結構主義教學理論在“材料研究與測試方法”教學中的應用

梁 峰，韓兵強，劉 浩，雷 文，張海軍

（武漢科技大學材料與冶金學院 湖北 武漢 430081）

結構主義教學理論形成于20世紀五六十年代，主要代表人物為杰羅姆·布魯納（Jerome Seymour Bruner）。布魯納主張在教學過程中創造條件，使學生在學習的過程中進行自主的、有意義的思考，從而提高學生自主發現的能力、獨立解決問題的能力以及發明創造的能力等[1]。在具體課程教學活動中，將課程內容的基本概念、結構、原理置于中心位置，讓學生建構知識結構圖，從宏觀上了解課程特點和知識點框架，理解課程基本原理，培養學生獨立認識新問題、新知識，拓展學習思維，開闊知識邊界，幫助學生更好地理解和掌握相關課程知識，達成學習目標，提升自主學習動力。

“材料研究與測試方法”是材料科學與工程專業的基礎知識課程，在武漢科技大學材料與冶金學院無機非金屬材料工程專業的本科培養方案中作為專業必修課。“材料研究與測試方法”課程內容包括：X射線衍射分析、光學顯微分析、電子顯微分析、光電子能譜分析、振動光譜分析和熱分析等，涉及多種測試分析技術的基本原理、檢測設備的結構、檢測樣品的要求與結果分析等。要求學生了解和掌握常用材料現代測試技術的基本原理、主要功能及其在材料科學中的應用，學會從材料的微觀組成和結構的層次上分析、認識其與材料性能和工藝之間的聯系。其中，顯微形貌表征與測試是分析材料微觀幾何形狀和大小，組織結構與分布，以及表面狀態的重要手段，其作為課程的主要內容穿插在多個知識模塊中，是學生學習的難點與重點[2]。通過知識結構建構，并輔以案例教學，可有效解決教學難題，幫助學生快速有效地掌握知識內容。

1 知識結構建構

“材料研究與測試方法”課程內容涉及面廣，內容繁雜，分散性大，知識點關聯度低，為授課教師在組織教學內容時帶來諸多不便，學生學起來通常感覺比較枯燥，嚴重地影響了教學效果。授課教師可改變傳統的教學思想，巧妙設計課程推進方法，融入新的教學理念，通過構建知識網絡體系，解決教學中的難題，增強同學們的學習能力[3]。下面以材料顯微形貌表征與分析的相關知識為例，闡述知識結構圖的構建過程。

材料顯微形貌表征與分析屬于光學顯微分析和電子顯微分析知識模塊的內容。光學顯微分析是利用幾何光學顯微鏡，通過透鏡使光線聚焦成像，觀察材料的組織結構與形貌。相較于光學顯微分析，電子顯微鏡則是利用電磁透鏡使電子束聚焦成像，具有高分辨能力、高放大倍率的特點，可獲得納米尺度下材料的晶體結構和化學成分信息，在材料科學、地質礦物、醫學和生物學等領域得到廣泛應用。電子顯微分析技術獲取材料顯微形貌信息的常用方法包括：掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和電子探針（EPMA）。三者之間的儀器構造、成像原理、功能和特點不盡相同。電子束射入固體試樣，發生原子的彈性和非彈性散射，產生不同種類的電子信號，信號強弱與入射電子的能量、試樣的原子序數和電子束入射方向有關。SEM、TEM和EPMA收集的成像電子信號分別為二次電子和背散射電子、彈性散射電子和特征X射線。特征X射線范圍廣，圖像分辨率低于其他信號，但分析區域較大；彈性散射電子能量最高，波長最短，成像分辨率最高；二次電子圖像富有立體感和真實感，易于識別。根據上述知識點之間的區別與聯系構建出關于材料顯微形貌表征與分析的知識結構簡圖，如圖1所示。

為了讓學生清楚掌握相關知識結構，可要求學生直接感受類比和化歸總結知識點，形成自己的知識結構圖。由于每一位學生對知識的認知程度不同，所構建的知識結構導圖也是不同的，同時學生在構建思維導圖的過程中也可以加入自己的想法和見解，教師就可以從學生的知識結構導圖中看出學生對知識的了解程度，在哪些方面存在知識的欠缺，便于教師對學生進行針對性引導。

