思维导图在“材料分析与测试”教学中的应用

罗啸 马亚楠 陈绪兴 张传坤

摘要“材料分析与测试”是材料物理专业的专业必修课程，该课程的实用性强，理论知识抽象，涉及大量专业术语，知识点繁杂，学习难度大。思维导图（The Mind Map）是表达发散性思维的有效图形思维工具，简单且高效，是一种实用性的新型教学工具。在“材料分析与测试”教学中应用思维导图，运用图文并重的技巧，帮助学生直观、清晰地理解该课程的相关概念以及知识结构，更好地掌握材料课程的知识体系，不仅能增添知识讲授的趣味性，还能锻炼学生的发散思维和归纳总结能力，促进学生对重要知识点的记忆。文章探讨了思维导图对“材料分析与测试”课程教学的促进作用，探索思维导图在本课程中的具体应用。

关键词材料分析与测试；思维导图；知识体系；课堂教学

中图分类号：G424                            文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.032

The Application of Mind Mapping in the Teaching of "Material Analysis and Testing"

LUO Xiao1， MA Yanan1， CHEN Xuxing2， ZHANG Chuankun1

（1. School of Mathematics and Physics and Optoelectronics， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan， Hubei 442002; 2. School of Materials Science and Engineering， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062）

Abstract"Material Analysis and Testing" is a compulsory course for materials physics majors. It has strong practicality， abstract theoretical knowledge， involves a large number of professional terms， complex knowledge points， and high learning difficulty. The Mind Map is an effective graphical thinking tool for expressing divergent thinking， simple and efficient， and is a practical new teaching tool. In the teaching of "Material Analysis and Testing"， the application of mind maps and the use of techniques that emphasize both graphics and text can help students intuitively and clearly understand the relevant concepts and knowledge structure of the course， better grasp the knowledge system of the material course， not only increase the interest of knowledge teaching， but also exercise students' divergent thinking and inductive and summary abilities， and promote their memory of important knowledge points. This article explores the promoting role of mind maps in the teaching of "Materials Analysis and Testing"， and explores the specific application of mind maps in this course.

Keywordsmaterial analysis and testing; mind mapping; knowledge system; classroom teaching

“材料分析與测试”是材料物理专业的一门重要的专业课。该课程揭示了材料成分―制备工艺―微观结构―性能之间的关系，具有极强的实用性，其知识体系是进行材料学研究的重要工具之一，在材料物理专业人才培养中具有举足轻重的地位[1]。课程涉及的分析测试方法种类繁多，知识点繁杂，应用性强，其中理论知识抽象，各种概念相互连接交错，知识面广阔，学生学习时难以把握重点。同时，课程涉及大量的分析测试仪器，每种仪器都有其独特的工作原理、图像或图谱解析方法以及测试使用范围。课程涵盖大量理论知识，包括物理学、化学、晶体学、电子光学等内容，需要学习者有较广博的知识储备。学生在学习过程中感觉比较枯燥，缺乏学习的自主性，教学效果不理想。因此，优化“材料分析与测试”课程教学方法以实现教学效果的提升，对提高学生的综合素质，激发学生的研究兴趣有着重要意义。

本文提出利用思维导图辅助教学，方便学生更直观、清晰地理解“材料分析与测试”课程中的相关概念以及知识结构，有助于更好地掌握“材料分析与测试”课程的知识体系。

1  思维导图及其特点

思维导图是英国心理学家托尼巴赞（Tony Buzan）在20世纪60年代提出的一種工具，能够将知识和信息以视觉形式和语言形式呈现，便于识记[2]。思维导图可以把知识点绘制成树状结构图，使相互关联的信息以放射性图像化的立体结构呈现出来，是一种有力的表达发散性思维的图形工具。大脑对于图像的识别、加工、记忆能力要远大于对文字的处理能力。因此，借助思维导图可将原本抽象、冗长的文字信息转化为图文并茂、重点突出、层次清晰、灵活自由的可视化图像，从而激发大脑潜能，使阅读者更高效地掌握知识。在材料分析与测试课程教学中，引入思维导图能将知识体系分级整理，将各个概念和理论之间的相互关系清晰明了地表现出来，使学生迅速把握课程的重点内容，理解知识点之间的关系，梳理识记思路，强化记忆，从而提高学习效率，使学生在更短的学习时间里学习更多的知识。

