《無機材料科學基礎》過程動力學內容的教學探討

摘要：過程動力學部分是《無機材料科學基礎》課程的重要內容。本文結合實際教學中對該部分的體會，從教學理念、課程線索、教學方法幾個方面對這部分內容的教學進行了探討。在教學理念上重視從學生的基礎出發，解惑為道，在教學過程中強調課程內容的線索，注意點面結合，在教學方法上重視使用辯證法原理解釋科學問題。將傳授知識和啟發式教學相結合，深化了學生對課程內容的理解，并使學生在一定程度上形成深入、系統思考專業問題的能力。

關鍵詞：解惑為道；課程線索；辯證法；傳授知識；啟發式教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0093-02

《無機材料科學基礎》課程的前身為《硅酸鹽物理化學》，是我國各大學無機材料專業的專業基礎課。它包含水泥、玻璃、陶瓷等各門無機材料課程最基礎的理論內容，涉及晶體結構、無機材料熱力學和無機材料過程動力學等幾部分內容。過程動力學部分是本課程的重要內容，包含擴散、固相反應、相變、燒結四個部分。相比本課程中晶體結構和熱力學部分的內容，過程動力學課程具有各章之間聯系較弱、公式和數學推導較多的特點，是教學中比較難以把握的一部分。文章根據對本部分內容的教學體會，就該部分的課程線索、內容把握和教學方法等方面提出了一點看法，期待與各位同行交流。

一、從學生基礎出發，深入淺出解惑為道

師說云：師者，所以傳道、授業、解惑也。從古至今，為人師者均擔負著這三個重任。孔夫子的足跡遍布當年的六國，通過收徒授課的方式將他的儒家之道廣為傳播。但隨著網絡時代的到來，當今社會的教育尤其是大學教育有了新的特點。一方面，網絡帶來了爆炸型的知識增長，資訊高度發達，通過網絡可得到的信息相當豐富。另一方面，大學生的綜合素質也發生了飛躍，多元化的渠道使他們獲得知識相當容易，遠勝于老師所能傳授的內容。這種情況下，大學傳統的以傳授知識為目的教育模式受到了挑戰。在這樣一個時代，教學理念面臨轉變的必要性，為師者傳道、授業、解惑的三大功能中，前二者的功能一部分為網絡取代。因而解惑已成為大學老師幫助學生進步的最重要的內容。以學生已經具有的知識為出發點，找到學生的困惑之處，然后通過解惑，幫助學生加深對知識的理解，深入淺出地對課程內容進行剖析，將更有利于學生加深對所學內容的理解和掌握。在無機材料科學基礎的教學中，筆者就充分體驗到這種教學方法的益處。以相變為例，水結冰首先從邊上開始，這是很多大學生通過生活和互聯網的途徑早已積累的知識。但對為什么會這樣，在大學生中可能知道的比例并不大，這就存在了“惑”，有了“解惑”的必要性。通過這樣的解惑，筆者很容易地引出了“均勻成核”和“非均勻成核”的概念。在課堂教學中，筆者首先提出了大家所熟知的水從邊界結冰的事實，然后問學生為什么是這種情況。大部分學生是面露疑惑，很多學生更是議論紛紛。這樣，筆者就在學生已有的知識基礎上，找到了學生的“惑”。以解決這個“惑”為目的，筆者在一盤水中設定了二個參照點：盤邊、盤中表面以下。從盤中表面以下的水結冰講起，把冰的晶核考慮為球形，則得到了結冰所引起的界面能上升和冰粒自由焓下降的平衡關系，根據這種結冰時的體系自由焓平衡關系，由此得到均勻成核臨界核半徑的關系式。再考慮邊緣潤濕情況，考察形成該臨界半徑“球帽”所需要的晶相轉變數量，學生很容易就可得到這樣的結論：在邊界由于形成“球帽”，形成臨界半徑所需要的相變量比盤中表面以下結冰容易得多。正是通過以學生已有的水從邊上開始結冰的現象，通過為學生解決疑惑，筆者較為方便地解決了均勻成核和非均勻成核的知識傳授問題，深入淺出地使學生較好地掌握了均勻成核、非均勻成核的相關概念和機理問題。這樣的教學方法，以解決學生的疑惑為基礎，提高學生的興趣，取得了較好的教學效果。

