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《材料科学基础》教学中的晶体缺陷
摘要：晶体缺陷是材料科学基础课中的重点和难点。本章节内容比较抽象复杂，属于比较难理解和掌握的章节。如何讲好讲清楚本章内容，使学生理解起来更容易、掌握起来更透彻，笔者就自身的课堂教学及具体知识点从多媒体教学的直观优势、将抽象概念与实际晶体相联系、加强师生间的互动及不可摒弃的板书四个方面进行了探讨。
关键词：晶体缺陷；多媒体教学；互动；教学体会
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）40-0223-02
《材料科学基础》是高等学校材料化学相关专业的一门重要的专业基础课，主要研究材料的微观结构、微观过程，使学生掌握研究材料微观的方法，建立微观和宏观特性与性能间的联系及对应关系，并掌握材料成分、结构与性能之间的关系及其变化规律。本课程是多学科知识的交叉与渗透，为后续专业课学习的基础，同时也是学生将来从事材料研究的理论基础。
“晶体缺陷”与前面章节“晶体结构”紧密相连，同时也是后续章节“材料的形变与再结晶”学习的基础，在《材料科学基础》课程内容中起到承上启下的作用。此外，由于本章节涉及到晶体的内部微观，内容相对来说比较抽象，是历届学生反映最难理解掌握的章节。如何清楚讲解该部分内容，使学生理解起来更容易、掌握起来更透彻，笔者就自身的课堂教学及具体知识点的讲解谈一些切身体会。
一、充分利用多媒体教学
多媒体教学是目前比较普遍和先进的教学手段。利用多媒体进行材料科学基础的教学，能够优化教学过程。由于内容可以丰富多彩，多媒体教学也能从一定程度上激发学生的学习兴趣，从而充分调动了学生的积极性，并能提高教学质量。多媒体教学具有非常好的直观优势，可以在很大程度上弥补学生在学习晶体缺陷时三维空间想象力的不足。
材料科学基础中，对晶体缺陷的定义是“在实际材料的微观结构中原子的排列或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷”。该部分内容是微观的东西，且非常抽象。若教师在教学中仅仅依靠板书和相关模型教具，学生理解起来还是比较困难的，也很容易失去学习兴趣。采用多媒体教学，将抽象内容以生动的二维或三维动画的形式展示给学生，学生可以直观的理解，并能从多个角度进行观察。这不仅可以提高学生的学习兴趣，还能弥补传统教学在实践和空间等方面的不足。
通过多媒体教学使学生能够清晰地观察和理解实验现象、材料结构以及原理，从而激发他们的学习兴趣。如“螺位错”和“位错的运动”是大多数学生认为最为抽象的部分，它是如何形成以及如何交互运动的？如果教师仅靠平面图来辅助讲述，学生很难理解，尤其是螺位错的形成更是抽象。通过使用软件，可将位错结构进行三维旋转，从而能使学生从各个方向来观察位错，理解位错结构；通过动画，学生能清晰地看到不同位错的形成，通过观察位错线和伯氏矢量的关系，可以理解刃位错、螺位错、混合位错的区别，也能直观地观察到滑移和攀移这两个不同过程。同时多媒体还具有的很大的优势在于，教师讲解的时候可以根据学生需要，随时暂停和回放，使学生能够彻底明白。
二、将抽象概念与实际晶体相联系
在材料科学基础中，晶体缺陷是从原子水平的微观方面，分析讨论实际晶体中由于原子（或离子、分子）的热运动及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素造成的缺陷。由于是从原子水平研究，所以很多分析的图形都是局部的原子排列图。局部的原子排列图使学生很难跟宏观物体联系起来，因此讲解的过程中，教师应该注意将抽象概念与实际晶体相联系。即每次看完局部原子微观图后应该看一下宏观物体图，使学生明白这微观的图是属于宏观的哪一部分。而我们研究缺陷是因为缺陷对晶体的性能有很大的影响，比如结构敏感的性能如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等，此外还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切联系。“掌握内部规律，改变宏观性质，为我所用”是我们最终的目的，从这个角度，也必须在教学中时刻将抽象概念与实际晶体相联系。
