基于Al-Mg金屬合金納米顆粒氧化過程的“材料科學基礎”課程實驗教學模式改革研究

1研究背景

隨著材料科學技術的快速發展，材料科學與工程專業在我國高等教育體系中的地位日益凸顯。“材料科學基礎”作為材料類專業的核心基礎課程，承擔著傳授材料科學基本理論、基本知識和基本技能的重要任務。課程涉及晶體學、固體物理、化學等多個學科領域，內容豐富、理論性強，并且通過深入學習和理解課程內容，學生能夠構建起關于材料組成、結構、缺陷、組織與性能之間的內在聯系，進而培育學生科學思維、創新能力與實踐技能。

然而，在以往的“材料科學基礎”課程教學模式下，往往過于側重理論知識的傳授，忽視了對學生的實踐能力以及動手能力的培養。在這種教學模式下，學生雖然掌握了大量的理論知識，但在面對實際問題時卻難以將所學知識靈活運用，導致理論與實踐脫節[1]。課本知識和實操教學的一體化，使教學模式從枯燥的理論講授結合具象化的實驗操作，補充和豐富了理論知識的講解，可以使學生更好地理解和掌握抽象的理論概念[2]

2現階段課程設置及教學模式

2.1 課程設置現狀

“材料科學基礎”課程涉及的知識點廣泛、理論知識深厚且實驗可操作性強。實驗課程通常集中在一個或幾個特定項目上，例如金相顯微組織、擴散、位錯、凝固和塑性變形等，目的是驗證已知的實驗現象和產生的結果。通常，該課程包括6～7個實驗以及2～3個綜合實驗，目的是幫助學生理解和鞏固基礎知識，掌握基本實驗技能，要求學生學會觀察實驗現象并初步分析實驗數據。然而，近年來的實驗教學效果顯示，多數學生參與實驗主要是為了獲得課程的學分，對實驗本身缺乏興趣，這限制了他們的創造性和積極性的發揮，同時也影響了實驗課程的教學效果。

2.2 教學模式探討

在近些年的實際教學過程中，“材料科學基礎”課程實驗教學一直遵循傳統模式：教師設定實驗目的、原理、儀器設備，并提供詳細的實驗方法和步驟，學生則按照這些指導完成實驗。盡管這種模式的初衷是通過實驗項目加深學生對書本理論知識的理解和掌握，但它存在明顯的不足：

（1）實驗內容不能及時更新，無法與現代實驗設備和科技水平相匹配。

（2）傳統模式未能充分激發學生的創新能力和思維能力，同時教師與學生在實驗過程中的交流減少，學生在實驗結束后未能向教師進行有效的反饋。因此，學生在后續的專業課程學習和實際工作中可能缺乏啟發性的思考，在對新問題和新型材料體系的研究時，可能缺乏新的思維和實驗方法，這不利于創新型人才的培養。

為了適應現代教育理念和材料科學發展的需求，必須進行教學模式創新。新模式應強調理論與實踐的緊密結合，鼓勵學生主動參與實驗設計與優化，培養批判性思維和創新能力。

3實驗教學模式的改革與實踐

3.1優化實驗教學內容，引入計算模擬實驗

在實驗教學與工程實踐相結合的過程中，強化綜合性實操項目是至關重要的。當前，課程理論與實驗教學內容之間的內在聯系較弱，各個實驗項目相對獨立。

為了改善這一狀況，需要進一步探索新的教學方式，例如重構實驗教學體系，在整合驗證性實驗內容的基礎上，開設綜合性實驗[3]。以Al-Mg金屬合金納米顆粒氧化過程為例，實驗需要了解鋁-鎂合金中的氧化反應機理及其規律，利用實驗數據分析氧化過程中合金的氧化速率。

因此，可以從3個教學方向來設計實驗項目：驗證Al-Mg納米粒子（AMNPs）在氧化反應中擴散基本規律，分析氧化反應后合金的微觀組織變化，觀察氧化后材料性能的變化，從而構建起Al-Mg金屬合金納米顆粒氧化過程的實驗教學內容。這種教學內容的構建方式，有助于學生通過實驗驗證Al-Mg金屬合金的氧化規律，理解影響氧化反應速率的主要因素，學會通過顯微鏡分析氧化后合金表面的組織特征。這不僅僅將實驗教學的核心從知識體系轉變為主動探索，還能逐步引導學生建立創新意識，培養創新能力。在進行Al-Mg金屬合金納米顆粒氧化過程的綜合性實驗時，可以將實驗步驟分為前期、中期和后期3個階段。

這種基于分子動力學模擬的實驗設計，能夠幫助學生從理論與實踐上深入了解材料的微觀行為，同時，還可以激發學生對材料的興趣和求知欲，幫助他們深入理解材料科學的基礎理論知識，增強實驗設計能力和綜合分析能力，培養他們發現問題、分析問題以及應用理論知識解決問題的能力。

3.2分子動力學模擬在材料科學教學中的應用

分子動力學模擬作為一種重要的計算實驗手段，能夠直觀地展現材料在不同溫度環境下的微觀結構演變及其動力學行為，這種方法在“材料科學基礎\"課程中具有重要的教學價值[4]

