《材料科學基礎》教學中的晶體缺陷

徐香 劉清芝 代輝 王強

摘要：晶體缺陷是材料科學基礎課中的重點和難點。本章節內容比較抽象復雜，屬于比較難理解和掌握的章節。如何講好講清楚本章內容，使學生理解起來更容易、掌握起來更透徹，筆者就自身的課堂教學及具體知識點從多媒體教學的直觀優勢、將抽象概念與實際晶體相聯系、加強師生間的互動及不可摒棄的板書四個方面進行了探討。

關鍵詞：晶體缺陷；多媒體教學；互動；教學體會

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）40-0223-02

《材料科學基礎》是高等學校材料化學相關專業的一門重要的專業基礎課，主要研究材料的微觀結構、微觀過程，使學生掌握研究材料微觀的方法，建立微觀和宏觀特性與性能間的聯系及對應關系，并掌握材料成分、結構與性能之間的關系及其變化規律。本課程是多學科知識的交叉與滲透，為后續專業課學習的基礎，同時也是學生將來從事材料研究的理論基礎。

“晶體缺陷”與前面章節“晶體結構”緊密相連，同時也是后續章節“材料的形變與再結晶”學習的基礎，在《材料科學基礎》課程內容中起到承上啟下的作用。此外，由于本章節涉及到晶體的內部微觀，內容相對來說比較抽象，是歷屆學生反映最難理解掌握的章節。如何清楚講解該部分內容，使學生理解起來更容易、掌握起來更透徹，筆者就自身的課堂教學及具體知識點的講解談一些切身體會。

一、充分利用多媒體教學

多媒體教學是目前比較普遍和先進的教學手段。利用多媒體進行材料科學基礎的教學，能夠優化教學過程。由于內容可以豐富多彩，多媒體教學也能從一定程度上激發學生的學習興趣，從而充分調動了學生的積極性，并能提高教學質量。多媒體教學具有非常好的直觀優勢，可以在很大程度上彌補學生在學習晶體缺陷時三維空間想象力的不足。

材料科學基礎中，對晶體缺陷的定義是“在實際材料的微觀結構中原子的排列或多或少地存在離開理想的區域，出現不完整性，通常把這種偏離完整性的區域稱為晶體缺陷”。該部分內容是微觀的東西，且非常抽象。若教師在教學中僅僅依靠板書和相關模型教具，學生理解起來還是比較困難的，也很容易失去學習興趣。采用多媒體教學，將抽象內容以生動的二維或三維動畫的形式展示給學生，學生可以直觀的理解，并能從多個角度進行觀察。這不僅可以提高學生的學習興趣，還能彌補傳統教學在實踐和空間等方面的不足。

通過多媒體教學使學生能夠清晰地觀察和理解實驗現象、材料結構以及原理，從而激發他們的學習興趣。如“螺位錯”和“位錯的運動”是大多數學生認為最為抽象的部分，它是如何形成以及如何交互運動的？如果教師僅靠平面圖來輔助講述，學生很難理解，尤其是螺位錯的形成更是抽象。通過使用軟件，可將位錯結構進行三維旋轉，從而能使學生從各個方向來觀察位錯，理解位錯結構；通過動畫，學生能清晰地看到不同位錯的形成，通過觀察位錯線和伯氏矢量的關系，可以理解刃位錯、螺位錯、混合位錯的區別，也能直觀地觀察到滑移和攀移這兩個不同過程。同時多媒體還具有的很大的優勢在于，教師講解的時候可以根據學生需要，隨時暫停和回放，使學生能夠徹底明白。

二、將抽象概念與實際晶體相聯系

在材料科學基礎中，晶體缺陷是從原子水平的微觀方面，分析討論實際晶體中由于原子（或離子、分子）的熱運動及晶體的形成條件、冷熱加工過程和其他輻射、雜質等因素造成的缺陷。由于是從原子水平研究，所以很多分析的圖形都是局部的原子排列圖。局部的原子排列圖使學生很難跟宏觀物體聯系起來，因此講解的過程中，教師應該注意將抽象概念與實際晶體相聯系。即每次看完局部原子微觀圖后應該看一下宏觀物體圖，使學生明白這微觀的圖是屬于宏觀的哪一部分。而我們研究缺陷是因為缺陷對晶體的性能有很大的影響，比如結構敏感的性能如屈服強度、斷裂強度、塑性、電阻率、磁導率等，此外還與擴散、相變、塑性變形、再結晶、氧化、燒結等有著密切聯系。“掌握內部規律，改變宏觀性質，為我所用”是我們最終的目的，從這個角度，也必須在教學中時刻將抽象概念與實際晶體相聯系。

