學(xué)生綜合能力培養(yǎng)方法的探索
——基于礦物、巖石及寶石的材料科學(xué)基礎(chǔ)訓(xùn)練

楊 平 李 景 陳 冷 孟 利 強文江

北京科技大學(xué)材料學(xué)院 北京 100083

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料專業(yè)的核心課程，許多學(xué)校開展了對此課程的教學(xué)改革與建設(shè)[1-3]，并且在不斷優(yōu)化課堂教學(xué)的改革下，逐漸強調(diào)第二課堂的利用[3]。我校材料科學(xué)基礎(chǔ)課程自成為國家精品課程后，在北京市優(yōu)秀教學(xué)團隊建設(shè)項目、國家級優(yōu)秀教學(xué)團隊建設(shè)項目及多項校級研究型教學(xué)建設(shè)項目支持下，確定了有效提高學(xué)生綜合能力的目標，探索了四個拓展：(1)由第一課堂(即理論課程)向第二課堂(課后興趣小組)的拓展；(2)由利用軟件進行虛擬型學(xué)習的實踐向趣味型技能訓(xùn)練或研究實踐的拓展；(3)由針對金屬材料組織分析(金相學(xué))訓(xùn)練到對礦物、巖石、寶石、液晶等材料微觀(巖相學(xué))及宏觀組織的分析訓(xùn)練的拓展；(4)由介紹基本概念、定律到介紹相關(guān)背景、人物、經(jīng)典文獻的拓展。逐漸形成了有特色的基于材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)生綜合能力培養(yǎng)模式，同時將各類相對零散的教學(xué)資源系統(tǒng)化整理，并探索研究型教學(xué)理論及規(guī)律性，這些過程的完成使得教學(xué)實踐活動具有了理論研究的意義，在提高學(xué)生綜合能力的同時，也提高了教師的綜合素質(zhì)。本文將介紹教學(xué)小組針對研究型教學(xué)中為提高以學(xué)習金屬材料為主的學(xué)生的興趣，探索從巖石、礦物、寶石等非金屬材料分析入手，通過與金屬材料的對比，加深對課程基本概念的理解和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，探索學(xué)生的學(xué)習從趣味性入手，有效過渡到專業(yè)性和實用性的規(guī)律。應(yīng)當承認，第二課堂的利用，總體上是對少數(shù)學(xué)習較好或興趣廣泛的學(xué)生進行的，也包含一些參加本科生科研訓(xùn)練計劃(SRTP)的學(xué)生，其廣泛性還不足。這些學(xué)生中的一部分，經(jīng)過一年的訓(xùn)練，可以達到以第一作者身份發(fā)表教學(xué)研究論文的程度，當這些學(xué)生進入四年級后，有可能做出不錯的科研結(jié)果。

1 實施過程、案例分析與資源整理

我們對礦物、巖石及寶石方向的分析研究從2009年開始，因人力、物力的限制，初期規(guī)模較小，基本是獲取一部分巖石、礦物材料或標本，指導(dǎo)學(xué)生對其探索分析，總結(jié)相關(guān)規(guī)律及存在的問題；再以其為基礎(chǔ)，開展下一輪及下一屆學(xué)生的分析研究，接著陸續(xù)獲取一些新的巖石、礦物、寶石材料及標本，再指導(dǎo)學(xué)生分析研究及訓(xùn)練，然后總結(jié)其規(guī)律及存在的問題。如此往復(fù)。

到目前，分別進行了如下教學(xué)資源的收集、整理及實踐活動。

(1)購置了基本的分析訓(xùn)練用具，如專用10倍的放大鏡、專用手電筒(如圖1所示)；購置了各種巖石、礦物、寶石類及晶體學(xué)的相關(guān)書籍，如：《簡明巖石學(xué)》《地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)：實習指導(dǎo)書》《實驗及理論巖石學(xué)》《火成巖巖石學(xué)》《礦物與巖石權(quán)威圖鑒》《寶石學(xué)》《寶石》《非金屬礦物材料》《無機材料巖相學(xué)》《結(jié)晶學(xué)與巖相學(xué)》《材料性能：各向異性、對稱性與結(jié)構(gòu)》(如圖2所示)。還從網(wǎng)上下載了大量的電子書籍、巖石礦物寶石照片、文章及其網(wǎng)站地址。

圖1 放大鏡與手電筒

圖2 購置的巖石、礦物、寶石書籍

(2)通過與中國地質(zhì)大學(xué)教師及研究生交流，獲取的典型巖石有：粗晶火成巖、糜陵變質(zhì)巖、細砂型沉積巖(如圖3所示)。

圖3 典型巖石與對應(yīng)的巖相組織

(3)收集及購置的礦物類標本：水晶(單晶和雙晶)、綠柱石(普通石及祖母綠)、紅柱石、螢石、紅寶石、輝銻礦、天河石、木變石、異極礦、黃鐵礦(立方體和五角十二面體兩種)、電氣石(碧璽)(如圖4所示)。

