思維導圖在《材料科學基礎》課程中概念理解的應用

張弛 何鑫

【摘要】在課程實踐中通過將思維導圖引入《材料科學基礎》理論基礎課程的學習中，以固體結構中的合金相結構章節學習為例，利用思維導圖構建概念的邏輯線，可有效幫助學生對知識點的辨析和理解，并能利用概念對材料的性能進行分析。

【關鍵詞】材料科學基礎? 思維導圖? 概念學習

【基金項目】廣東省本科高校創新創業教育改革研究項目（2018A064752）;廣東省半導體綠色光源協同育人平臺[粵教高函（2016）31號]。

【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）04-0221-01

一、《材料科學基礎》課程特點

《材料科學基礎》是材料科學與工程專業的理論基礎課程，為學生將來從事材料科學基礎研究以及開發新材料、新工藝提供必備的基本知識。通過本課程的學習，學生能理解并掌握材料科學基礎的基本概念和基本原理，并且能夠運用其判別材料的結構和性能;將數學、物理、化學、工程基礎知識和材料科學相關專業知識有機結合起來，分析材料與器件中的組織結構、性質、加工工藝和性能優化等復雜工程問題，并獲得有效結論;能利用材料科學基本原理，對材料成分、結構、性能之間的關系進行合理的分析和解釋。為學生學習后續專業課程、從事材料科學研究和工程技術工作打下堅實的理論基礎。

作為一門基礎理論課程，《材料科學基礎》具有概念多、內容延展性大等特點，對學生掌握知識的系統性與邏輯性要求較高。在學習過程中容易存在概念混亂，邏輯線難以理清的問題。基本概念是后續分析材料性能及理解材料成分、結構、性能之間關系的重要基礎。因此，有必要利用輔助學習工具來幫助學生在學習的過程中準確掌握基本概念。

二、思維導圖的介紹

思維導圖（Mind Mapping）是英國著名心理學家托尼巴贊在20世紀60年代提出的一種新的思維模式，他對思維導圖的定義是：圖解的形式和網狀的結構，加上關鍵詞及關鍵圖像，存儲，組織和優化信息。其中的每個關鍵詞和關鍵圖像都承擔著特定的記憶，鼓勵新的思維，它們是記憶激發器，幫助我們不斷釋放大腦潛力。利用思維導圖能夠從一個關鍵點，不斷激發其他關鍵點的出現，形成向外發散的網狀結構，通過關鍵點之間的聯結，將知識分層次地進行消化和理解，建立具有邏輯性和系統性的思維線。思維導圖已在教學設計、教學方法探索和知識管理等方面得到廣泛應用，成為教育領域研究和學習的一種重要輔助工具。

三、思維導圖在《材料科學基礎》課程中概念理解的應用

利用思維導圖來學習《材料科學基礎》中的基礎概念，可通過導圖線來尋找概念之間存在的內在聯系，并通過概念主線進行發散式思維，通過對概念的理解來不斷發展其內涵，形成清晰的知識網絡。以固體相結構章節中的合金相結構為例，里面概念較多，學生在學習的過程中容易混淆。例如固溶體和中間相的本質區別;間隙固溶體、間隙相和間隙化合物之間的概念辨析;C在γ-Fe和α-Fe中溶解度的差異原因等問題都是本章節的學習難點。

為了讓學生更清楚地掌握這些概念，并能對概念進行辨析理解，以及對材料性能進行分析，在教學實踐中，通過教師的講解，課后讓學生繪制概念的思維導圖構建固態合金相結構的概念線，幫助學生充分理解本章節的教學內容。學生在繪制思維導圖的過程中，不僅理清了每個概念之間的主次關系，建立了知識點之間的內在聯系，構建了固態合金相的知識網絡，同時也會通過知識點的擴展來了解合金相材料的應用。如圖1所示，固態合金相包括固溶體和金屬間化合物，其本質區別在于是否保持組元的晶體結構。固溶體包括置換固溶體和間隙固溶體，其區別在于溶質原子是否占據溶劑點陣;影響固溶體溶解度的因素有四個主要方面。金屬間化合物包括正常價化合物、電子化合物和尺寸因素化合物，其中正常價化合物和電子化合物的區別在于化合物是否符合正常化學價規律;尺寸因素化合物的分類主要取決于原子半徑的相對大小。

從思維導圖中可以看出，間隙相與間隙固溶體雖然都是小尺寸的原子進入到晶體點陣的間隙位置，但是否形成新的鍵合是判斷其為間隙相還是間隙固溶體的關鍵。以儲氫合金（hydrogen storage alloys）為例，在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金中先分解成單個原子進入合金晶格，與合金發生反應生成金屬氫化物，表現為儲存氫氣并放出大量的熱;對其進行加熱時發生分解反應，氫原子吸收熱量又結合成氫分子釋放氫氣出來。由于氫原子進入晶格后形成了新的鍵合，因此可判斷儲氫合金為金屬間化合物中的間隙相。

四、結論

本文利用思維導圖構建了固態合金相知識點的思維線，幫助學生在課后完成對知識點的梳理和擴展，有利于教師實施啟發式的教學和提升學生的自主學習能力。

參考文獻：

[1]唐志剛.利用思維導圖提高學生高等數學學習動機的有效策略研究[J].課程教育研究，2014（5）：148-149.