基于促進觀念構建的材料結構測試方法教學探索與實踐

瞿曉玲 趙志廣

（韶關學院 化學與土木工程學院,廣東 韶關512005）

材料、能源和信息已經成為現代科學技術的三大支柱,而材料則是其中的物質基礎。新材料、信息、生物技術被視為21 世紀新技術的主要標志[1]。材料科學發展水平已經成為衡量一個國家科學水平、國民經濟水平及綜合國力的重要標志,許多國家都把新材料的研究開發放在了優先發展的地位。隨著科學技術的發展,人們對材料性能的要求日益廣泛和苛刻,對材料性能及其組分和微觀結構的關系越來越感興趣,因而材料測試技術在材料研究中起著非常重要的作用。無機材料測試技術是無機非金屬材料專業的核心課程,本課程主要涉及無機材料原料及產品性能的測試分析,并通過分析測試結果找出無機材料制備工藝、材料性能與結構之間的關系。學習本門課程的目的是使學生具備解決無機非金屬材料工程實際問題和性能改善分析應用的能力。結合筆者自身的教學實踐,基于促進觀念構建的理念,針對X 射線在材料結構測試中的應用,進行了部分探索與實踐。

1 明確課程學習特點

1．1 學情分析

學生已經知道材料分析的四大層次,在第一層次分析的學習過程中已經經歷過材料的研究過程,具備了物相結構分析的基本思維方法。認知水平處于已有基礎,需要進一步推進加高的狀態。但是結構測試這一部分核心內容難度最大,需要在認知推進的過程中埋好線索,在難度最大的時候拋出前期線索幫助學生思維搭橋。

學生初次接觸材料微觀世界表征方法的抽象概念,尤其是對看不見摸不著的X 射線體會不深,難以理解X 射線與物質作用發生系列物理化學變化。表現在:1）發射源X 射線無形無色,學生對此陌生；2）得到的譜圖并不具體,需要學生在理解原理的基礎上解析才能得到有用信息。所以在前期一定要充分調動學習興趣和探究的勇氣,預埋好線索幫助抽象理解的轉化過程。

1．2 主要內容

結構測試主要涉及X 射線的認識及對其性質的運用,在本門課中的作用主要是起到承上啟下,教學內容難度不大,教師重點需要放在提起學生學習興趣和堅定后面學習的信心上。因此,筆者采用微課動畫認識X 射線,學生尋找、總結知識點完成第一個知識點的學習。然后講述科學家發現和發展X 射線應用的過程,充分調動學生好奇心和求知欲,此時拋出本節課的重難點部分,教師充分引導啟發學生思考,消化理解后,提出活動內容和要求,學生發揮主體作用自主探究新知識。這一部分內容對后面的工程應用起到非常關鍵的鋪墊作用,在講授過程中教學節奏應稍放緩,讓學生對X 射線有了感性的認識,對性質理解以后,嘗試讓學生自主學習解決后面的部分知識點。在課程開始前,通過顯微形貌照片的展示和教師提問,將學生引入更微觀的世界。

圖1 主要內容及內容間的邏輯關系

1．3 教學重難點

學生只有把作為后續工業探測信號的X 射線性質理解到位并熟記于心,才能學習好本部分的內容。重點采用科學小故事趣味視頻播放,學生總結,教師再引導理解的方式,增加同學們對三條基本性質的長期記憶。學生的認知障礙難點在于:X射線肉眼不可見,但具有能量和波動性,能與物質作用發生衍射,并激發出電子產生信號。用這三條性質歸納出從X 射線管里發出來的X 射線有兩種不同類型,其特點的不同決定了不同檢測類型需要使用不同種類的X 射線。突破難點的方式為化抽象為具體,將特征譜比作人的指紋具有特征性,啟發學生后讓學生小組自由討論,生生學習,匯報信息,師生總結補充完整。

2 材料結構測試的教學目標

2．1 知識與技能目標

（1）通過微課視頻的觀看,學生了解并總結出X射線的性質。

（2）通過引導與詳細講解,學生能夠復述X 射線管的構造,高速電子與陽極靶材作用過程。

（3）學生通過小組合作討論,能夠應用波爾理論,解釋特征X 射線譜的特征。

2．2 過程與方法目標

（1）通過小組討論,學生代表演講,學生敢于自由表達觀點,學會與他人的合作與交流。

（2）從科學家的故事中,感受科學之美,明白科學并不深奧,樹立起勇攀科學高峰的信念。

2．3 情感態度與價值觀目標

（1）通過工程案例的分析等活動,增強學生對專業化學學習的認同感,建立嚴謹分析的科學態度觀。

（2）通過聆聽中國科學家對材料解析的經歷,培養祖國自豪感和愛國主義的精神。

3 課程教學的策略設計

3．1 促進學生自主學習

認真觀看科學小視頻:倫琴發現X 射線的科學過程；X 射線具有的三條重要性質。通過微課視頻的觀看,學生了解并總結出X 射線的性質。學生從有趣的視頻中尋找線索,歸納總結出X 射線的性質。從而啟發學生歸納與總結,自主探究課程的內容。