2  思维导图融入“材料分析与测试”教学的应用实例

2.1  思维导图可使课程的知识体系清晰化，便于学习者把握课程整体结构

“材料分析与测试”是关于材料分析与表征理论及技术的课程。材料的结构、成分、制备工艺和性能，是材料科学与工程的四个基本要素。成分和结构决定了材料的性能，对材料的成分和结构进行表征，找到其与材料性能之间的构效关系，是材料学开展研究工作的基础，也是开发各种先进材料的前提。材料的结构分析包含晶体物相结构表征（晶格结构类型和晶胞参数）和物质显微结构表征（组织形貌、晶粒大小与形态和界面结构）等方面，材料的成分分析主要是探测组成材料的原子种类以及原子之间形成的化学键的种类。这些分析方法具体而言又可以分为物相分析、显微分析、成分价键分析、分子结构分析、热分析五大部分。厘清这五大部分的区别和联系，是把握课程知识体系的重要前提。

利用思维导图形式串联起课程的五大部分，能帮助学生在大脑中绘制立体的知识网络。如图1所示，思维导图贯穿凸课程内容中的5个重点章节，凸显每个章节的主要内容，将每种分析测试方法所属的分类和主要原理清晰化，章节结构一目了然，强调了各种测试方法之间的区别和联系。

2.2  思维导图有助于抓住重点和难点，提高学习能力

教师在课堂教学中，在章节知识讲授的同时，可把思维导图作为章节提纲，使学生注意力集中于重点内容，在学习复杂、大量的知识点时保持清醒的头脑。这里以透射电子显微镜（TEM）为例，说明思维导图的应用。TEM是一种重要的材料分析方法，兼具显微形貌分析和微区物相分析等多种功能。其原理是以波长很短的电子束作为照明源，利用电磁透镜放大成像，可以获得超高的放大倍数，具有非常高的分辨本领。TEM的知识涉及多个学科领域，包括晶体学、电磁学、光学、机械学等内容，需要深入理解晶体结构、电子在磁场中的运动、电子与物质的相互作用、电子衍射理论、成像原理等理论知识，知识点多，学习难度高。学生在学习过程中很难吃透全部知识内容，学习效率低。另外，传统的按照教材顺序对各知识点进行逐一讲解的教学模式，对于TEM这种信息量大的章节，学生容易跟不上教师的节奏，难以构建章节的整体知识框架，也容易遗忘学过的知识点。针对TEM章节教学和学生学习中存在的问题，将本章重要知识点制作成思维导图有助于学生整体把握章节框架，快速串联起重难点内容，可视化重难点内容，找到自己学习薄弱的环节进行重点突破。

如图2所示（p106），思维导图有助于学生在学习TEM时厘清思路，将重点内容串联起来，贯穿所有内容，强化对重点难点的掌握。首先，思维导图能把TEM原理相关的知识点更好地组织和呈现出来。在成像原理上，光学显微镜和TEM都是基于阿贝成像原理，但在光源、透镜和成像方式等方面有着明显的不同。光学显微镜使用可见光作为光源，而TEM则采用电子枪产生的电子束。TEM的透镜部分采用电磁透镜进行逐步放大，而光学显微镜则使用玻璃透镜。由于电子波的波长远小于可见光波长，TEM能获得更高的空间分辨率[3]。因此在学习TEM章节时，可先从学生较为熟知的光学显微镜引入，学习阿贝成像原理后再学习TEM，便于学生理解TEM的工作原理。