圖4 各種巖石、礦物、寶石標本

(4)廉價的寶石類(經(jīng)拋光)：如紅玉髓、螢石、薔薇輝石、碧玉、三氧化二鐵(腎石)、翡翠、綠松石、紫水晶、黃水晶、玫瑰水晶、透明水晶、煙水晶、發(fā)晶等；拉長石(如圖5所示)。有了這三大類樣品及標樣，該部分與相應(yīng)的金屬類實驗課相比有較多較系統(tǒng)的訓(xùn)練研究材料，也逐漸掌握了巖石礦物的知識。

圖5 各種拋光后的寶石

(5)由上述各類標本制成透射觀察薄片(偏光下觀察)(如圖6所示)20種以上。有了這些豐富的教學(xué)資源，可組合設(shè)計出許多選修實驗，并結(jié)合課程知識開展不同深度的基礎(chǔ)研究。

圖6 透射薄片試樣

利用各類普通巖石可設(shè)計典型巖石鑒定實驗，含宏觀鑒定和微觀組織及成分鑒定；可復(fù)習結(jié)晶、相圖、固態(tài)相變、形變、再結(jié)晶理論及組織分析方法(巖相學(xué))；通過各類礦物標本可設(shè)計典型礦物單晶的特征鑒別實驗，可以復(fù)習晶體學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程的概念及原理。

通過對各種拋光的寶石分析可設(shè)計寶石初步鑒定的實驗，還可以復(fù)習拋光技術(shù)、寶石中色彩產(chǎn)生原理(離子點缺陷，致色效應(yīng))，光學(xué)性能與晶體學(xué)的關(guān)系。

開展訓(xùn)練活動要考慮兩個目的：一是以巖石礦物或?qū)毷癁閷ο螅瑢ζ涮岢鱿胍治鲅芯?探究)的問題，然后進行分析研究，如煙晶與石榴石的共生規(guī)律；二是設(shè)計出選修實驗，為以后的學(xué)生做準備，可達到不斷優(yōu)化實踐內(nèi)容、提高實驗系統(tǒng)性的目的。

開展的第一類訓(xùn)練及研究有：

①未知巖石相鑒定；②煙晶與石榴石共生規(guī)律分析；③立方體與五角十二面體黃鐵礦單晶的晶體學(xué)特征與形成條件分析；④三類典型巖石的宏、微觀鑒定；⑤單晶石英、微晶玉髓、雜晶碧玉及沙金石的對比及成因分析；⑥翡翠微觀組織與硬玉質(zhì)量關(guān)系的分析；⑦暈彩拉長石微觀結(jié)構(gòu)中的孿晶與脫溶物的分析。

初步設(shè)計的實驗有：

①巖石類型的宏、微觀鑒定；②典型礦物的宏觀鑒定及晶體學(xué)基礎(chǔ)訓(xùn)練；③一些寶石的宏觀形貌分析與寶石致色原因分析。

2 歸納總結(jié)與經(jīng)驗推廣

前期實驗使用的材料、分析內(nèi)容都比較零碎，到現(xiàn)在，有比較系統(tǒng)的礦物類、巖石類、寶石類樣品，可以設(shè)計系統(tǒng)的實驗，開展系統(tǒng)的研究。筆者通過承擔研究生40學(xué)時的晶體結(jié)構(gòu)課程教學(xué)，找出共性的普適的晶體學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷(點、線、面)實驗內(nèi)容，提高學(xué)生的綜合能力。具有多方面的用途：

(1)開發(fā)選修型新實驗，為更多有興趣的學(xué)生提供訓(xùn)練的機會。

(2)培養(yǎng)學(xué)習科研能力，即通過從課堂了解的基本概念，明確基本目標，查文獻及參考書，開展分析或制備樣品，如果用偏光鏡分析存在困難，可使用掃描電鏡中的能譜儀進行成分鑒定。類比法的應(yīng)用：回憶48學(xué)時的材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗課的內(nèi)容，使用的都是金屬，光學(xué)鏡原理與使用—對應(yīng)偏光顯微鏡的原理與使用；機械拋光制樣—對應(yīng)透射薄片制樣(委托資源學(xué)院采礦專業(yè)實驗室制備)；金屬及合金的凝固組織分析—對應(yīng)火成巖的組織分析(兩者都利用相圖分析)、金屬形變及再結(jié)晶組織分析—對應(yīng)變質(zhì)巖及沉積巖的巖相組織分析；晶體結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)都是通過圖片軟件分析訓(xùn)練，而礦物巖石可直接用于這些概念的訓(xùn)練。例如：利用我們收集到的各種石英類樣品，可以設(shè)計下列訓(xùn)練內(nèi)容：①對石英單晶體、歪晶、雙晶的分析，訓(xùn)練晶體學(xué)內(nèi)容；②對石英與石榴石、石英與黃鐵礦、石英與金紅石組成的發(fā)晶的分析，訓(xùn)練結(jié)晶原理；③對不同顏色的石英單晶寶石(如無色水晶、紫水晶、黃水晶、煙水晶)等的分析，進行光學(xué)致色效應(yīng)與離子點缺陷作用的訓(xùn)練；④對火成巖、變質(zhì)巖、沉積巖中石英的形貌特點及形成規(guī)律的差異進行分析，涉及凝固、相圖、形變、再結(jié)晶、固態(tài)相變知識的訓(xùn)練；⑤通過對從石英單晶不同晶體學(xué)方向切出的器件具有不同的功能作用(振蕩器、壓電效應(yīng)器件)[4]的了解，拓展學(xué)生晶體學(xué)各向異性概念與物理性能關(guān)系及應(yīng)用方面的知識。

