“材料性能”之“磁學性能”教學中的“四模塊”實驗設計

張紅國 張東濤 路清梅 王亞麗 張忻 林健 夏志東

[摘 要] 針對“材料性能”這門課程中的“磁學性能”一章的教學，提出“四模塊”課堂演示實驗的設計方案。此方案通過對有趣現象的認知將材料類型與理論概念聯系起來，為課堂教授提供有效切入點，為學生學習奠定良好基礎，為知識體系搭建直觀邏輯。在實際教學過程中取得了較好效果。

[關鍵詞] 材料性能;磁學性能;課堂實驗

[基金項目] 北京工業大學教育教學研究課題“基于‘日新學堂構建《材料性能》教學過程監測和提升學習質量的探索”（ER2020B043）資助;2018年度北京工業大學第二批本科重點建設課程《材料性能》;2018年度北京工業大學通識教育核心課程建設項目《材料與生活、環境安全》

[作者簡介] 張紅國（1985—），男，陜西禮泉人，理學博士，碩士研究生導師，北京工業大學材料科學與工程學院副研究員，主要從事磁性功能材料研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0379-02? ? [收稿日期] 2020-03-18

材料性能是材料的四要素之一，是材料科學研究的重要對象，同時也是生產過程中材料選擇和使用的重要依據。[1]因此，在高等院校材料科學與工程相關專業中一般都會開設《材料性能》這門課程。[2]

本課程包含了材料的力學性能、物理性能和化學性能，每一章都涉及一個廣泛的材料學研究領域。因此，本課程的特點之一是知識點多而零散，容易給學生的學習帶來缺乏邏輯、無從入手的感覺，也對教師的講授技巧提出了更高要求。以“材料的磁學性能”這一章為例。學生在本章中需要理解物質磁性的起源、熟悉各種磁性能量和磁疇等概念、掌握磁性材料的磁化過程和各種性能指標。在此過程中需要接觸的全新概念不下數十個。要在短短4～5個課時中將如此大量的內容講授清楚，不讓學生陷入迷茫，最有效的途徑就是通過建立生動形象的邏輯鏈條，繼而擴展出不同知識點的“枝葉”。

基于以上認知，筆者在“材料性能”的教學過程中，從設計課堂演示實驗的角度進行了增強講授和學習邏輯性的思考和實踐，總結出了“四模塊”的實驗方案，并取得了一定效果。

一、課堂實驗設計依據

“磁”對于材料類本科生乃至大多數人來說，是一個既熟悉又陌生的概念。熟悉在于大家從小就接觸過各式各樣的磁鐵或者和磁性有關的物品，比如“吸鐵石”、冰箱貼。而陌生在于，普通教育教學過程中幾乎不會系統介紹物質的磁性，因此人們對其認識非常有限。而在相關專業課程學習中，為了激發學生對磁性起源的好奇心，奠定知識學習的基礎，我們需要建立起物質與理論、現象與概念之間的形象聯系。這也是我們嘗試通過課堂演示實驗的方式建立知識邏輯性的出發點。

根據大綱中關于本章教學內容和目標的闡述，我們梳理出本章的重難點，即“從構成物質的基礎結構認識物質磁性的起源及物質磁性分類，理解不同類型的磁性的磁化率隨溫度和磁場的變化特征”。進一步把相關知識點按照材料、現象和概念三個認知層面進行整理：

1.材料層面主要包括各種磁性類型，可以挖掘出與實際生活中接觸到的物質的緊密聯系。

2.現象層面包括本章重點學習的鐵磁性材料中的特征行為，對學生們來說比較新鮮有趣。

3.概念層面主要是理論型的專有名詞和定義，是掌握的重點和難點。

由此可見，現象層面的認知是聯系材料與概念兩個層面的紐帶，是學生學習和認知最有效的切入點，也是我們本章實驗設計的依據。

二、課堂實驗設計思路

1.實驗用品。我們將從學生們最為熟知的“吸鐵石”即永磁材料入手，通過其與自身和不同的材料之間在不同環境下的相互作用現象，一步步引出磁性物質的各類特點，并在此基礎上開枝散葉，展開教學。據此，本章的演示實驗可以包括但不僅限于以下材料和用具：薄片/圓柱NdFeB磁體、菱形磁針、Fe片、Mn/Cr片、石墨片及加熱源等。

