“材料性能”之“磁学性能”教学中的“四模块”实验设计

张红国 张东涛 路清梅 王亚丽 张忻 林健 夏志东

[摘 要] 针对“材料性能”这门课程中的“磁学性能”一章的教学，提出“四模块”课堂演示实验的设计方案。此方案通过对有趣现象的认知将材料类型与理论概念联系起来，为课堂教授提供有效切入点，为学生学习奠定良好基础，为知识体系搭建直观逻辑。在实际教学过程中取得了较好效果。

[关键词] 材料性能;磁学性能;课堂实验

[基金项目] 北京工业大学教育教学研究课题“基于‘日新学堂构建《材料性能》教学过程监测和提升学习质量的探索”（ER2020B043）资助;2018年度北京工业大学第二批本科重点建设课程《材料性能》;2018年度北京工业大学通识教育核心课程建设项目《材料与生活、环境安全》

[作者简介] 张红国（1985—），男，陕西礼泉人，理学博士，硕士研究生导师，北京工业大学材料科学与工程学院副研究员，主要从事磁性功能材料研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 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，是材料科学研究的重要对象，同时也是生产过程中材料选择和使用的重要依据。[1]因此，在高等院校材料科学与工程相关专业中一般都会开设《材料性能》这门课程。[2]

本课程包含了材料的力学性能、物理性能和化学性能，每一章都涉及一个广泛的材料学研究领域。因此，本課程的特点之一是知识点多而零散，容易给学生的学习带来缺乏逻辑、无从入手的感觉，也对教师的讲授技巧提出了更高要求。以“材料的磁学性能”这一章为例。学生在本章中需要理解物质磁性的起源、熟悉各种磁性能量和磁畴等概念、掌握磁性材料的磁化过程和各种性能指标。在此过程中需要接触的全新概念不下数十个。要在短短4～5个课时中将如此大量的内容讲授清楚，不让学生陷入迷茫，最有效的途径就是通过建立生动形象的逻辑链条，继而扩展出不同知识点的“枝叶”。

基于以上认知，笔者在“材料性能”的教学过程中，从设计课堂演示实验的角度进行了增强讲授和学习逻辑性的思考和实践，总结出了“四模块”的实验方案，并取得了一定效果。

一、课堂实验设计依据

“磁”对于材料类本科生乃至大多数人来说，是一个既熟悉又陌生的概念。熟悉在于大家从小就接触过各式各样的磁铁或者和磁性有关的物品，比如“吸铁石”、冰箱贴。而陌生在于，普通教育教学过程中几乎不会系统介绍物质的磁性，因此人们对其认识非常有限。而在相关专业课程学习中，为了激发学生对磁性起源的好奇心，奠定知识学习的基础，我们需要建立起物质与理论、现象与概念之间的形象联系。这也是我们尝试通过课堂演示实验的方式建立知识逻辑性的出发点。

根据大纲中关于本章教学内容和目标的阐述，我们梳理出本章的重难点，即“从构成物质的基础结构认识物质磁性的起源及物质磁性分类，理解不同类型的磁性的磁化率随温度和磁场的变化特征”。进一步把相关知识点按照材料、现象和概念三个认知层面进行整理：

1.材料层面主要包括各种磁性类型，可以挖掘出与实际生活中接触到的物质的紧密联系。

2.现象层面包括本章重点学习的铁磁性材料中的特征行为，对学生们来说比较新鲜有趣。

3.概念层面主要是理论型的专有名词和定义，是掌握的重点和难点。

由此可见，现象层面的认知是联系材料与概念两个层面的纽带，是学生学习和认知最有效的切入点，也是我们本章实验设计的依据。

二、课堂实验设计思路

1.实验用品。我们将从学生们最为熟知的“吸铁石”即永磁材料入手，通过其与自身和不同的材料之间在不同环境下的相互作用现象，一步步引出磁性物质的各类特点，并在此基础上开枝散叶，展开教学。据此，本章的演示实验可以包括但不仅限于以下材料和用具：薄片/圆柱NdFeB磁体、菱形磁针、Fe片、Mn/Cr片、石墨片及加热源等。

