材料化學(xué)課程中材料結(jié)構(gòu)部分的教學(xué)思考*

于　青，曹梅青，王忠衛(wèi)，黃小文，田秀娟

(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東　青島　266590)

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材料化學(xué)課程中材料結(jié)構(gòu)部分的教學(xué)思考*

于青，曹梅青，王忠衛(wèi)，黃小文，田秀娟

(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590)

材料結(jié)構(gòu)是材料化學(xué)課程的重要組成部分。以材料結(jié)構(gòu)為主線，將金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等多種材料的制備、組成、性能和應(yīng)用串聯(lián)在一起，既體現(xiàn)了知識間的聯(lián)系，又強調(diào)了不同材料間的差異。鑒于材料結(jié)構(gòu)知識較為抽象，本文結(jié)合本科教學(xué)實踐，提出了將球棍模型與多媒體教學(xué)有機結(jié)合的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力和空間想象力，從而增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識。

材料化學(xué)；材料結(jié)構(gòu)；球棍模型

材料科學(xué)與工程是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的四大支柱之一，幾乎每一項重大的科學(xué)技術(shù)進步都與材料的發(fā)現(xiàn)有著密切的關(guān)系。現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)已經(jīng)由過去的宏觀研究和發(fā)展進入到了微觀的分析和研究，在分子、原子甚至是電子的尺度內(nèi)改變傳統(tǒng)材料的性質(zhì)、探索新材料。材料化學(xué)是材料科學(xué)的重要組成部分，也被稱為“固體化學(xué)”。材料化學(xué)課程主要講述從化學(xué)的角度進行材料科學(xué)研究所需的基本知識，具體包括：(1)材料中原子、離子或分子的排列方式；(2)不同組成間的化學(xué)反應(yīng)；(3)材料制備工業(yè)過程中的化學(xué)問題；(4)材料的化學(xué)性質(zhì)及其他性質(zhì)中的化學(xué)因素；(5)環(huán)境對材料的影響等[1-3]。

根據(jù)培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的材料專業(yè)技術(shù)人才的需要，山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院結(jié)合已有的專業(yè)設(shè)置和辦學(xué)條件，于2007年申報增設(shè)“材料化學(xué)”專業(yè)，經(jīng)批準(zhǔn)于2009年開始招生。材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)必修課30門，其中材料化學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課開設(shè)。材料化學(xué)課程開設(shè)于第五學(xué)期，設(shè)置64個學(xué)時、4個學(xué)分。課程內(nèi)容涉及面廣，信息量大，學(xué)生學(xué)習(xí)時難以抓住重點和主線。結(jié)合五年的教學(xué)體會和探索，本文從材料結(jié)構(gòu)的知識體系、在材料化學(xué)課程中的地位、材料結(jié)構(gòu)的教與學(xué)四方面闡述了作者的觀點和思考。

1　材料結(jié)構(gòu)的知識體系

材料是具有一定性能，可以用來制成一些機器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的物質(zhì)。一般意義上的材料以固態(tài)為主要存在形態(tài)。固態(tài)材料按照其粒子的排列方式可以分為晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)三大類；按其組成可以分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等。人類對材料結(jié)構(gòu)的認識起源于晶體結(jié)構(gòu)的分析。通過晶體結(jié)構(gòu)的分析，科學(xué)家總結(jié)得出了晶體學(xué)的相關(guān)理論。晶體學(xué)研究歷史悠久，是諸多學(xué)科(如固體物理和材料學(xué))的基礎(chǔ)。隨著人類對固體結(jié)構(gòu)認識的深入，以色列科學(xué)家Daniel Hechtman于1982年發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)周期晶體(簡稱準(zhǔn)晶)。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了人們對固體材料的認知，而且開發(fā)了固體材料(主要是準(zhǔn)晶材料)新的應(yīng)用領(lǐng)域。材料化學(xué)課程涵蓋多種固體材料，其中材料結(jié)構(gòu)知識以晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)為主，將不同組成的材料的性能和應(yīng)用穿插其中，使抽象的理論教學(xué)不陷于枯燥，而知識性介紹又不流于膚淺。

2　材料結(jié)構(gòu)在材料化學(xué)課程中的地位

材料化學(xué)是從化學(xué)的角度來研究材料的一門科學(xué)。課程內(nèi)容涵蓋了材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。這四大部分相輔相成，是材料研究的四大要素。其中，材料的結(jié)構(gòu)決定了其性能和應(yīng)用，同時也指導(dǎo)著材料的合成。研究材料結(jié)構(gòu)在材料的設(shè)計合成及應(yīng)用中非常重要[4]。例如，單晶材料的外形直接取決于其內(nèi)部原子的排列方式；晶態(tài)材料內(nèi)部缺陷的存在直接影響其性能，而缺陷的探知則基于對材料結(jié)構(gòu)的分析。通過對材料結(jié)構(gòu)的分析不僅可以明確各種材料合成方法的優(yōu)勢，同時還可以推測材料的性能及應(yīng)用范圍。由此可見，材料結(jié)構(gòu)在材料化學(xué)甚至是材料科學(xué)領(lǐng)域研究中至關(guān)重要[5]。同時，良好的材料結(jié)構(gòu)認知是優(yōu)秀材料人必備的素質(zhì)。

