怎樣講好鐵碳合金晶體組織和鐵碳合金相圖

2019-05-30 02:43:36常剛

職業 2019年4期

常剛

摘要：在技工院校金屬材料及熱處理課程中，鐵碳合金的組織和鐵碳合金相圖是教學難度較大的內容之一。很多學生學習了相關內容后，仍感到似懂非懂，不得要領。筆者經過多年的教學發現，突出“晶體”的概念、利用“概念同化”的原理可以讓學生更加有效地學習鐵碳合金的相關知識。本文闡述了筆者的教學探索和心得，希望對改進技工學校金屬材料及熱處理課程教學有積極的意義。

關鍵詞：晶體 ?概念同化 ?鐵碳合金組織

金屬材料在現代社會中廣泛應用，從日常生活到工業生產，處處離不開金屬材料，可以說金屬材料支撐著我們的工作和生活。對于機械制造、汽車維修專業的技工學校學生來講，懂得金屬材料的知識非常必要。

一、問題的提出

在金屬材料及熱處理課程中，鐵碳合金的組織和鐵碳合金相圖是教學難度較大的內容之一。很多人學習了相關內容后，仍感到似懂非懂，不得要領。他們遇到實際問題時，不能應用有關概念和原理進行準確的分析、解決。筆者在上大學初次接觸這些知識時也有同樣感覺。大學生尚且如此，對于初中畢業的技校學生來講，出現類似的情況，也是情理之中了。

那么，怎樣才能把這些“有難度的”概念和原理講好，取得好的教學效果？這是我們要認真思考和解決的問題。

二、對現存教學問題的分析

1.從學生的角度看

技校學生通常是初中畢業生，他們的知識結構不完整，抽象思維能力相對較差，難以適應“大量的”“復雜的”概念和原理的學習。也就是說，技校學生對教學內容中的某些關鍵概念不能準確地想象、理解和記憶。

2.從教材的角度看

技工學校使用的《金屬材料及熱處理》教材涉及的名詞概念太多，而且有些不易準確理解。許多概念似乎是必須講的，但仔細想來，對幫助理解本課程的關鍵概念和原理的作用并不直接，反而大大增加了學生的思考負擔，令人眼花繚亂，難以在學生頭腦中形成系統。

例如，在講鐵碳合金相圖之前，教材安排的教學順序依次為金屬的晶體結構（涉及晶體、晶格、晶格畸變等概念）、純金屬的結晶、金屬同素異構轉變、合金的結構（涉及組元、相、固溶體、金屬化合物、混合物等概念）、鉛銻二元相圖、鐵碳合金的組織（涉及鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、共晶轉變、共析轉變）。最后講鐵碳合金相圖。

表面上看，教材的安排循序漸進、層層鋪墊，很符合教學的原則。但對技校學生來說，在不太充裕的學時內，學習、理解這么多概念，難度很大。初次教這門課的老師往往會按照這個順序來組織教學，其結果必然是學生聽不懂，還占用了大量的課時。這樣的教材設計和教學設計，沒有為技校學生找到一條有效的學習線索，也可以說沒有為技校學生找到一條可行的“學習捷徑”。

近年來，新出版的教材在內容簡化上做了大量工作，但總體感覺是還不到位。教材本該有利于技校學生閱讀，至少在老師講完課后，學生可以閱讀自學和復習。但不能高度精練和概括的教材，顯然不適合技校學生閱讀。

三、解決問題的思路和措施

教學的難點找到了，問題出在學生的學習能力和教學內容上。解決這些困難，關鍵要看教師的功力。其一，要想把知識講清楚，教師自己必須對所講的知識深刻掌握、理解透徹、思路清晰。當代教育心理學認為，表達清晰，是合格教師的一個重要特征。其二，作為老師，筆者個人是通過長期的學習和工廠實踐，才深入掌握了有關概念和原理。今天，再把這些知識傳授給技校學生，不應該走過去學習的老路，實際上要為學生找到一條新路，一條捷徑，提供一條有效的學習線索。經過一段時間的思考和實踐，筆者找到了解決問題的方法。

