材料化学课程中材料结构部分的教学思考*

于　青，曹梅青，王忠卫，黄小文，田秀娟

(山东科技大学材料科学与工程学院，山东　青岛　266590)



材料化学课程中材料结构部分的教学思考*

于青，曹梅青，王忠卫，黄小文，田秀娟

(山东科技大学材料科学与工程学院，山东青岛266590)

材料结构是材料化学课程的重要组成部分。以材料结构为主线，将金属材料、无机非金属材料、高分子材料等多种材料的制备、组成、性能和应用串联在一起，既体现了知识间的联系，又强调了不同材料间的差异。鉴于材料结构知识较为抽象，本文结合本科教学实践，提出了将球棍模型与多媒体教学有机结合的教学方式，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力和空间想象力，从而增强学生的自主学习意识。

材料化学；材料结构；球棍模型

材料科学与工程是现代工业发展的四大支柱之一，几乎每一项重大的科学技术进步都与材料的发现有着密切的关系。现代材料科学发展的基础已经由过去的宏观研究和发展进入到了微观的分析和研究，在分子、原子甚至是电子的尺度内改变传统材料的性质、探索新材料。材料化学是材料科学的重要组成部分，也被称为“固体化学”。材料化学课程主要讲述从化学的角度进行材料科学研究所需的基本知识，具体包括：(1)材料中原子、离子或分子的排列方式；(2)不同组成间的化学反应；(3)材料制备工业过程中的化学问题；(4)材料的化学性质及其他性质中的化学因素；(5)环境对材料的影响等[1-3]。

根据培养适应21世纪经济和技术发展的材料专业技术人才的需要，山东科技大学材料科学与工程学院结合已有的专业设置和办学条件，于2007年申报增设“材料化学”专业，经批准于2009年开始招生。材料化学专业开设必修课30门，其中材料化学作为专业基础课开设。材料化学课程开设于第五学期，设置64个学时、4个学分。课程内容涉及面广，信息量大，学生学习时难以抓住重点和主线。结合五年的教学体会和探索，本文从材料结构的知识体系、在材料化学课程中的地位、材料结构的教与学四方面阐述了作者的观点和思考。

1　材料结构的知识体系

材料是具有一定性能，可以用来制成一些机器、器件、结构和产品的物质。一般意义上的材料以固态为主要存在形态。固态材料按照其粒子的排列方式可以分为晶态、非晶态、准晶态三大类；按其组成可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料等。人类对材料结构的认识起源于晶体结构的分析。通过晶体结构的分析，科学家总结得出了晶体学的相关理论。晶体学研究历史悠久，是诸多学科(如固体物理和材料学)的基础。随着人类对固体结构认识的深入，以色列科学家Daniel Hechtman于1982年发现了准周期晶体(简称准晶)。这一发现不仅拓展了人们对固体材料的认知，而且开发了固体材料(主要是准晶材料)新的应用领域。材料化学课程涵盖多种固体材料，其中材料结构知识以晶态、非晶态、准晶态的结构为主，将不同组成的材料的性能和应用穿插其中，使抽象的理论教学不陷于枯燥，而知识性介绍又不流于肤浅。

2　材料结构在材料化学课程中的地位

材料化学是从化学的角度来研究材料的一门科学。课程内容涵盖了材料的合成、结构、性能和应用。这四大部分相辅相成，是材料研究的四大要素。其中，材料的结构决定了其性能和应用，同时也指导着材料的合成。研究材料结构在材料的设计合成及应用中非常重要[4]。例如，单晶材料的外形直接取决于其内部原子的排列方式；晶态材料内部缺陷的存在直接影响其性能，而缺陷的探知则基于对材料结构的分析。通过对材料结构的分析不仅可以明确各种材料合成方法的优势，同时还可以推测材料的性能及应用范围。由此可见，材料结构在材料化学甚至是材料科学领域研究中至关重要[5]。同时，良好的材料结构认知是优秀材料人必备的素质。

3　材料结构的教学

3.1学情分析

材料化学课程开设在第5学期。经过两年的大学本科学习，学生已初步具备自主学习意识。此外，学生前期已学习了《无机化学》课程，对于原子结构和分子结构已有一定认识和基础。因此，在材料结构讲授时，可以从学生熟悉的原子或分子结构入手，逐渐引入固体材料的整体结构。

3.2材料结构学习中的常见问题

材料结构内容较为抽象，学生学习过程中需要具有一定的空间想象能力。虽然授课从学生熟悉的晶体材料结构开始，但在学习之初，学生对于点阵、点群和空间群等基本概念感到难以理解，甚至有的学生无法正确分析宏观对称性和微观对称性。此外，在准晶部分，学生认为准晶的定义及判别较难理解。

3.3教学方式及设计

在教学中，除合理安排教学内容外，为有效调动学生学习的积极性，激发学习兴趣，使学生更好地掌握基本知识和基本技能，使抽象的理论教学不枯燥，达到理论与实践相结合的目的，采用多种多样的教学方法和教学手段，融知识传授与能力培养为一体。在材料结构部分的教学中，运用多媒体教学的同时，将球棍模型带入课堂，使学生能够更加直观的观察相应材料结构。同时，通过球棍模型的组装，提高学生的动手能力和团队协作能力。下面以晶态结构为例详细分析教学方式及教学设计。

