材料科學與工程專業《晶體學基礎》教學改革的探討

劉彤

摘要：《晶體學基礎》是材料科學與工程專業的重要專業課程之一，也是進一步學習材料專業其他課程的基礎。本文根據材料專業《晶體學基礎》教學中存在的問題，從教學內容和次序、教學手段以及教學模式三個方面，提出了課程教學改革的詳細思路。

關鍵詞：晶體學;教學內容;教學手段;研討式教學;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0081-02

一、前言

《晶體學基礎》課程是為地質學、材料科學、礦物學等專業學生在完成高等數學、普通化學和物理學等公共課程后而開設的一門專業基礎課[1-4]。對于材料科學與工程專業的學生而言，《晶體學基礎》課程中的晶體結構、晶體對稱性、倒易點陣、晶體投影、晶體生長、晶體缺陷等晶體學基本知識，是進一步學習《X射線衍射》、《電子顯微分析》、《材料科學基礎》、《材料力學性能》以及《材料物理性能》等專業課程的基礎[2]。在材料科學領域，調控材料的性能是人們追求的目標。如果一種材料的成分確定，那么它的電學、光學、磁學以及力學等性能將取決于材料的晶體結構類型和晶體中存在的缺陷特征（如雜質原子的濃度、位錯密度和晶粒尺寸等）。因此，《晶體學基礎》課程的基礎知識不僅在材料科學與工程專業各門專業課程的教學中起到重要的作用，而且將對學生們將來的材料科學與工程實踐起到重要的指導作用。

開設《晶體學基礎》課程以前，北京航空航天大學材料科學與工程專業的晶體學教學計劃主要安排在《材料科學基礎》課程中，大約講解4學時。另一方面，在《X射線衍射》和《電子顯微分析》等專業課程教學過程中，過去通常要利用2～4學時來講解布拉斐點陣、倒易點陣等晶體學知識。這使得部分晶體學知識被重復講授，而一些重要的晶體學知識沒有得到無法全面、系統和深入地講解?；谝陨显?，北京航空航天大學自2010年起對材料專業的本科2年級學生開設了《晶體學基礎》課程。

通過過去幾年的《晶體學基礎》課程教學實踐，學生們普遍反應對晶體學基礎知識的理解更加全面和深入了，同時在學習與晶體學相關的其他材料專業課程時，也更加得心應手。但是，目前的晶體學教學中還存在以下3個主要問題。

1.晶體學涵蓋的內容十分廣泛，它是多個學科的重要基礎課程，不同學科對于晶體學知識的側重點有所差別。目前，國內《晶體學基礎》的教材主要是面向地質和礦物專業而編寫的[5]，其包含的內容以及章節編排次序也是為了使地質和礦物專業學生更好地掌握相關晶體學知識而設計的。所以，現有教材的教學內容以及講授次序并不完全適用于材料專業《晶體學基礎》課程的教學。

2.《晶體學基礎》課程中包含著很多晶體學基本概念，同時還有非常抽象的宏觀和微觀對稱操作以及晶體的投影操作。在以往的晶體學教學過程中，主要借助一些靜態的二維或者三維圖片進行講解，其表現力度有限，無法有效地使學生理解和掌握抽象的晶體學基本概念和理論。

3.在《晶體學基礎》的授課形式上，過去主要以教師講授為主，學生主動參與較少。僅僅通過教師對《晶體學基礎》中復雜空間對稱變換進行講解，難以使學生深入理解晶體中對稱特點、內部質點的堆積規律以及復雜的空間概念。同時，這樣也不利于學生創造性思維和解決實際問題能力的培養。

由以上分析可見，現有的《晶體學基礎》教學已經難以滿足材料科學與工程專業學生培養目標的要求。因此，我們有必要對該課程的教學內容、教學手段和教學模式進行改革，以充分調動學生的學習積極性和主動性，提高學生的學習興趣，使學生真正理解和掌握晶體學知識的精髓，為學生在將來的材料科學與工程實踐中打下良好基礎。

二、教學內容和講授次序的改革

目前，本校《晶體學基礎》的教學課時共32學時，與地質學和礦物學專業相比，總授課時間較少[3，4]。為了在有限的教學時間內講授材料科學專業學生所必需掌握的晶體學基礎知識，有必要將那些與材料科學專業相關性不大的內容進行刪減。例如，晶體理想形態和晶體規則連生方面的內容對地質學和礦物學專業十分重要，但是對于材料專業學生來說，只需要在課程緒論中加以概述就能夠滿足本專業的教學要求了。同時，對于后續材料科學的其他專業課程將詳細講解的知識點，也可以進行適當刪減，如晶體相變、晶體物理學等內容。另一方面，對于進一步學習材料專業其他課程而需要用到的一些重要晶體學基礎知識，應該增加講解內容的深度。例如，倒易點陣、吳氏網等基礎知識對于分析材料的微觀結構特征至關重要，但是，現有教材中的以上相關內容過于簡單，無法滿足材料專業學生的培養要求，所以，需要增加相關的授課內容。