2 案例教學建設

在理論學習階段，傳統的教學方式通過知識點逐條串講的模式向學生傳授理論知識，難以發揮學生的自主學習動力，學生處于被動跟學的狀態，不利于培養學生的創新思維。如在課程教學中穿插案例，以問題為基礎，將啟發式教學思想融入教學中，有利于調動課堂氣氛和學生的學習積極性，加深對相關知識點的理解與掌握[4]。下面以納米碳材料的顯微形貌表征為例，說明如何將案例教學引入到知識結構教學中。

納米碳材料具有高比表面積、高熱導率和電導率、優異的力學性能和化學穩定性，在催化、儲能、化工和陶瓷等領域有著廣泛的應用前景。納米碳材料的種類主要包括：碳黑（carbon black）、碳納米管（CNT）和石墨烯（graphene）等。各種納米碳材料的顯微結構不同，導致其物理化學性質及應用領域迥異，因此熟練掌握材料形貌結構表征技術是材料研究的重要環節。如圖2（p112）所示，碳黑SEM圖呈納米級尺度的球狀顆粒狀，顆粒團聚現象嚴重，團聚顆粒的粒徑大于5 m，其TEM圖可以看出，單球納米碳黑的直徑為50~100 nm，單球碳黑顆粒出現中空狀和成核狀，由石墨層面微晶結構組成。碳納米管的SEM圖呈顯著的一維晶須狀形貌，相互之間卷曲纏繞，觀察不到中空管狀結構，而其TEM圖顯示碳納米管為多壁碳納米管，具有中空結構，直徑約為20~80 nm，管壁厚約5~10 nm。石墨烯SEM圖呈明顯的二維層狀結構，TEM圖呈現石墨烯原子級分辨率圖像，顯示出完整的碳原子六元環蜂窩狀結構[5]。

通過講授兩種形貌測試方法原理和對比納米碳材料的表征結果，將知識點融會到案例教學中，引導學生掌握相關知識結構及基本原理，提出問題與學生進行討論，激發學生的學習興趣，擴展知識面，活躍學習思維，發揮創新性。類似的案例素材不勝枚舉，例如教師可以在課堂中以無機非金屬材料氧化鋁為案例，氧化鋁具有高熔點、高硬度、良好的耐腐蝕性和化學穩定性等優異性能，在化工、機械、建筑和陶瓷等領域應用廣泛。在實際生產中，氧化鋁粉體的顯微形貌包括：零維球型和空心球型、一維纖維和針狀以及二維片狀。授課教師通過向學生們布置課后習題、分組討論或組織學生做文獻匯報的方式，要求學生根據自己的知識結構導圖，選取合適的表征測試技術表述氧化鋁的形貌特征，闡明相關測試技術的儀器原理和結構、成像原理及圖像特征等。在這個過程中，可以充分發揮學生自主學習的動力和歸納類比知識體系的能力，牢固掌握相關課程知識內容，緊密聯系理論與實踐，并提高學生發現、分析和解決問題的能力。

3 結論

總之，“材料研究與測試方法”作為材料科學與工程學科專業必修核心課程，對培養學生掌握材料科學基礎理論、提升科學實踐素養、完善科技知識架構具有重要意義。該課程內容涉及面廣，知識點繁多，而且彼此之間關聯不緊密，采用傳統逐節課程內容串講的教學方式，教學效果差，學生學習主動性差。授課教師如何有效組織課堂講授內容，提高教學效率，是擺在諸多材料學專業高校教師面前亟待解決的難題。

基于結構主義教學理論，以基礎知識結構為中心，建立各章節內容的關聯，類比、歸納和總結課程內容，形成詳細的知識結構導圖，并結合學生各自的知識結構導圖，準確掌握每一位學生的課程知識掌握情況，有的放矢地輔導學生。在課堂教學活動中，以課程知識結構為基礎，結合案例教學，將理論教學和實際應用、課堂講授和討論有機結合，提升教學內容的趣味性和生動性，使學生作為教學活動的主體，讓其積極參與到教學活動中，激發學習動力，充分發揮學生的自主學習能力，拓展創新思維，改變學生被動跟學的現狀。

另外，在課堂教學內容中，還應適當引入思政教育案例，培養學生的文化素養和民族自信；相應引入實踐教學，提供實際動手操作儀器設備的機會，有助于學生全面理解和掌握課程知識，培養科研興趣，提升綜合科研能力。