(3)通過討論鍛煉研討及表達辯論能力，通過寫文章向教學(xué)研究類期刊投稿鍛煉寫作能力。對優(yōu)秀學(xué)生，在實踐環(huán)節(jié)動手能力訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，可訓(xùn)練其撰寫文章的能力，只有完成撰寫文章并發(fā)表，才真正完成一個周期的訓(xùn)練。目前，只有少數(shù)三年級學(xué)生能發(fā)表文章。近4年學(xué)生共撰寫12篇文章，其中發(fā)表7篇，都以本科學(xué)生為第一作者(這些文章中只有少數(shù)涉及礦物巖石)，這些文章主要是教學(xué)研究文章。教師通過多年研究型教學(xué)活動的開展，也獲得了許多經(jīng)驗，認識到要不斷探索新內(nèi)容，到一定階段后又須及時歸納總結(jié)，形成規(guī)律性的培養(yǎng)模式；再進行實驗性探索，不斷總結(jié)，系統(tǒng)化。教師在訓(xùn)練學(xué)生的同時，摸索出研究型教學(xué)的規(guī)律。

(4)拓寬就業(yè)面。學(xué)生的就業(yè)方向從金屬結(jié)構(gòu)材料向無機材料、地質(zhì)類、寶石類擴展。

(5)將各類教學(xué)資源打包。2008年以前，我們將主要精力用在學(xué)生自學(xué)平臺軟件系統(tǒng)的建立上，它是虛擬訓(xùn)練法，以光盤形式使用。到2012年，完成《材料科學(xué)名人典故與經(jīng)典文獻》書籍的出版，加上收集到的珍貴但不適合出版的名人照片資料，構(gòu)成了人物歷史典故教學(xué)資源。與此同時，收集到較多的巖石、礦物、寶石實物資源以及制備的透射薄片樣品，設(shè)計的多種實驗指導(dǎo)書，成為另一個有特色的教學(xué)資源包，彌補了前兩種非實物形式實際訓(xùn)練不足的缺憾。

3 結(jié)束語

教學(xué)研究永無止境，專業(yè)課教師從事的科研雖與講授課程有十分密切的聯(lián)系，但因材料種類的廣泛性，在教學(xué)時仍顯得不足。教師也需要不斷充電，在探索巖石、寶石等不太熟悉的領(lǐng)域時，可獲得各類材料共性的知識，支持教學(xué)，也支持自己的科研。教師的一個重要作用是用簡單的語言，通過簡單的研究內(nèi)容，將共性、特色的知識有效地教給學(xué)生，使學(xué)生在盡量短的時間內(nèi)學(xué)會應(yīng)用理論知識。在三年級學(xué)生由接收基本知識向應(yīng)用知識轉(zhuǎn)型中，如果直接參與教師承擔的課題研究存在較大難度，學(xué)生難以較快獲得成就感；而通過開展內(nèi)容或材料較陌生，但感興趣的研究，完成相對容易的教學(xué)研究項目，更容易使學(xué)生獲得成就感。在教師與學(xué)生共同從事的各種小型第二課堂研究及訓(xùn)練中，教師應(yīng)及時對研究成果進行系統(tǒng)化、規(guī)范化整理，最終形成有規(guī)律、特色明顯的教學(xué)資源模塊，如學(xué)生自學(xué)平臺軟件虛擬實踐模塊，材料名人典故人物教育模塊，礦物、巖石及寶石類實物教學(xué)模塊。

[1] 計云萍,任慧平.“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革[J].中國冶金教育,2009(6):38-40,43

[2] 王靜,王素梅,宋春梅,李洪波,金寶士.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革,全面提高學(xué)生素質(zhì)[J].鑄造設(shè)備與工藝,2010(2):49-51,54.

[3] 王煥新,李超,尹志剛,桂陽海,孫雨安.素質(zhì)教育背景下《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)探討[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010(34):45,47

[4] 羅伯特.E.紐納姆.材料性能:各向異性、對稱性與結(jié)構(gòu)[J].西安:西安交通大學(xué)出版社,2009.