课前事先准备好一定量的球棍模型并完全拆开。课堂上，根据球棍模型数量将学生分成若干组。在讲述晶态结构时，从学生熟悉且相对简单的食盐(NaCl)晶体结构引入。通过无机化学的学习，学生明确了NaCl为典型的离子晶体。第一步，教师引导学生根据自己所学知识合作完成NaCl晶体球棍模型的组装。在各组学生分别展示模型后，教师利用ppt演示出正确的NaCl晶体结构示意图(图1)，并请学生对照查找本组所制作模型的问题。第二步，教师引导学生明确NaCl晶体结构阴阳离子所处位置、各自配位数及一个NaCl晶胞中所含阴阳离子个数。第三步，教师引导学生描述NaCl晶体的对称性。第四步，教师引导学生画出NaCl晶体结构示意图，完成NaCl晶体结构的学习。第五步，通过NaCl晶体结构的分析方法，引导学生总结结构分析的要点，并提示结构分析及材料结构学习中的注意事项。

图1　NaCl晶体结构示意图Fig.1　Schematic diagram of NaCl crystal structure

在学习NaCl晶体结构的过程中，通过球棍模型的组装学生已对结构解析产生一定兴趣。因此，在NaCl晶体结构解析之后，紧接着给学生出一道难题：钙钛矿型晶体的结构解析。与NaCl晶体不同，钙钛矿型晶体为三元离子晶体，结构相对复杂，分析难度更大。鉴于部分学生能够在教师给出NaCl晶体结构之前正确的组装其球棍模型，此时给出的钙钛矿型晶体更具吸引力。第一步，教师利用ppt给出钙钛矿型晶体的结构示意图，请学生分组讨论，并以小组为单位给出钙钛矿型晶体结构的解析结果。第二步，请学生根据每组给出的晶体结构分析各自结果的准确性，并展开讨论。第三步，教师引导学生按照之前总结的原则分析结构中阴离子的排列方式，并请学生验证本组分析结果。第四步，请学生指出体积较大的阳离子所处位置(为提高学生的积极性，可以抢答方式进行)。第五步，请学生指出体积较小的阳离子所处位置(为提高学生的积极性，可以抢答方式进行)。第六步，教师总结钙钛矿型晶体的正确结构，并针对每组的解析结果给予评价，指出问题所在。最后，教师请学生画出钙钛矿型晶体的结构示意图，完成晶体结构学习。

4　材料结构的学习

材料结构的学习相对于材料合成、应用等较抽象，也较不容易引起学生的学习兴趣。因此，教师在此部分的教学中除了注重基础知识的讲述，还应着重学习方法的传授。采用多种教学方式，激发学生的学习兴趣：

(1)球棍模型。通过球棍模型的拆解和组装，激发学生的动手能力。学生也可利用课余时间借出球棍模型，根据课堂中所讲理论知识组合出他们感兴趣的材料的结构示意图。

(2)画图。学生可利用计算机练习绘制教师在课堂中演示的结构示意图，并在下次课堂上进行演示。这样的学习方式一方面有利于激发学生的学习兴趣，使他们通过示意图的绘制更加清晰的理解材料结构，提升空间想象力；另一方面可以提高学生应用相应绘图软件的能力，使其具备材料研究人员所需的基本技能。

(3)学生主题演讲。知识的学习如果仅限于教师的讲述，那么有可能会学一点忘一点，很难做到“掌握”。何为“掌握”？怎么做到“掌握”？只有学生真正理解了，能够用自己的语言讲出来，那么才能称为学生掌握了该知识。因此，在教学过程中鼓励并安排学生针对某些知识进行主题演讲。这种方式既能够提升学生对知识的理解，又可以锻炼学生的讲解能力，为学生将来走向工作岗位奠定良好的基础。

5　结　语

在材料化学课程学习中，材料结构的学习至关重要。鉴于结构知识相对抽象，教师将多媒体教学与球棍模型相结合，以学生动手组装晶体结构球棍模型为基础，引导并激发学生的自主学习意识，提高学生的空间想象力，从而提升学生作为材料人的素质和技能。

[1]李本侠,王静.《材料化学》课程教学的探讨与实践[J].广州化工,2009,7(8):228-245.

[2]刘清泉,肖秋国,陈丽娟,等.“材料化学”湖南省特色专业建设的思考(一)[J].当代教育理论与实践,2011,3(11):87-89.

[3]王来国,朱凤,黄荣谊.“材料化学”精品课程建设的探索与实践[J].广州化工,2012，40(2):128-130.

[4]张英.大材料背景下晶体学课程的改革与创新[J].科教文汇,2011(10):71-72.

[5]李奇,陈光巨,黄元河.晶体学知识在材料化学课中的重要地位[J].高师理科学刊,2008,28(1):101-112.

Teaching Reflection on Material Structure in Material Chemistry*

YU Qing， CAO Mei-qing， WANG Zhong-wei， HUANG Xiao-wen， TIAN Xiu-juan

(College of Materials Science and Engineering，Shandong University of Science andTechnology，ShandongQingdao266590，China)

Material Structure is an important part in the course of Material Chemistry. Material Structure is used as the thread running through the preparation, composition, properties and application of different materials, such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymeric material, etc. It could not only embody the relationship between knowledge, but also emphasize the differences between different materials. As the content of material structure was quite abstract, the teaching approach of combining ball-and-stick models with multimedia teaching was proposed based on the practice of undergraduate teaching. This type of teaching approach could stimulate the learning interest of students, improve their practical ability and space imagination and enhance their awareness of autonomous learning.

Material Chemistry; Material Structure; ball-and-stick models

山东科技大学教学研究项目(No.qx2013121，qx2013123)。

于青(1983-)，女，副教授，从事材料化学方面的教学与科研。

G642

A

1001-9677(2016)09-0180-03