3　材料結(jié)構(gòu)的教學(xué)

3.1學(xué)情分析

材料化學(xué)課程開設(shè)在第5學(xué)期。經(jīng)過兩年的大學(xué)本科學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步具備自主學(xué)習(xí)意識。此外，學(xué)生前期已學(xué)習(xí)了《無機化學(xué)》課程，對于原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)已有一定認識和基礎(chǔ)。因此，在材料結(jié)構(gòu)講授時，可以從學(xué)生熟悉的原子或分子結(jié)構(gòu)入手，逐漸引入固體材料的整體結(jié)構(gòu)。

3.2材料結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中的常見問題

材料結(jié)構(gòu)內(nèi)容較為抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中需要具有一定的空間想象能力。雖然授課從學(xué)生熟悉的晶體材料結(jié)構(gòu)開始，但在學(xué)習(xí)之初，學(xué)生對于點陣、點群和空間群等基本概念感到難以理解，甚至有的學(xué)生無法正確分析宏觀對稱性和微觀對稱性。此外，在準(zhǔn)晶部分，學(xué)生認為準(zhǔn)晶的定義及判別較難理解。

3.3教學(xué)方式及設(shè)計

在教學(xué)中，除合理安排教學(xué)內(nèi)容外，為有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握基本知識和基本技能，使抽象的理論教學(xué)不枯燥，達到理論與實踐相結(jié)合的目的，采用多種多樣的教學(xué)方法和教學(xué)手段，融知識傳授與能力培養(yǎng)為一體。在材料結(jié)構(gòu)部分的教學(xué)中，運用多媒體教學(xué)的同時，將球棍模型帶入課堂，使學(xué)生能夠更加直觀的觀察相應(yīng)材料結(jié)構(gòu)。同時，通過球棍模型的組裝，提高學(xué)生的動手能力和團隊協(xié)作能力。下面以晶態(tài)結(jié)構(gòu)為例詳細分析教學(xué)方式及教學(xué)設(shè)計。

課前事先準(zhǔn)備好一定量的球棍模型并完全拆開。課堂上，根據(jù)球棍模型數(shù)量將學(xué)生分成若干組。在講述晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，從學(xué)生熟悉且相對簡單的食鹽(NaCl)晶體結(jié)構(gòu)引入。通過無機化學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生明確了NaCl為典型的離子晶體。第一步，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識合作完成NaCl晶體球棍模型的組裝。在各組學(xué)生分別展示模型后，教師利用ppt演示出正確的NaCl晶體結(jié)構(gòu)示意圖(圖1)，并請學(xué)生對照查找本組所制作模型的問題。第二步，教師引導(dǎo)學(xué)生明確NaCl晶體結(jié)構(gòu)陰陽離子所處位置、各自配位數(shù)及一個NaCl晶胞中所含陰陽離子個數(shù)。第三步，教師引導(dǎo)學(xué)生描述NaCl晶體的對稱性。第四步，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出NaCl晶體結(jié)構(gòu)示意圖，完成NaCl晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。第五步，通過NaCl晶體結(jié)構(gòu)的分析方法，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)結(jié)構(gòu)分析的要點，并提示結(jié)構(gòu)分析及材料結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中的注意事項。

圖1　NaCl晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of NaCl crystal structure

在學(xué)習(xí)NaCl晶體結(jié)構(gòu)的過程中，通過球棍模型的組裝學(xué)生已對結(jié)構(gòu)解析產(chǎn)生一定興趣。因此，在NaCl晶體結(jié)構(gòu)解析之后，緊接著給學(xué)生出一道難題：鈣鈦礦型晶體的結(jié)構(gòu)解析。與NaCl晶體不同，鈣鈦礦型晶體為三元離子晶體，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，分析難度更大。鑒于部分學(xué)生能夠在教師給出NaCl晶體結(jié)構(gòu)之前正確的組裝其球棍模型，此時給出的鈣鈦礦型晶體更具吸引力。第一步，教師利用ppt給出鈣鈦礦型晶體的結(jié)構(gòu)示意圖，請學(xué)生分組討論，并以小組為單位給出鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的解析結(jié)果。第二步，請學(xué)生根據(jù)每組給出的晶體結(jié)構(gòu)分析各自結(jié)果的準(zhǔn)確性，并展開討論。第三步，教師引導(dǎo)學(xué)生按照之前總結(jié)的原則分析結(jié)構(gòu)中陰離子的排列方式，并請學(xué)生驗證本組分析結(jié)果。第四步，請學(xué)生指出體積較大的陽離子所處位置(為提高學(xué)生的積極性，可以搶答方式進行)。第五步，請學(xué)生指出體積較小的陽離子所處位置(為提高學(xué)生的積極性，可以搶答方式進行)。第六步，教師總結(jié)鈣鈦礦型晶體的正確結(jié)構(gòu)，并針對每組的解析結(jié)果給予評價，指出問題所在。最后，教師請學(xué)生畫出鈣鈦礦型晶體的結(jié)構(gòu)示意圖，完成晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)。