如讲晶体缺陷中刃位错的相关知识时，从图1（a）宏观图形介绍刃位错的基本知识，强调多余的半排原子面，指出滑移面和位错线。然后用图1（d）从微观方面介绍，同样指出多余的半排原子面，将微观图形中的滑移面和位错线与宏观图形相比较。图1（b）和图1（c）是侧面图的宏观和微观图形，在用这两张图形讲解相关知识时，一定要回过来看图1（a）和图1（d），使学生明确正确的局部与整体的关系。如在讲解伯氏矢量大小的确定的时候，为了清晰，通常是用图1（c）来讲解闭合回路。如果只看这张图，学生容易理解混淆，而结合图1（a）和图1（d）来讲解，可以让学生把位错及伯氏矢量归集在一个整体中，建立清晰的概念。而讲解刃位错的滑移时，应该将图1（d）和图1（e）结合起来，使学生能够在微观和宏观中建立联系。
三、加强师生间的互动
互动式教学是教师与学生双方的交流和探讨，使学生在教师已授知识的前提下，对知识掌握的一种具体反馈。师生间的互动可以激发教学双方的主动性与能动性，可以培养学生的自主意识和创新能力。通过课堂互动过程中的训练，学生能够逐渐爱学、会学和善学，从而提高教学效果。鉴于晶体缺陷这部分知识的难度大，所以互动式教学显得尤为重要。
为了更好的加强师生间的互动，在教师授课时，应更多地面向学生，及时观察学生的表情，了解学生对知识点的掌握情况。若大多数学生的表情较为轻松愉快，说明学生对所学内容理解较好；若学生对教师的提问反应较为迟缓，或部分学生甚至出现皱眉等困惑表情，说明学生对所学内容存在理解和掌握的困难。此时，教师应将授课速度减慢，或对所传授的重点内容进行重复或更为详细的解释，有动画的可以重复放慢播放，以加强学生对知识的理解；在讲解过程中，教师还可以多次向学生抛出启发式的问题，通过学生的回答情况来判断他们对课堂内容的理解；课堂讲解的过程中也可以配以简单小测验，以达到较好的互动效果。如位错反应这部分知识，可以给出例题让学生判断位错反应能否发生，检测学生是否掌握了位错反应发生的两个基本条件，即几何条件和能量条件。学生做完后可以引导学生做进一步的理解：两条挨着的位错线是不稳定的，通常为了降低体系能量是以分开的状态存在。
四、不可摒弃的板书讲解
在教学过程中，我们不应完全依赖多媒体教学，而忽视了板书的魅力。教师应该根据所讲内容的具体教学目标、教学内容和学生的实际情况，在整个的教学环节中合理使用多媒体教学，必要的时候配以板书讲解。板书教学时教师始终是处于教学过程中的主导地位，可以对一些知识点着重强调，以充分调动学生的注意力。
在晶体缺陷的知识点中，我们应该充分发挥板书的优势。如位错反应这部分知识点强调了位错反应发生的两个基本条件：一是几何条件，反应后诸位错的伯氏矢量之和应该等于反应前诸位错的伯氏矢量之和；二是能量条件反应后各位错的总能量应小于反应前各位错的总能量。为使学生透彻理解和掌握，给出学生判断位错反应能否发生的练习题。首先可以带着学生板书复习伯氏矢量的表示及模的求法，以及位错的能量与伯氏矢量模的平方成正比。在学生自己练习的基础上，带学生板书讲解求算过程，使学生能够清楚自己求算过程中的问题所在，可以比较好的掌握该知识点。
五、结语
本文针对《材料科学基础》中的教学重点和难点“晶体缺陷”，就自身的课堂教学及具体知识点从四个方面进行了探讨。笔者认为鉴于晶体缺陷知识点的复杂抽象，应该充分发挥多媒体教学的直观优势，使抽象知识具体化，解决学生空间想象的困难；由于该部分知识是从原子水平研究，所以很多分析的图形都是局部的原子排列图，因此在教学中应将抽象概念与实际晶体相联系，便于学生从宏观和微观两个方面掌握晶体缺陷；讲授过程中，教师应该特别注重师生间的互动，及时观察了解学生的理解掌握情况；最后，教师应该充分发挥板书的优势，结合多媒体教学，使学生对知识点有更好的掌握。
参考文献：
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