晶體結構和孿生變形教學方法探索

摘 要：材料科學基礎是高等院校材料成型及控制工程專業的學科基礎課程，是學好專業課的平臺。本文針對材料科學基礎晶體結構和孿生變形教學中出現的學習難點，教學中引入了波波球和磁力棒展示原子堆垛和質點模型。學生對波波球的堆垛及質點孿晶變形的擺放中，面心立方和密排六方結構原子的堆垛方式和間隙以及孿晶變形前后的位向關系及孿生面和孿生方向。該方法加深了學生感性認知，引起了學生興趣，提高了教學效果。

關鍵詞：材料科學基礎 教學過程 教學研究 實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）04（b）-0062-01

材料科學基礎是一門講述金屬與合金的成分、結構、組織與性能之間的內在聯系以及在各種條件下變化規律的課程，既有較強理論性，又要為后續各有關專業課打基礎[1]。隨著高等教育教學改革研究和實踐的不斷深入，各高等學校材料成型及控制工程專業材料科學基礎對教學方法和教學手段都在不斷探索和改革[2]。近年來，江蘇科技大學從拓寬教學內容、更新知識體系、優化教學方法、網絡課程建設、完善實踐教學等方面對材料基礎課程提出了建設需要。作為材料科學基礎的理論與實驗課教師，我在思考如何利用學校教學改革的契機，針對材料科學基礎教學中出現的問題探索新教學方法，達到提高教學質量的課程建設目標。

1 材料科學基礎課程的教學現狀

我校材料成型及控制工程專業的材料科學基礎主要面向鑄造和焊接方向的學生，課程是從原來的金屬學及熱處理課程拓寬而來，主要分為晶體學、結晶學、相變、塑性變形、擴散、熱處理原理與工藝等部分。從幾年的教學和考試經驗來看，晶體結構部分，我校學生對金屬的空間結構較容易理解，但與空間結構結合起來的堆垛方式和層間間隙學生的理解較為困難。后面幾個章節涉及晶體結構內容最多的是晶體的塑性變形，在塑性變形的學習中，學生能夠很好的理解晶體的滑移過程中的變形面和變形方向。但對孿生變形，學生反映對書內介紹的切變過程、切變區與未切變區的分界面、發生均勻切變的孿生面、孿生面切動的孿生方向等內容看不懂。特別難以理解的是孿生變形中均勻切變的晶面與孿生面的關系及變形區與未變形區的鏡面對稱關系。

2 課堂教學方法的創新

2.1 課堂設計

針對材料科學基礎教學中出現的晶體結構和孿生變形教學難點，在課堂上動畫展示晶體結構堆垛方式和孿晶變形的基礎上，探索讓學生操作模型的方式增強學生的感知，模型利用科研中研究原子之間位向關系的磁力棒（帶鋼球）和波波球組建。波波球用于展示晶體堆垛模型，磁力棒用于展示孿晶變形模型。堆垛模型為顏色不同的并分組粘牢的波波球，分為三個一組、六個一組、單個一組兩種。孿晶變形模型為用磁力棒及鋼球排列出的面心立方{110}面的點陣結構，變形區用不同顏色的磁力棒以區別于變形區。

2.2 課堂教學實踐

講述晶體結構時，首先動畫演示堆垛方式，面心立方與密排六方的密排{111}與（0001）原子排列情況完全相同，由（0001）面沿[001]方向按ABAB……順序堆垛即為密排六方結構。以（111）面逐層堆垛按ABCABC……順序堆垛的即為面心立方結構。

之后嘗試讓同學們自己堆垛出兩種空間結構。將已用膠水粘牢按顏色分組的波波球模型發給學生，每組學生發放六個一組的模型三個，三個一組的模型兩個，三個一組的兩個。要求學生根據動畫按ABCABC順序堆垛出面心立方模型，按ABAB順序堆垛出密排六方模型。之后再讓同學們用現有的波波球自己堆垛出一個面心立方和密排六方晶胞。對堆垛理解不深，開始時擺不好學生在堆垛成功后，反映完全理解了堆垛的方式。

在堆垛好面心立方晶胞后，讓同學觀察球與球之間的間隙。然后給學生講述實際金屬中這些間隙的重要性，其數量、大小及位置對了解材料的相結構、擴散、相變等問題都很重要。

在講述孿生變形時，首先將孿生變形前后的兩個晶格模型展示給學生。介紹鋼球代表原子的中心，磁力棒代表晶格中連接陣點的直線。每組同學發放一個用磁力棒和鋼球排列好的正面為面心立方{110}面的晶格，告訴學生{110}面不是孿生面，而是發生變形的晶面，而變形的晶面上用不同顏色的磁力棒展示的為孿生變形區。通過觀察立體的變形區，學生很快找到了變形區和未變形區的界面孿生面。并且根據孿生面，指出了孿生方向。之后讓學生自己嘗試孿生變形操作，孿生變形過程較為復雜，但通過指導，大部分學生完成了對變形區的變形。

2.3 教學總結

通過形象直觀的模型引出教學內容的教學方法優化加深學生的印象，促進了學生對晶體結構和孿生變形的理解。大部分學生反映五顏六色的波波球堆垛模型很吸引他們的興趣，他們反映對模型排列的實踐像是在做游戲，同時，讓他們更好的理解了晶體的空間結構。對于孿生變形，作業和測驗情況顯示學生對孿晶變形特征的表述方法更多了，不再是單純的書本上的表述，而過去測驗中大部分學生難以找到變形區與未變區鏡面對稱的兩部分晶體，大部分學生在測驗中找到了，說明大部分學生真正理解了孿生變形的特點，教學效果提高了。

3 結語

本文根據材料科學基礎晶體結構及孿晶教學環節中出現的問題進行的教學改革，可以提高學生材料科學基礎相關知識的理解水平，達到提高教學質量的目標。

參考文獻

[1] 周細應，李培耀，童建華.《材料科學基礎》教學改革的實踐探討[J].上海工程技術大學教育研究，2005，2：1-3.

[2] 解念索.材料科學基礎課程教學改革與實踐[J].安徽工業大學學報，2006，23（5）：119-120.