2.實驗設計。根據上述不同層面的知識點，我們將演示實驗分為四個模塊。

物質磁性類型模塊1：用于區分物質的磁性類型，介紹鐵磁性的概念，提出物質磁性起源的解釋。

物質磁性類型模塊2：用于進一步區分特殊的抗磁性和鐵磁性的次級類型，提出并解釋磁有序、交換作用等概念。

物質磁性的溫度依賴性模塊3：指出溫度場對磁性的影響，引入居里溫度、磁相變、居里外斯定律等概念。

物質磁性的微觀表現模塊4：介紹磁疇、各種磁性能量等概念，引出磁性物質種各種能量的競爭，解釋磁滯現象及其根源。

3.實驗內容。四個模塊的演示實驗目的都是引出一個核心問題。經過具體的實驗演示，請學生進行討論和思考，提出問題并嘗試給出可能的解釋，再進行一一分析，最終引出正確思路并開展課堂講授。

模塊1：為什么只有Fe能夠被磁鐵所吸引？

用磁鐵分別吸引Fe片、Mn/Cr片和石墨片，可以發現只有Fe片能被吸引，其他物質都不具有這種特性。根據實驗現象，引導學生討論導致這一現象的可能物質基礎。配合展示元素周期表中室溫鐵磁性單質的稀缺性，引出磁性起源的問題?；仡櫾咏Y構，指出可能具有磁矩的微觀粒子種類。說明電子自旋磁矩對于磁性的貢獻。提出“能量最低原理”的普適性，介紹泡利不相容原理和洪德法則。運用這些理論演示核外電子排布的規律，指出凈剩自旋是原子顯示出磁性的根本原因之一。

模塊2：是否具有凈剩自旋的元素都具有鐵磁性？

使用圓柱磁體，將石墨片小心放置在其端面上，請學生觀察石墨片的懸浮狀態，同時演示Mn、Cr金屬片既不能被吸引，此時也不能被排斥。由此引入除鐵磁性外物質磁性的不同種類，抗磁性、反鐵磁性、順磁性等。說明磁矩和磁矩之間存在交換作用。從能量最小化原理出發，引出交換作用公式，并對其進行分析討論，得出磁矩有序排列的結論。給出Slater-Bethe曲線，討論各種單質的磁性，并與前面的元素周期表中磁性物質種類相呼應?？偨Y磁性起源的兩個重要條件，即具有凈剩自旋和磁矩之間的交換作用。

模塊3：如果給磁體加熱，會發生什么？

用防火毯做好保護，使用酒精燈等熱源，給吸引在鑷子上的薄片磁體加熱，請學生注意觀察即將發生的現象。請大家討論為什么加熱到一定溫度后，磁體會失去磁性而掉落。提出關于磁性和溫度關系的新問題。講授居里外斯定律，從磁化率對溫度的依賴曲線上分析不同物質的磁性表現。介紹自發磁化對于鐵磁性材料的意義。探討交換作用能與溫度之間的競爭。

模塊4：鐵磁性物質天生就能表現出宏觀磁性嗎？

將菱形磁針排列成方形陣列，使用磁體掃過陣列上方，使所有磁針都開始快速轉動。請學生仔細觀察，在磁針逐漸靜止后，整個陣列中的磁針排列是否有規律?；谝呀洬@得的關于磁性知識，啟發學生思考為何磁針最終形成了一個個小區域，每個小區域內部平行排列，而小區域之間卻呈垂直或反平行排列。引出鐵磁體中的各項能量，介紹他們之間的競爭關系，并最終得出在自發磁化后形成磁疇的必然性。

以上僅是基于“四模塊”結構的一種教學實驗方案示例。事實上，我們還可以對其進行多種多樣的組合變化。例如，我們可以通過加熱后磁體與未加熱磁體的接觸，使前者重新被磁化，從而引入軟、硬磁的概念。還可以通過演示磁體不同部位的磁力大小變化，引出各向異性的概念。可見，我們提出的“四模塊”實驗結構蘊含了較豐富的內涵，具有較大的自由度和發揮空間，為材料的磁性能講授提供了新的思路和邏輯鏈。

三、結語

我們設計了四個模塊的簡單演示實驗來引入相關核心概念和現象，有效幫助對主旨的分解和剖析講授。在此過程中通過互動完成在深度和廣度方向的延伸，開拓學生的發散思維，激發思考。這種教學方法采用“啟發式”“參與式”與“探究式”相結合的方式。充分發揮學生的主體地位，從話題的引入開始，每一步都以演示實驗為核心，結合視頻、動畫、互動提問等手段促使學生沿著設計好的邏輯鏈條自己思考得出每一步的重要結論。

參考文獻

[1]王從曾.材料性能學[M].北京：北京工業大學出版社，2004.

[2]陳建清，江靜華，楊東輝，宋丹，馬愛斌.“材料性能學”課程的教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2016（43）.