4　材料結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)

材料結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)相對于材料合成、應(yīng)用等較抽象，也較不容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，教師在此部分的教學(xué)中除了注重基礎(chǔ)知識的講述，還應(yīng)著重學(xué)習(xí)方法的傳授。采用多種教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣：

(1)球棍模型。通過球棍模型的拆解和組裝，激發(fā)學(xué)生的動手能力。學(xué)生也可利用課余時間借出球棍模型，根據(jù)課堂中所講理論知識組合出他們感興趣的材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

(2)畫圖。學(xué)生可利用計算機練習(xí)繪制教師在課堂中演示的結(jié)構(gòu)示意圖，并在下次課堂上進行演示。這樣的學(xué)習(xí)方式一方面有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們通過示意圖的繪制更加清晰的理解材料結(jié)構(gòu)，提升空間想象力；另一方面可以提高學(xué)生應(yīng)用相應(yīng)繪圖軟件的能力，使其具備材料研究人員所需的基本技能。

(3)學(xué)生主題演講。知識的學(xué)習(xí)如果僅限于教師的講述，那么有可能會學(xué)一點忘一點，很難做到“掌握”。何為“掌握”？怎么做到“掌握”？只有學(xué)生真正理解了，能夠用自己的語言講出來，那么才能稱為學(xué)生掌握了該知識。因此，在教學(xué)過程中鼓勵并安排學(xué)生針對某些知識進行主題演講。這種方式既能夠提升學(xué)生對知識的理解，又可以鍛煉學(xué)生的講解能力，為學(xué)生將來走向工作崗位奠定良好的基礎(chǔ)。

5　結(jié)　語

在材料化學(xué)課程學(xué)習(xí)中，材料結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。鑒于結(jié)構(gòu)知識相對抽象，教師將多媒體教學(xué)與球棍模型相結(jié)合，以學(xué)生動手組裝晶體結(jié)構(gòu)球棍模型為基礎(chǔ)，引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，提高學(xué)生的空間想象力，從而提升學(xué)生作為材料人的素質(zhì)和技能。

[1]李本俠,王靜.《材料化學(xué)》課程教學(xué)的探討與實踐[J].廣州化工,2009,7(8):228-245.

[2]劉清泉,肖秋國,陳麗娟,等.“材料化學(xué)”湖南省特色專業(yè)建設(shè)的思考(一)[J].當(dāng)代教育理論與實踐,2011,3(11):87-89.

[3]王來國,朱鳳,黃榮誼.“材料化學(xué)”精品課程建設(shè)的探索與實踐[J].廣州化工,2012，40(2):128-130.

[4]張英.大材料背景下晶體學(xué)課程的改革與創(chuàng)新[J].科教文匯,2011(10):71-72.

[5]李奇,陳光巨,黃元河.晶體學(xué)知識在材料化學(xué)課中的重要地位[J].高師理科學(xué)刊,2008,28(1):101-112.

Teaching Reflection on Material Structure in Material Chemistry*

YU Qing， CAO Mei-qing， WANG Zhong-wei， HUANG Xiao-wen， TIAN Xiu-juan

(College of Materials Science and Engineering，Shandong University of Science andTechnology，ShandongQingdao266590，China)

Material Structure is an important part in the course of Material Chemistry. Material Structure is used as the thread running through the preparation, composition, properties and application of different materials, such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymeric material, etc. It could not only embody the relationship between knowledge, but also emphasize the differences between different materials. As the content of material structure was quite abstract, the teaching approach of combining ball-and-stick models with multimedia teaching was proposed based on the practice of undergraduate teaching. This type of teaching approach could stimulate the learning interest of students, improve their practical ability and space imagination and enhance their awareness of autonomous learning.

Material Chemistry; Material Structure; ball-and-stick models

山東科技大學(xué)教學(xué)研究項目(No.qx2013121，qx2013123)。

于青(1983-)，女，副教授，從事材料化學(xué)方面的教學(xué)與科研。

G642

A

1001-9677(2016)09-0180-03