3．2 教學相長

在上述基礎上,講述X 射線管的構成與發射過程,應用波爾理論解釋特征X 射線譜的特征?；诮處熞龑?學生從X 射線管的構成與發射過程中總結出兩種類型的X 射線,并派代表分類總結兩種射線的特點。從而使學生學會引導與分類,加強小組討論和同伴學習。

4 基于促進觀念構建的教學過程優化設計

鑒于材料結構測試的抽象性,本課程以學生為中心,所有教學活動都是圍繞促進學生自主學習來開展。課前學生看微課完成小知識點測驗,老師查看學生課前任務完成情況。學生通過教學平臺觀看老師發布的微課講解,完成檢測。從而幫助學生了解本章知識脈絡,為新知識的學習做鋪墊[2]。

通過具體實例展示創設情境、引入新課。隨著科學技術的進步,越來越多的檢測技術和方法問世,這些技術方法推動工程領域施工、維護以及工程材料的發展與進步。X 射線技術作為一種無損檢測技術,在材料研究與應用過程中發揮著重要的作用。展示石膏制品成分分析、鋼結構無損檢測技術的要點,讓學生通過觀看圖片,聆聽講解,在驚詫之余,體會感悟:材料的檢測技術如此重要。通過工程實例,讓學生對工程結構及材料的檢測產生濃厚的興趣。

材料測試研究內容綜述。通過形貌圖片展示,引導學生生疑,老師順勢引題。問題1:我們通過顯微鏡觀察,知道了材料的表觀及內部樣子,大家想知道這些樣子的材料究竟是什么嗎? 問題2:大家回憶一下我們說材料分析有哪四大層次? 所以我們接下來進入下一層次,在掌握材料形貌分析基礎上,我們還需要知道所看到的東西究竟是什么,這就需要物相分析。再次引入具體案例,以TiO2單相為例,說明X 射線衍射能定性定量。以ZnO 和Y2O3混合相為例,說明X 射線衍射能進行復相分析。以軸輪的疲勞斷裂為例,指出透射電鏡相片及相應的電子衍射能譜能夠知道微觀結構中不同區域所對應的物象。通過上述教學活動:（1）啟發學生學習動機。（2）利用學生的疑問,啟發學生思考顯微層次分析之后,我們需要分析什么。（3）增加學生以材料為研究中心的思想。（4）對學生的學術能力進行引導和開拓。（5）帶領學生認識結構測試方法。（6）通過案例分析,讓學生識別測試譜圖。（7）以實際工程為案例對象,讓學生體會到材料對社會重要性[3,4]。

突出重點,突破難點。進入微課堂,認識X 射線,提醒學生觀看視頻時注意總結X 射線的性質,啟發學生思考在生活中遇見的X 射線有什么特征。進一步,提示學生思考如何收集X 射線,進而用于檢測信號,然后講述X 射線管構造及工作原理。接著,提問高速運動的自由電子撞擊靶材會產生什么波長的X 射線,以小組討論的形式讓學生自主學習電子運動過程中能量損失導致X 射線波長不同,產生連續光譜,理解能級躍遷原理,進而嘗試分析X 射線與物質相互作用的過程,得出特征射線產生原因及特點。

知識應用,回顧總結。利用特征X 射線的生成條件,啟發學生如何獲得單一波長X 射線,通過濾波片工作原理培養學生開放性思維。最后,學生補充具體知識點,共同總結本課學習內容。

5 總結

X 射線的性質作為課堂開篇,從科學小視頻中找出線索既鍛煉學生總結歸納能力,又能增加課堂趣味性。從而引出難點:X 射線管的構造和其產生兩種類型的X 射線。學生在對X 射線性質掌握的基礎上才能了解X 射線產生過程,進一步區分出兩種性質不同的射線。最后通過實際應用,詢問應該采用哪種類型的射線作為信號使用,探測學生這節課的掌握情況。

因此,知識邏輯線、學生活動線都展現得很清楚,每個學生基本都能跟上[5,6]。需要注意的是,對于工程專業學生,從宏觀到微觀的材料結構探究過程做一般了解揭示即可,在學術展示環節不必太深入到內觀機理（適合無機非金屬材料專業學生）。