二、確定各章關鍵詞，找到課程理論線索

無機材料科學基礎的過程動力學內容看似零散，其實也存在一個總體線索，一言以蔽之，就是以粒子微觀移動為本質，以體系宏觀變化為表象和目的。以粒子微觀移動和體系宏觀變化為著眼點，筆者在教學中嘗試確定了各部分內容的關鍵詞，確定課程各部分內容的關聯線索。擴散部分的內容，其微觀粒子移動的本質特征為擴散系數，其宏觀表象為體系中由于濃度差而引起的粒子移動的通量。而菲克第一定律和菲克第二定律則處理濃度差和通量的關系，這二者通過描述微觀粒子移動特征的擴散系數相關聯。空位擴散是無機材料的主要擴散機制，空位濃度及空位產生機制不僅對擴散系數產生重要影響，而且空位濃度差則導致產生通量。根據上述線索，本部分內容的關鍵詞可確定為菲克定律、擴散系數和空位擴散。固相反應一章中，最為令人注目的是一個轉化率的問題，是宏觀變化的表象。而大量的篇幅在轉化率如何計算，很多內容著墨于數學問題，固相反應的機制問題則牽涉到擴散能力也即擴散系數及擴散機制問題。反應機制的差別——化學反應控制還是擴散控制方面的問題，解決的粒子微觀移動的本質問題。本部分的關鍵詞為非均相反應、轉化率、反應機制。相變一章最關鍵的內容為在相變時界面對相變的阻礙，成核成長和不穩分解的機理的區別盡管說可以從分相引起的微小自由焓變化來加以判定，但從直觀的角度來講，界面的形成與否則更容易讓人理解。如果把著眼點定位于界面的產生與否，成核生長和不穩分解的很多問題就可以迎刃而解。從界面的角度出發，學生就很容易理解二者在勢壘、相變速度、擴散類型乃至分相初期形貌等方面的差別。該部分內容的微觀移動的本質問題為在界面作用下的微觀擴散機制的變化，其表象為分相初期的形貌。因而這部分的課程關鍵詞為界面、勢壘、擴散。至于燒結則相對復雜，涉及不同的燒結機理以及燒結過程中，涉及微觀粒子的移動問題主要有擴散、塑性流動、粘性流動和蒸發凝聚和溶解沉淀，其宏觀表象為顆粒堆積體的收縮。盡管從表面上看來，各種燒結機制之間存在很大的差異，但從本質上來看，燒結可以看成為粉體堆積體減小表面積為目的而進行的大顆粒吞并小顆粒（簡稱以大吞小），凹面吞噬凸面（簡稱以凹吞凸）的過程。可以將這部分內容的關鍵詞歸結為比表面積、以凹吞凸、以大吞小和體積收縮。綜上所述，以粒子微觀移動和宏觀變化的總線索為出發點，可提煉出各章的具有特色的關鍵詞，形成各章節內容的理論線索。掌握了這些關鍵詞，然后從微觀移動和宏觀變化對這些關鍵詞進行思考和分類，有利于形成課程的本部分內容的總體線索。