2.实验设计。根据上述不同层面的知识点，我们将演示实验分为四个模块。

物质磁性类型模块1：用于区分物质的磁性类型，介绍铁磁性的概念，提出物质磁性起源的解释。

物质磁性类型模块2：用于进一步区分特殊的抗磁性和铁磁性的次级类型，提出并解释磁有序、交换作用等概念。

物质磁性的温度依赖性模块3：指出温度场对磁性的影响，引入居里温度、磁相变、居里外斯定律等概念。

物质磁性的微观表现模块4：介绍磁畴、各种磁性能量等概念，引出磁性物质种各种能量的竞争，解释磁滞现象及其根源。

3.实验内容。四个模块的演示实验目的都是引出一个核心问题。经过具体的实验演示，请学生进行讨论和思考，提出问题并尝试给出可能的解释，再进行一一分析，最终引出正确思路并开展课堂讲授。

模块1：为什么只有Fe能够被磁铁所吸引？

用磁铁分别吸引Fe片、Mn/Cr片和石墨片，可以发现只有Fe片能被吸引，其他物质都不具有这种特性。根据实验现象，引导学生讨论导致这一现象的可能物质基础。配合展示元素周期表中室温铁磁性单质的稀缺性，引出磁性起源的问题。回顾原子结构，指出可能具有磁矩的微观粒子种类。说明电子自旋磁矩对于磁性的贡献。提出“能量最低原理”的普适性，介绍泡利不相容原理和洪德法则。运用这些理论演示核外电子排布的规律，指出净剩自旋是原子显示出磁性的根本原因之一。

模块2：是否具有净剩自旋的元素都具有铁磁性？

使用圆柱磁体，将石墨片小心放置在其端面上，请学生观察石墨片的悬浮状态，同时演示Mn、Cr金属片既不能被吸引，此时也不能被排斥。由此引入除铁磁性外物质磁性的不同种类，抗磁性、反铁磁性、顺磁性等。说明磁矩和磁矩之间存在交换作用。从能量最小化原理出发，引出交换作用公式，并对其进行分析讨论，得出磁矩有序排列的结论。给出Slater-Bethe曲线，讨论各种单质的磁性，并与前面的元素周期表中磁性物质种类相呼应。总结磁性起源的两个重要条件，即具有净剩自旋和磁矩之间的交换作用。

模块3：如果给磁体加热，会发生什么？

用防火毯做好保护，使用酒精灯等热源，给吸引在镊子上的薄片磁体加热，请学生注意观察即将发生的现象。请大家讨论为什么加热到一定温度后，磁体会失去磁性而掉落。提出关于磁性和温度关系的新问题。讲授居里外斯定律，从磁化率对温度的依赖曲线上分析不同物质的磁性表现。介绍自发磁化对于铁磁性材料的意义。探讨交换作用能与温度之间的竞争。

模块4：铁磁性物质天生就能表现出宏观磁性吗？

将菱形磁针排列成方形阵列，使用磁体扫过阵列上方，使所有磁针都开始快速转动。请学生仔细观察，在磁针逐渐静止后，整个阵列中的磁针排列是否有规律。基于已经获得的关于磁性知识，启发学生思考为何磁针最终形成了一个个小区域，每个小区域内部平行排列，而小区域之间却呈垂直或反平行排列。引出铁磁体中的各项能量，介绍他们之间的竞争关系，并最终得出在自发磁化后形成磁畴的必然性。

以上仅是基于“四模块”结构的一种教学实验方案示例。事实上，我们还可以对其进行多种多样的组合变化。例如，我们可以通过加热后磁体与未加热磁体的接触，使前者重新被磁化，从而引入软、硬磁的概念。还可以通过演示磁体不同部位的磁力大小变化，引出各向异性的概念。可见，我们提出的“四模块”实验结构蕴含了较丰富的内涵，具有较大的自由度和发挥空间，为材料的磁性能讲授提供了新的思路和逻辑链。

三、结语

我们设计了四个模块的简单演示实验来引入相关核心概念和现象，有效帮助对主旨的分解和剖析讲授。在此过程中通过互动完成在深度和广度方向的延伸，开拓学生的发散思维，激发思考。这种教学方法采用“启发式”“参与式”与“探究式”相结合的方式。充分发挥学生的主体地位，从话题的引入开始，每一步都以演示实验为核心，结合视频、动画、互动提问等手段促使学生沿着设计好的逻辑链条自己思考得出每一步的重要结论。

参考文献

[1]王从曾.材料性能学[M].北京：北京工业大学出版社，2004.

[2]陈建清，江静华，杨东辉，宋丹，马爱斌.“材料性能学”课程的教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（43）.