材料

就無機材料而言，由于其普通而傳統的特性，無論是水泥、玻璃還是陶瓷，大學生們在生活中都已經形成不同程度的接觸并形成一定程度的認識。另外大學的基礎課程如物理化學、物理學和化學等也為無機材料科學基礎動力學的教學奠定了一定的基礎。也就是說，對無機材料科學基礎動力學的知識體系而言，學生在學習本門課程之前，就已經有了一個原始的、初步的知識體系，但這個知識體系可能是模糊的、若隱若顯的。具體體現在一些問題上知其然，而不知其所以然。在一些在專業人士看來，非常具有系統性和連貫性的知識，在學生那里是離散的，缺乏有機聯系的。因而，如何在這樣一種模糊的、離散的知識體系的基礎上，構建一個明確的、牽一發而動全身的知識體系或稱為網絡，恐怕是任課教師的一個主要任務。在學生已經有的知識體系的基礎上，以問題為出發點，啟發學生進行思考，引導學生得出自己的結論，可能是完成本項任務一個可行的方法。下面舉兩個例子加以說明。其一為破碎瓷器的斷面，大學生中，很少有人沒有過打破碗的經歷。部分好奇心很強的學生可能也觀察過陶瓷的斷面，盡管模糊，但對斷面的形貌肯定有一定的概念。通過老師提醒，對破瓷斷面很容易形成如下的知識：粗糙的、不吸水、很硬。在這樣一個基本概念的基礎上，我們就很容易提出如下一系列問題：為什么是粗糙的？為什么不吸水？為什么飯碗的表面不粗糙。為什么泥菩薩不能過河而古代貿易中沉船中的陶瓷幾百年后仍然完好？通過這樣一些設問，啟發學生思考，通過講解，就較為容易地能把擴散、流動、燒結的內容揉合到一起，使學生的專業知識得到升華，形成自己的知識體系。其二是液固相變的問題。學生們已經在先學課程的物理化學中得到如下的知識，平衡狀態下，化學反應自發進行的條件是體系的自由能（焓）ΔG≤0。從這個角度，很容易引導學生接受這樣的概念：相變自發進行的必要條件也是ΔG≤0。以這樣一個基本的規律，就可以引導學生提出如下問題：為什么是小于等于0？等于0意味著什么？小于0意味著什么？以學生已經根深蒂固的基礎知識——水在0℃結冰為基礎，就很容易引導學生形成這樣的知識：ΔG=0，就是指0℃時冰水混合物的自由焓差。在這樣一個基礎上，學生自然就會想到ΔG<0所表示的為零下的狀態，也就是過冷狀態。然后通過比較冰水混合物、純水的結冰行為，比較冬季所看到的湖邊上的水和中間的水的結冰行為差異，成核和生長的知識也就呼之欲出了，在此基礎上，異相成核和晶化知識的引出也就順理成章了。在此基礎上，通過適當的引導，具有無機材料科學基礎特點的相變知識體系也就容易建立了。

三、辯證法是學生梳理知識體系和形成開放性思維的思想武器

無論我們是否意識到，在日常生活中，大家都有利用辯證法思考的經歷。諸如“站在對方的立場上考慮一下”“設身處地地想一想”“換個角度思考一下”，都有辯證思維的影子。大學生們在馬克思主義哲學中對辯證唯物主義的系統學習，更有利于他們以辯證法為思想武器，促進自身知識的構建，并使知識體系具有更加開放的特性。以對立統一規律為例，如前所述，在考慮顆粒移動的促進作用的同時，對立統一規律就可以引導學生去思考什么因素可以阻止粒子的移動，使學生形成新的思考。課程中很多具有極值的曲線，如晶體生長速度和過冷度的關系等，就可以很好地利用對立統一規律加以解釋。舉一反三，很多問題學生就可以很好地理解、掌握和延伸。在學生掌握了利用這一思維方法的基礎上，再傳授給學生在二分法（非此即彼）基礎上的多元體系復雜性的認識，也就是說一果多因或一因多果的認識。使學生課程知識有一個很好的梳理，對課程體系有更好的把握。質量互變和否定之否定規律同樣也可在教學中得到很好的應用。同樣，以辯證法的思維模式，也可以引導學生發現很多教科書上沒有涉及的內容。如在成核-生長的液固相變的描述中，書中只告訴我們由于在純粹的液相體系中形成新的固相，界面能需要用液相變為固相放出的潛熱補償，因而，需要成核。但并未解決成核后在過冷狀態下液相變為固相后放出的潛熱對體系溫度的影響。諸如此類，利用辯證法的思想工具，還可以引導學生發現很多問題。有些問題，可能是能夠得到答案的，有些問題，可能本身就是現有科學體系沒有解決的。因而，通過學習，學生所構建的新的知識體系是并不完美的，是尚存懸疑的，可以引導學生進一步深入探索。相比自我封閉的知識體系而言，這樣一個體系無疑是具有活力的。

以問題為中心，可很好地對無機材料科學基礎動力學的內容進行梳理，關聯無機材料科學基礎各部分知識，形成以問題為中心的網絡體系。以學生原有的生活常識和先修課程，可引導學生通過思考和重組，建構自己的知識體系。以辯證法為指導，可引導學生進行開放性的思維，引導學生不斷創新，探索未知，提高自身的創造素養，則對其未來發展具有重要意義。

參考文獻：

[1]黃枬森.馬克思主義哲學的當代構建[M].人民教育出版社，2011.

[2]劉偉.以“問題”為著眼點積極推行研究性教學[J].中國高等教育，2010，（No.1）：48-49.