教學內容的變更促使我們進一步思考授課內容編排的邏輯性。由于晶體學授課內容和側重點發生了變化，所以，我們就不能按照現有教科書中針對地質和礦物專業的教學目的來安排授課次序，而應該按照材料專業對晶體學教學內容的要求，研究如何安排授課次序才能更有利于本專業學生由淺入深、循序漸進地學習相關晶體學基礎知識。例如，在講解晶體宏觀對稱性之前，有必要先講解一些典型晶體結構的實例，以幫助學生形象地理解復雜的空間對稱操作;將晶體的微觀對稱和空間群知識從原教材的第七章提前到第三章[5]，使其與晶體宏觀對稱合并成晶體宏觀和微觀對稱一章，這樣有利于從宏觀和微觀相互聯系的角度進行講解;另外，倒易點陣知識應該從原教材的第一章后移到第四章，在講解完晶體定向和晶體學符號之后，學生們熟練掌握了晶體正空間的晶面和晶向指數，此時講授倒易點陣知識更有利于學生理解復雜的正空間和倒易空間的相互變換。

三、教學手段的改革

《晶體學基礎》課程的難點是晶體宏觀和微觀對稱、晶體的投影以及內部質點的堆積。除了采用傳統的板書和二維圖形對這些晶體學難點知識進行講解以外，我們應該更加注重利用一些三維模型。例如，在講解晶體的球面投影和吳氏網過程中，利用地球儀作為三維實物模型，能夠更好地說明晶體的各個晶面在進行球面投影過程中的操作次序，以及解釋如何利用吳氏網來計算晶面夾角。在講解晶體的旋轉對稱時，可以利用一些特制的三維立體模型，形象地顯示出不同軸次的旋轉對稱;另外，在講解晶體的極射赤平投影時，可以針對一些具有特殊對稱特點的宏觀晶體，讓學生自己動手制作相關的三維實物模型，通過觀察各晶面的投影特點，加深對極射赤平投影知識的理解。

同時，為了使學生更加形象地把握各種對稱變換特征和晶面投影規律，我們應該進一步利用三維多媒體軟件，制作一些三維動畫作為輔助教學手段[6]。這樣能夠通過三維旋轉來觀察晶體的宏觀對稱特點以及晶體結構中的質點（原子、分子或離子）位置，滿足晶體宏觀和微觀對稱要素及其操作等抽象教學內容的教學目的，使學生能夠直觀地觀察不同宏觀和微觀對稱操作的特點，從而加深對這些抽象晶體學概念的理解。

四、研討式教學模式的改革

本校《晶體學基礎》課程在開課初期的授課形式為大班整體授課，包括所有材料專業大二的學生（約150名）。由于聽課學生人數較多，導致教師難以實時掌握學生的聽課效果。故而，本校自2013年起對《晶體學基礎》課程進行了“小班化”教學實驗（每班70～80人），有效地提高了授課效果。但是，目前的教學模式基本上還是以教師的“填鴨式”教學方式為主要授課模式，學生缺乏學習的主動性，沒有積極地思考問題。因此，應該實現教師和學生共同主導本課程的教學過程，通過師生之間以及學生之間“研討式”的教學模式，使學生在研討過程中理解和掌握《晶體學基礎》的基本概念和抽象知識。針對每堂課的重點講授內容，教師在課堂中提出相關問題，將學生分成若干小組，每組4～6人，在教師的引導下，通過學生之間反復討論將復雜的晶體學問題進行逐步闡明，這樣也有利于檢驗學生對每堂課知識的掌握情況。同時，將分組討論的結果納入平時成績的考核體系，鼓勵學生主動提出問題，并積極地通過討論來相互啟發，進而解決各個難點問題。

另外，師生應該充分利用本校在校園網上建立的晶體學課程中心平臺。一方面，鼓勵學生在網絡上進行自由討論，另一方面，讓學生針對以上問題在課堂上以小組為單位進行發言和討論。通過以上“研討式”教學模式及時獲得學生學習效果的反饋，從而調整講課速度，提高學生的學習效果。

五、總結

《晶體學基礎》是材料科學與工程專業的重要基礎課程，應該按照材料科學專業學生應該掌握的晶體學知識，優化編排授課內容和次序，提高授課效果;利用三維晶體學動畫模型，加深學生對晶體對稱要素及其操作等復雜晶體學概念和理論的理解;建立“研討式”教學模式，針對課程的重點和難點，提出學生課堂和課后研討的主題，檢驗學生對授課內容的掌握情況，提高學生通過主動提問以及相互討論而獲取知識的能力，最終使學生更好地掌握材料科學專業必需的晶體學基礎知識，培養學生分析問題和解決問題的能力。

參考文獻：

[1]張恩.關于《結晶學與礦物學》教學模式的探討[J].中國地質教育，2000，（4）：41-43.

[2]張英.材料大背景下晶體學課程的改革與創新[J].科技文匯，2011，（10）：71-72.

[3]何明躍.《結晶學與礦物學》教學改革探索[J].中國地質教育，2000，（4）：57-58.

[4]秦善，王長秋，魯安懷.“結晶學與礦物學”教學改革與課程建設[J].中國地質教育，2007，（1）：130-132.

[5]秦善.晶體學基礎[M].北京大學出版社，2004.

[6]孫清亞，魯曉明.《晶體學基礎》MCAI課件的設計與制作[J].首都師范大學學報（自然科學版），2001，（3）：39-43.