由于TEM使用电子束成像，其结构也更加复杂。从整体上看，TEM主要由电子光学系统、真空系统以及电源和控制系统三部分组成。其中，电子光学系统是实现成像的关键，包括照明系统、成像系统和观察记录系统等部分。它们通过协同作用来调控电磁透镜的焦距，实现不同倍数的成像[4]。同时，为了保证电子光学系统的正常工作，TEM还需要配备真空系统，以防止电子束发生散射或被吸收，同时保护电子枪不被氧化。电源与控制系统则为电镜的正常工作提供保障。TEM有两种工作模式，一种是成像模式，另外一种是电子衍射模式。在成像模式中，中间镜对准物镜的像平面放大成像，得到样品在正空间下的形貌像。而在电子衍射模式中，中间镜对准物镜后焦面放大成像，得到的图像是样品在倒空间的衍射花样。在分析TEM图像时，需要了解其衬度产生的原因。TEM的衬度是指图像对比度，是电子与物质相互作用时产生的，主要包括质厚衬度和衍射衬度。其中，质厚衬度是非晶态材料的主要来源，反映了物体表面特性和形貌特征。样品不同微区存在原子序数和厚度的差异，使得电子束在经过物体时会发生不同的衰减和散射，最终在像面上显示出不同的对比度。而衍射衬度则是由于样品中不同位向的晶体满足布拉格方程条件的差异造成。晶体的各晶面取向不同，导致不同晶面处的衍射强度不同，从而在像面上显示出不同的对比度。因此，TEM的衬度可以反映样品的形貌特征以及晶体各晶面的取向等微观结构特征，正确理解衬度是进行TEM分析的关键。学生结合思维导图对TEM重难点知识进行学习，有利于更好地掌握TEM的知识体系，抓住“测试原理―仪器结构―工作模式”的主线，有助于在学习该部分内容时起到事半功倍的效果。

2.3  思维导图有利于更深入理解各种分析方法的原理

虽然材料分析与测试课程涉及的表征方法繁多，但多数表征方法的核心思想在于使用特定的方法分析所研究物质的某种特性，以获取样品的微观形貌、化学成分以及晶体结构等信息[5]。为此，一般需采用某种激发源（如电子束或单色X射线）激发样品产生特定信号，并利用产生的信号探测样品的某种属性，以实现对样品的表征。借助思维导图，可以将各种分析方法的原理整理起来，直观地展示其内在联系。如图3所示（p107），图中从电子束和X射线与物质相互作用产生的几种信号出发，介绍了这几种信号产生的物理机理，阐明了这些信号在特定材料分析方法中的应用。借助图3梳理思路，可以帮助学生迅速理解每种仪器工作时使用的物理信号，这些信号的激发方式，信号中包含的与物质某种性质有关的信息，简化学习思路，厘清各种材料分析方法原理上的异同，大大提高知识的可接受度，对课堂教学有很好的辅助作用。

3  结语

本文针对材料分析与测试课程知识点多、内容繁杂、学习难度大的特点，列举了将思维导图应用于课程教学的几个实例，旨在将复杂知识体系可视化，从而能使学习内容层次化，简洁化，一目了然，帮助学生更容易接受和理解相关知识内容，充分调动学生的主动性和积极性以及学习兴趣，更高效地学习知识。在材料分析与测试的教学过程中引入思维导图有助于学生构建知识体系并建立知识的内在联系，提升学习效率和效果。

参考文献

[1]鞠洪博，益帼，喻利花.“材料近代分析方法”课程教学方法及改革与创新[J].江苏科技信息，2018，35（21）：67-70.

[2]东尼博赞.思维导图[M].北京：北京化工出版社，2015.

[3]陈凤娟，金学坤.《材料分析方法》中透射电镜教学方法的探讨[J].科技风，2020（1）：59.

[4]李霞章，王文昌，王昕，等.透射电子显微镜培训教学探索与实践[J].广州化工，2013，41（10）：212-213.

[5]田青超，陈家光.材料电子显微分析与应用[J].理化检验（物理分册），2010，46（1）：21-25，33.