三、以辯證法為指導，掌握課程哲學內涵

眾所周知，哲學可對具體的自然科學產生指導作用，辯證法是哲學的重要內容，包括對立統一規律、量變質變規律和否定之否定規律。對立統一規律強調任何事物均有正反二個方面，且隨條件變化兩方面的主次地位可以發生變化，量變質變規律揭示任何事物的變化均存在一個“孕育和積累”過程；否定之否定則體現螺旋式上升過程和曲折性。無機材料科學基礎的過程動力學部分可找到反映上述三個規律的典型案例。無機材料科學過程動力學部分內容中能夠詮釋矛盾論的例子有很多，典型的為有極值點的一些曲線。以相變部分內容為例，成核-生長機理的相變尺寸和自由焓變化的關系曲線、成核速率和晶體生長速率與過冷度的關系曲線均存在極值點，它們體現的是矛盾主要方面和次要方面相互轉化的矛盾運動規律。筆者針對相變尺寸-自由焓曲線提出了相變尺寸增大導致體系自由焓下降這一矛盾的一個方面，要求同學根據極值出現的特點及矛盾論的基本原理，啟發學生找到矛盾的另外一個方面，通過主動思考，學生很容易地就理解了界面的形成對相變的牽制作用，通過矛盾主要方面和次要方面在一定條件下相互轉化的規律，理解了相變尺寸這一條件對自發成核的重要意義，并從哲學高度理解了臨界尺寸這一轉折點含義：顆粒尺寸增大而引起的成核自由焓下降的因素，和顆粒尺寸增大而引起的界面增大在相變過程中所起的牽制作用，這一對矛盾的二個方面，其主次地位發生了轉變。晶體-熔體相變的等溫臺階，則是質量互變規律的一個典型案例。眾所周知，平衡狀態下，相變處自由焓不變。以一級相變為例，在相變溫度處，ΔG=ΔH-TΔS=0。隨著外界熱量的不斷進入一個物相體系，體系的溫度升高。但當到達相變點時，盡管有能量進入，體系將在一個階段保持溫度恒定。這里存在一個質量互變規律，能量不斷進入體系，導致體系的混亂度增大，也就是熵增大，隨著量的不斷積累，混亂度達到一定程度，體系的性質產生了質變，由一種相完全轉變為另一種相。在相變溫度下停留的過程，是一個新相的“積累和孕育”的過程。在教學中，從辯證法的角度給學生講授相變過程中熵增大這一質量互變規律，有利于加深學生對這部分內容的理解。至于否定之否定規律，則是我們材料制備的目的。以陶瓷制備為例，其原料本為礦石，為具有強度的塊體材料。在陶瓷制備過程中，首先要破壞這些塊體，將其制成粉體，實現第一次否定過程，通過成形和燒結過程，又將粉體材料變成為具有強度的塊體材料，實現第二次否定過程。通過這樣一個否定之否定的過程，原來的塊體礦石，通過一個螺旋式上升的過程，形成更好服務于人類的塊體材料。在教學中，通過闡明這二個否定過程，可以啟發學生深入探索其中緣由，理解第一否定過程中由于能量通過球磨等過程進入體系，使物料比表面積增大，從而為第二個否定過程奠定基礎。并掌握在成形過程中體系在粉體表面能及水的表面張力的作用下形成塊體以及燒結過程中體系在一定溫度下表面張力降低的過程中的能量變化原理。學生可通過了解陶瓷制造過程中體系由塊體變為粉體，然后又變為塊體的否定之否定規律，深入了解在這一規律后面的能量方面的否定之否定規律即由礦石塊體的低表面能到粉體的高表面能然后又回到陶瓷塊體的低表面能這一否定之否定過程。從而加深陶瓷制備過程、燒結推動力及機理方面的理解。

網絡時代的教學，老師的職能——傳道、授業、解惑三方面作用的重要性發生了變化，解惑為道可提高學生學習的興趣，加深學生對課程相關內容的理解，提高教學效率和效果。以微觀粒子移動和宏觀變化表象為出發點，可確定無機材料科學基礎過程動力學各部分關鍵詞，通過這些關鍵詞，然后從微觀移動和宏觀變化對這些關鍵詞進行思考和分類，有利于形成課程的本部分內容的總體線索。從課程具體內容中尋找無機材料過程動力學部分存在的辯證法規律，通過揭示其內在的辯證法規律，有助于學生從更深層次掌握課程內容。

參考文獻：

[1]張立波，聶錦芳，趙家祥.馬克思主義哲學教程[M].北京大學出版社，2004.