基于晶體學的材料化學課程教學

于青　王忠衛　曹梅青　黃小文　田秀娟

【摘 要】材料化學是從化學的角度研究金屬、非金屬等多種材料的科學，課程內容涉及面廣。以晶體學為主線的材料化學課程教學，通過對材料結構的解析和比較使學生明確各類材料在合成、性能和應用方面的異同，體現了基礎理論和應用的結合。

【關鍵詞】晶體學；材料化學；課程模塊

現代科學技術賴以發展的各種材料主要以固態形式存在。按照基本粒子排列的有序程度，固態物質可以分為晶態、非晶態和準晶態。鑒于大多數材料只存在于晶態之中且晶態材料具有特殊的規則性，在近代自然科學體系中，通過晶態獲得微觀立體結構信息已成為極其重要的研究渠道。因此，晶體學是材料科學發展的重要支柱。

材料化學是材料科學的重要分支，是一門研究材料的制備、組成、結構、性質及其應用的科學[1-2]。在材料化學的課程學習中，對于材料結構的認識尤為重要[3]。本文結合本科教學實踐，分析了《材料化學》課程的特點和存在的問題，闡述了以晶體學為主線的課程設計及教學方法。

1 《材料化學》課程的特點及存在的問題

首先，《材料化學》是材料類專業的重要專業基礎課，課程內容多，涵蓋了材料的制備、結構、性能及應用。從所涉及的材料來看，包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、納米材料、功能材料等。這就要求《材料化學》授課教師的知識面廣，在內容組織上不僅能體現不同材料各自的特點，還要強調它們之間的聯系。

其次，不同于《無機化學》等課程，作為一個較新的學科和課程，《材料化學》不具備經典、權威教材。目前，各大出版社的《材料化學》教材內容各不相同，有些甚至差別較大。此外，新材料的開發、傳統材料的升級一直是研究熱點。因此，材料相關的理論和知識日新月異。如何將新技術、新成果引入到《材料化學》課程中，做到知識與時俱進，是課程教學中面臨的一個重要問題。

2 以晶體學為主線的《材料化學》課程教學

2.1 課程內容模塊化

按照材料化學專業培養目標及山東科技大學人才培養的特點，材料化學課程選用李奇教授編寫的《材料化學》作為教材。根據對本課程的理解，以晶體學基本原理為主線，將課程內容進行模塊化整合，分為背景模塊、晶體學原理模塊、金屬材料模塊、無機非金屬材料模塊、高分子材料模塊和學科前景模塊。

2.2 課程設計及教學方法

背景模塊主要介紹材料化學課程在材料科學中的地位、材料化學課程內容、學習目的及學習方法，結合實際例子（如摔不碎的納米陶瓷刀，“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”——金屬玻璃等）激發學生對課程的興趣。

晶體學原理模塊中以晶體的周期性和對稱性為教學重點，結合宏觀實例解釋微觀的概念和原理。鑒于晶體學原理模塊內容較為抽象，在教學過程中采用多媒體與模型（主要是球棍模型）相結合的方式，通過對比教學加強學生對基本概念和原理的掌握。從晶體與非晶體的異同入手引出晶體的周期性和對稱性，從晶棱、晶面和晶胞三個層次分析晶體的特點，結合X射線衍射完整講解晶體學知識，引導學生構建完整的晶體學理論框架。

在學習晶體學知識的基礎上，金屬材料模塊、無機非金屬材料模塊和高分子材料模塊分別從三大類材料各自的結構出發結合制備方法引出材料的性能及應用。在金屬材料模塊的教學中，結合前期《無機化學》中有關金屬晶體的知識，引出“等徑圓球密堆積”的模型，從而分析金屬單質一維、二維和三維密堆積的基本形式。為了使學生更好的理解二維密堆積中四面體空隙和八面體空隙的產生，在教學中將學生分成若干小組，每組發放一定數量的乒乓球（代表金屬單質原子），請學生動手排出密堆積的形式。另外，準備已組合好的模型，讓學生從不同角度觀察二維密堆積，查找四面體空隙和八面體空隙的位置。通過二維密堆積的詳細講解和學生的動手組裝，使學生更好的理解密堆積，為后續金屬單質的三維密堆積和合金結構的學習打下良好的基礎。

在金屬材料中除了金屬晶體之外，還涉及到準晶這一特殊的結構。與晶體的長程有序不同，準晶具有長程準周期性平移序和非晶體學旋轉對稱性。這部分的教學中著重強調準晶與晶體在結構上的不同，并由此引出其制備和性能的特殊性。

在無機非金屬材料模塊的教學中，引導學生從比較離子晶體與金屬晶體的結構區別入手，結合球棍模型的組裝，使學生掌握離子晶體結構的解析方法。著重強調離子晶體結構分析中以往學生經常出現的錯誤。例如氯化銫（CsCl）晶體的解析，學生在根據晶體結構示意圖（圖1）進行分析時往往得出其為體心立方結構，但實際上CsCl晶體應該是簡單立方結構。該錯誤的出現是因為學生并未掌握離子晶體結構分析要點。在離子晶體的結構解析中，應首先分析負離子（或正離子）的排列方式，然后查找正離子（或負離子）的位置及其占據的空隙類型，最后分析正負離子的配位數以及每個晶胞中所含正負離子個數。只有按照這樣的分析方式才能正確得出晶體結構。在學生熟悉無機材料典型的晶體結構后，引出無機材料的經典制備方法，并比較各種方法間的差異，由此得出材料的性能和應用。在晶態無機材料的教學中，穿插近代科研中比較熱門的碳材料（如碳納米管、石墨烯等）和分子篩材料，分析這些材料的特殊結構及由此衍生出的特殊性質和應用。例如，分子篩材料特殊的孔道結構使其具有擇形催化性能并在石油化工領域中有著非常重要的應用。

圖1 氯化銫（CsCl）晶體的結構示意圖

另一方面，在無機非金屬材料中還涉及到非晶態材料。教學過程中通過晶體結構的周期性和對稱性，引出非晶態材料（如玻璃等）的結構特點，注重新興非晶態材料（如金屬玻璃）的合成及性能。

在高分子材料模塊的教學中，引導學生總結高分子與小分子在結構上的差異，引出高分子的晶態、非晶態、液晶態和取向態。結合偏光顯微鏡對球晶的觀察，使學生進一步明確晶態高分子與金屬晶體、離子晶體等的區別。通過高分子材料的晶態沒有小分子完善，而其非晶態的有序性卻高于非晶態小分子，引出高分子材料具有小分子所不具備的特殊性能和應用。

在前景展望模塊，主要從化學的角度針對材料的發展進行分析，使學生認識到材料的特殊魅力。結合材料化學的發展前沿，提高學生對材料學科今后發展趨勢的認識，為學生成為材料專業技術人才奠定堅實的基礎。

3 結語在材料化學課程教學中，以晶體學為主線將金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料串聯在一起。采用比較式教學、多媒體和模型相結合的教學手段，加深學生對材料結構、制備、性能和應用的理解和認識，提升學生分析解決問題的能力。

【參考文獻】

[1]米曉云，張希艷，柏朝暉，等.科研對材料化學課程教學的促進作用[J].現代教育科學，2009，1：112-114.

[2]陳龍，亓昭鵬，黃良芳，等.《材料化學》選修課教學改革初探[J].科技視界，2014，23：23.

[3]張英.大材料背景下晶體學課程的改革與創新[J].科教文匯，2011，10：71-72.

[責任編輯：王楠]