1.對教學內容進行簡化

對教學內容進行簡化，突出關鍵概念，省略次要概念。例如，要講晶體（多晶體）的概念，然后，直接進入鐵碳合金組織的講解。放棄中間的過渡概念，如組元、相、固溶體、晶格等不好理解的概念。盡力減少繁雜概念對學生形成的思考負擔，使學生能集中精力思考“核心、關鍵概念”。所謂“核心、關鍵概念”，是指鐵碳合金中的基本組織的概念，即我們常說的鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體的概念。

同理，也應該避免對組織轉變的原理做深入講解。只講“某某組織在某溫度下，轉變成了某某組織”，不宜講組織轉變的過程和細節。

2.利用“概念同化”的方法對“核心、關鍵概念”進行教學設計

當代教育心理學關于概念學習的理論指出，學生在教學條件下，獲得概念的主要方式是“概念同化”。所謂“概念同化”，是指學習者利用認知結構中原有的概念來感覺、領悟新概念的特征，從而使學習者獲得新的概念。

也就是說，學生要想理解鐵碳合金組織相關的新概念，如鐵素體、奧氏體、珠光體，就必須先在頭腦中找到一個原有的、與鐵碳合金組織（新概念）有關聯的概念，然后通過這個原有的概念產生對新概念的認知和理解。這個所謂“原有的”概念是什么呢？其實，就是“晶體”這個概念。

筆者發現，技校學生對“晶體”（多晶體）這個概念是有些認識的。例如，他們都知道冰糖是晶體，鹽是晶體，鉆石是晶體……并且他們對這些晶體的形態、力學性能有印象。例如，晶體顆粒具有規則的形狀，晶體比較脆、比較硬，單晶體堆聚成多晶體等。

而鐵碳合金的組織也是晶體，它與學生已了解的“晶體”概念有共性。筆者把鐵碳合金的組織納入學生對“晶體”概念的認知體系之中。借助晶體概念的共性使學生想象、理解鐵碳合金的組織。

也就是說，教師要讓學生形成這樣的理解和想象：鐵碳合金中的組織并不是什么奇特的東西，只是各種各樣的晶體而已。這些晶體堆砌在一起，就構成了金屬塊。就像多晶體的冰糖是由單晶體的冰糖組成的一樣。只不過鐵碳合金中的這些晶體尺寸非常小，肉眼不能直接看到，只有在放大數百倍的顯微鏡下才可觀察到。

教師可以進一步直接告訴學生，這些晶體的形狀、大小、分布、特性會影響和決定鐵碳合金整體的力學性能。

其實，學生可以想象鐵碳合金中的組織形態了，教學就成功了一半，可收事半功倍之效。所以，筆者的教學過程設計如下。首先展示冰糖晶體實物，復習、講解晶體概念。使學生清晰地了解晶體的構成（無數個物質分子或原子，按一定的排列規則排列）、規則的形態。然后，說明鐵碳合金也是由晶體組成的，只是它的晶體是由鐵原子及碳原子按一定規則排列而成……即利用“晶體”概念的共性，來引導學生理解、認知鐵碳合金的組織。

接下來的一步，是利用“晶體”概念之中的差異性來定義鐵碳合金中各種不同的晶體組織，例如鐵素體是鐵原子按“體心立方”排列規則排列而形成的晶體，該晶體中可含有（溶解）極少量的碳原子。它塑性好、硬度和強度低，有磁性，它的顯微鏡照片可以看到“多晶體”的特征。

經過這樣的處理，鐵碳合金組織概念就會很容易地在學生“簡單的頭腦”中扎根，我認為這是教好鐵碳合金組織和組織轉變及鐵碳合金相圖的關鍵一環。

其實，教材已經為我們提供這一線索。例如許多《金屬材料及熱處理》教材都提到了晶體的概念。但遺憾的是，教材沒有對晶體這個概念充分利用，教師也沒有抓住“晶體”概念來展開概念同化教學。