如講晶體缺陷中刃位錯的相關知識時，從圖1（a）宏觀圖形介紹刃位錯的基本知識，強調多余的半排原子面，指出滑移面和位錯線。然后用圖1（d）從微觀方面介紹，同樣指出多余的半排原子面，將微觀圖形中的滑移面和位錯線與宏觀圖形相比較。圖1（b）和圖1（c）是側面圖的宏觀和微觀圖形，在用這兩張圖形講解相關知識時，一定要回過來看圖1（a）和圖1（d），使學生明確正確的局部與整體的關系。如在講解伯氏矢量大小的確定的時候，為了清晰，通常是用圖1（c）來講解閉合回路。如果只看這張圖，學生容易理解混淆，而結合圖1（a）和圖1（d）來講解，可以讓學生把位錯及伯氏矢量歸集在一個整體中，建立清晰的概念。而講解刃位錯的滑移時，應該將圖1（d）和圖1（e）結合起來，使學生能夠在微觀和宏觀中建立聯系。

三、加強師生間的互動

互動式教學是教師與學生雙方的交流和探討，使學生在教師已授知識的前提下，對知識掌握的一種具體反饋。師生間的互動可以激發教學雙方的主動性與能動性，可以培養學生的自主意識和創新能力。通過課堂互動過程中的訓練，學生能夠逐漸愛學、會學和善學，從而提高教學效果。鑒于晶體缺陷這部分知識的難度大，所以互動式教學顯得尤為重要。

為了更好的加強師生間的互動，在教師授課時，應更多地面向學生，及時觀察學生的表情，了解學生對知識點的掌握情況。若大多數學生的表情較為輕松愉快，說明學生對所學內容理解較好；若學生對教師的提問反應較為遲緩，或部分學生甚至出現皺眉等困惑表情，說明學生對所學內容存在理解和掌握的困難。此時，教師應將授課速度減慢，或對所傳授的重點內容進行重復或更為詳細的解釋，有動畫的可以重復放慢播放，以加強學生對知識的理解；在講解過程中，教師還可以多次向學生拋出啟發式的問題，通過學生的回答情況來判斷他們對課堂內容的理解；課堂講解的過程中也可以配以簡單小測驗，以達到較好的互動效果。如位錯反應這部分知識，可以給出例題讓學生判斷位錯反應能否發生，檢測學生是否掌握了位錯反應發生的兩個基本條件，即幾何條件和能量條件。學生做完后可以引導學生做進一步的理解：兩條挨著的位錯線是不穩定的，通常為了降低體系能量是以分開的狀態存在。

四、不可摒棄的板書講解

在教學過程中，我們不應完全依賴多媒體教學，而忽視了板書的魅力。教師應該根據所講內容的具體教學目標、教學內容和學生的實際情況，在整個的教學環節中合理使用多媒體教學，必要的時候配以板書講解。板書教學時教師始終是處于教學過程中的主導地位，可以對一些知識點著重強調，以充分調動學生的注意力。

在晶體缺陷的知識點中，我們應該充分發揮板書的優勢。如位錯反應這部分知識點強調了位錯反應發生的兩個基本條件：一是幾何條件，反應后諸位錯的伯氏矢量之和應該等于反應前諸位錯的伯氏矢量之和；二是能量條件反應后各位錯的總能量應小于反應前各位錯的總能量。為使學生透徹理解和掌握，給出學生判斷位錯反應能否發生的練習題。首先可以帶著學生板書復習伯氏矢量的表示及模的求法，以及位錯的能量與伯氏矢量模的平方成正比。在學生自己練習的基礎上，帶學生板書講解求算過程，使學生能夠清楚自己求算過程中的問題所在，可以比較好的掌握該知識點。

五、結語

本文針對《材料科學基礎》中的教學重點和難點“晶體缺陷”，就自身的課堂教學及具體知識點從四個方面進行了探討。筆者認為鑒于晶體缺陷知識點的復雜抽象，應該充分發揮多媒體教學的直觀優勢，使抽象知識具體化，解決學生空間想象的困難；由于該部分知識是從原子水平研究，所以很多分析的圖形都是局部的原子排列圖，因此在教學中應將抽象概念與實際晶體相聯系，便于學生從宏觀和微觀兩個方面掌握晶體缺陷；講授過程中，教師應該特別注重師生間的互動，及時觀察了解學生的理解掌握情況；最后，教師應該充分發揮板書的優勢，結合多媒體教學，使學生對知識點有更好的掌握。

參考文獻：

[1]賈淑果，寧向梅，田保紅，王順興.材料科學基礎多媒體教學探討[J].中國現代教育裝備，2010，（5）：87-89.

[2]王熠，徐世文.網絡環境下計算機基礎教學互動模式探究[J].文化市場，2010，（1）：109.

[3]吳進怡，曹陽，李建保.材料科學基礎教學過程中如何做到師生間的互動[J].海南大學學報自然科學版，2012，30（3）：288-292.