圖1顯示了AMNPs在 1000K 和 2500K 下隨時間的形態演變，揭示了氧化過程中材料的微觀結構動態變化。由于 Mg 原子具有更高的擴散性，在合金中發生遷移和聚集，導致AMNPs初步發生相分離，隨后表面 Mg 原子被優先氧化，而內部 Mg 相聚集并向外擴散，最終形成表面附著的 MgO 層。由于 Mg 的沸點（ 1 090^qC ）顯著低于其氧化物 MgO 的沸點（ 3600^°C ），其蒸發和氧化過程顯著加快了顆粒的氧化速率。 MgO 層的疏松結構使氧原子能夠進一步向內擴散并氧化內部的Al相，而氧化鋁（ Al₂O₃ ）的鈍化效應則減緩了氧的進一步擴散，從而形成了Mg 快速氧化而Al緩慢氧化的現象。

圖1AMNPs隨時間的形態演變

此外，AMNPs的原子擴散在氧化過程中顯著加劇，這種擴散行為導致原子配位數不斷變化。在1000K 和 2500K 下AMNPs的原子配位數分布，其配位數的顏色變化反映了原子間的相互作用強度和周圍環境的復雜程度。在 Mg 相和Al相的界面處，原子配位數明顯增加，這表明0原子從 Mg 相向AI相擴散時受到一定的阻礙，形成了局部濃度梯度。隨著時間的推移和溫度的升高，這種界面處的阻礙效應逐漸減弱，高溫條件下 Mg 相的擴散性顯著增強，O原子更傾向AI相內部擴散。模擬結果通過直觀的配位數分布展示了Al- .Mg 金屬原子在氧化過程中的擴散和反應行為。

AMNPs在 1000K 和 2500K 溫度下的電荷分布演變過程，揭示了氧化反應中電荷轉移的微觀機制。在氧化反應的初始階段，表面原子首先被氧化，氧化反應主要集中在顆粒表面，并伴隨著顯著的電荷轉移。隨著時間推移，0原子逐漸擴散到顆粒內部，對內層原子進行氧化。在較低溫度（1000K）下，由于氧化反應速率較慢，電荷分布相對均勻，顆粒核心區域呈現出電中性，而在顆粒表面和界面區域發生明顯的電荷轉移。

相比之下，在較高溫度（ 2500K ）下，氧原子擴散顯著加劇，核心區域也逐漸被氧化。高溫條件下，氧濃度的增加加速了0原子向內部的擴散，并誘導顆粒中 Mg-O 鍵的快速形成，使得 Mg 的氧化反應更為徹底。同時， Mg 原子的快速氧化帶來了劇烈的電荷轉移，顆粒界面區域表現出顯著的電荷變化。當氧原子數量不足時，局部溫度過高，會導致Mg-Mg 鍵斷裂和表面團簇的分離，而在氧原子數量充足的情況下，擴散到納米粒子核心的。原子數量迅速增加。這些模擬分析不僅為教學提供了案例，還促進了學生對材料科學中復雜反應機制的理解，培養其微觀體系分析能力和科研思維。

通過分子動力學模擬研究AMNPs在不同溫度條件下的氧化行為，揭示其微觀結構演變、電荷分布動態變化以及氧化反應機制之間的聯系。這種模擬方法為材料科學教學提供了重要的實踐支持，不僅彌補了傳統實驗在微觀層面上觀察的局限性，還以直觀的形式幫助學生建立理論與實際應用之間的橋梁。

4結語

“材料科學基礎”實驗課程的目的是將理論知識應用于實踐中。創新實驗教學方法和內容，與傳統的單調教學模式相比有了全方位的提升，促進了理論與實踐的相互促進和協調發展。這種方法深化了學生對基礎理論的理解，增強了學生設計實驗方案、動手實踐、問題分析和解決等多方面的能力。

這種教學改革不僅為學生提供了直觀、生動的學習工具，而且通過模擬 Al- .Mg 金屬合金納米顆粒的氧化過程，詳細展示了微觀結構的動態演變、電荷分布的變化以及擴散行為的內在機理，幫助學生建立了從宏觀材料性能到微觀結構和反應機制的全面認知，實現了材料科學教學中的創新性轉變。同時，基于計算模擬的師生互動進一步強化了課堂的動態性與參與感，促進了學生的科學探究能力、批判性思維以及問題解決能力的全面發展，為學生提供了探索材料科學微觀機制的有效平臺，促進了教學的發展和進步。

參考文獻：

[1］劉海燕，代小平.基于“類比歸納法\"教學，提升學生學習無機化學的效果[J].化工高等教育，2020，37（2）：5.

[2]童文輝，張占偉，劉興民，等.工程教育專業認證背景下材料科學基礎混合式教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2023（13）：80-82.

［3］陳錕，王占勇，徐小威，等.材料科學基礎實驗課程改革與實踐[J].廣州化工，2021，49（22）：3.

[4］趙素，李金富，周堯和.分子動力學模擬及其在材料科學中的應用[J].材料導報，2007（4）：5-8，25.