筆者在教學中突出了晶體的概念。在稱呼、命名鐵碳合金的組織時，一定要后綴上“晶體”兩字。例如，教材上寫“鐵素體”，筆者在板書上、講課中一定要稱“鐵素體晶體”。類似的還有“奧氏體晶體”“滲碳體晶體”“珠光體晶體”“萊氏體晶體”。時刻突出鐵碳合金組織的晶體特征，從而方便學生聯想、準確理解和記憶。

3.概念的定義要通俗化

對于鐵碳合金組織的定義，用詞還應通俗化，要讓學生容易理解。當代教育心理學指出，概念應該由學習者用自己的語言表達出來，才能說明他掌握了該概念。正是利用這一原理，以通俗的定義來引導學生描述概念，是一種有價值的教學方法。

4.有意義學習

講鐵碳合金的晶體組織，一定要與合金的力學性能緊密聯系在一起。讓學生時刻體會到鐵碳合金的力學性能如何，是由其晶體組織決定的，而其晶體組織又受其成分和溫度的影響。使學生能依托“成分—組織—性能”的線索思考、記憶，構建起知識的體系，對鐵碳合金晶體組織進行有意義的記憶。

5.金相組織照片的使用

為配合鐵碳合金晶體組織概念的教學，金相組織圖片的呈現是必不可少的，借助它可以使學生對鐵碳合金各種晶體組織產生直觀印象。遵循概念同化的原則，首先，要呈現冰糖晶體的圖片（見圖1），展示多晶體的形態特征，為以后講解鐵素體晶體和奧氏體晶體等做準備。

然后，呈現某種礦石晶體圖片（見圖2）。指出“兩種”晶體共存的形態特征。為以后講解鐵素體晶體和珠光體晶體共存狀態做準備。

其后，逐步呈現鐵素體晶體、奧氏體晶體、珠光體晶體的金相組織照片等，逐一講解。見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7。

最后，帶學生一起手繪鐵碳合金晶體組織示意圖（參見圖8）。對鐵碳合金的晶體組織形態進行抽象思維，使學生領悟其主要的形態特征，以便于對鐵碳合金晶體組織的想象。畫圖時，一方面要表達出晶粒、晶界的概念;另一方面要表達出一個規律：隨著合金中含碳量的逐步增加，鐵碳合金的晶體組織會發生變化，即鐵素體晶體減少，珠光體晶體增多，直至出現二次滲碳體晶體。為下一步講好鐵碳合金相圖做好準備。

6.關于鐵碳合金相圖的教學

鐵碳合金相圖是用圖示的方法集中表達了鐵碳合金的晶體組織受含碳量（成分）和溫度影響的規律，是鐵碳合金晶體組織及轉變基礎理論的展示。

在鐵碳合金相圖的教學中，首先還是要對難以理解的概念、原理做刪除處理，遵循簡化原則。如，共析點S、共晶點C、奧氏體最大溶解度點E、共析體、共晶體、共晶轉變、共析轉變等，放棄不講，以免增加學生的思考負擔。

對共析轉變，只是講在727℃時，奧氏體晶體轉變成了珠光體晶體。同理，對共晶轉變，也只是講在1148℃時，液相轉變成了萊氏體晶體。

需要特別注意的是，最初不要把全部相圖直接通過投影展示給學生，而是要在黑板上逐步畫出來。其畫法是：首先從相圖的底部畫起，要展示含碳量對鐵碳合金晶體組織的影響規律，見圖8。隨后隨著溫度的升高，各種晶體組織會在哪個溫度下會發生轉變，逐漸補齊點和線。再重點講解容易理解的溫度線、點和區域的含義。并注意放慢講課速度，給學生留出思考的時間。這個過程能向學生充分展現鐵碳合金相圖的意義。最終在學生頭腦中形成的整體印象應該是：鐵碳合金相圖是人們畫出的、反映含碳量（成分）和溫度對鐵碳合金晶體組織影響規律的一種圖示（見圖9）。