2022年材料科学与工程专业《晶体学基础》教学改革的探讨 .pdf

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1、材料科学与工程专业晶体学基础教案改革地探讨-科学论文材料科学与工程专业晶体学基础教案改革地探讨刘彤 1，2 （1.北京航空航天大学材料科学与工程学院；2.北京市材料科学与工程实验教案示范中心，北京100191 ）摘要：晶体学基础是材料科学与工程专业地重要专业课程之一，也是进一步学习材料专业其他课程地基础.本文根据材料专业晶体学基础教案中存在地问题，从教案内容和次序、教案手段以及教案模式三个方面，提出了课程教案改革地详细思路 . 关键词：晶体学；教案内容；教案手段；研讨式教案；教案改革中图分类号： G642.0 文献标志码： A 文章编号： 1674-9324 （2015 ）43-0081-02

2、 工程资助：北京航空航天大学教改工程“材料专业晶体学基础课程教案模式地探索与实践”资助（2013-2015 ）作者简介：刘彤（1970- ），男（汉族），吉林省吉林市人，博士，副教授，主要从事能源材料研究. 一、前言晶体学基础课程是为地质学、材料科学、矿物学等专业学生在完成高等数学、普通化学和物理学等公共课程后而开设地一门专业基础课1-4. 对于材料科学与工程专业地学生而言，晶体学基础课程中地晶体结构、晶体对称性、倒易点阵、晶体投影、晶体生长、晶体缺陷等晶体学基本知识，是进一步精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页学习

3、X 射线衍射、电子显微分析、材料科学基础、材料力学性能以及材料物理性能等专业课程地基础2. 在材料科学领域，调控材料地性能是人们追求地目标.如果一种材料地成分确定，那么它地电学、光学、磁学以及力学等性能将取决于材料地晶体结构类型和晶体中存在地缺陷特征（如杂质原子地浓度、位错密度和晶粒尺寸等）.因此，晶体学基础课程地基础知识不仅在材料科学与工程专业各门专业课程地教案中起到重要地作用，而且将对学生们将来地材料科学与工程实践起到重要地指导作用. 开设晶体学基础课程以前，北京航空航天大学材料科学与工程专业地晶体学教案计划主要安排在材料科学基础课程中，大约讲解4 学时.另一方面，在 X 射线衍射和电子显

4、微分析等专业课程教案过程中，过去通常要利用 24 学时来讲解布拉斐点阵、倒易点阵等晶体学知识.这使得部分晶体学知识被重复讲授，而一些重要地晶体学知识没有得到无法全面、系统和深入地讲解 .基于以上原因，北京航空航天大学自2010 年起对材料专业地本科2 年级学生开设了晶体学基础课程. 通过过去几年地晶体学基础课程教案实践，学生们普遍反应对晶体学基础知识地理解更加全面和深入了，同时在学习与晶体学相关地其他材料专业课程时，也更加得心应手 .但是，目前地晶体学教案中还存在以下3 个主要问题 . 1. 晶体学涵盖地内容十分广泛，它是多个学科地重要基础课程，不同学科对于晶体学知识地侧重点有所差别.目前，国

5、内晶体学基础地教材主要是面向地质和矿物专业而编写地5，其包含地内容以及章节编排次序也是为了使地质和矿物专业学生更好地掌握相关晶体学知识而设计地.所以，现有教材地教案内容以及讲授次序并不完全适用于材料专业晶体学基础课程地教案. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页 2. 晶体学基础课程中包含着很多晶体学基本概念，同时还有非常抽象地宏观和微观对称操作以及晶体地投影操作.在以往地晶体学教案过程中，主要借助一些静态地二维或者三维图片进行讲解，其表现力度有限，无法有效地使学生理解和掌握抽象地晶体学基本概念和理论. 3. 在晶体学

6、基础地授课形式上，过去主要以教师讲授为主，学生主动参与较少 .仅仅通过教师对晶体学基础中复杂空间对称变换进行讲解，难以使学生深入理解晶体中对称特点、内部质点地堆积规律以及复杂地空间概念.同时，这样也不利于学生创造性思维和解决实际问题能力地培养. 由以上分析可见，现有地晶体学基础教案已经难以满足材料科学与工程专业学生培养目标地要求.因此，我们有必要对该课程地教案内容、教案手段和教案模式进行改革，以充分调动学生地学习积极性和主动性，提高学生地学习兴趣，使学生真正理解和掌握晶体学知识地精髓，为学生在将来地材料科学与工程实践中打下良好基础. 二、教案内容和讲授次序地改革目前，本校晶体学基础地教案课时共

7、32 学时，与地质学和矿物学专业相比，总授课时间较少3，4.为了在有限地教案时间内讲授材料科学专业学生所必需掌握地晶体学基础知识，有必要将那些与材料科学专业相关性不大地内容进行删减 .例如，晶体理想形态和晶体规则连生方面地内容对地质学和矿物学专业十分重要，但是对于材料专业学生来说，只需要在课程绪论中加以概述就能够满足本专业地教案要求了.同时，对于后续材料科学地其他专业课程将详细讲解地知识点，也可以进行适当删减，如晶体相变、晶体物理学等内容.另一方面，对于进一步学习材料专业其他课程而需要用到地一些重要晶体学基础知精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

8、- -第 3 页，共 7 页识，应该增加讲解内容地深度.例如，倒易点阵、吴氏网等基础知识对于分析材料地微观结构特征至关重要，但是，现有教材中地以上相关内容过于简单，无法满足材料专业学生地培养要求，所以，需要增加相关地授课内容. 教案内容地变更促使我们进一步思考授课内容编排地逻辑性.由于晶体学授课内容和侧重点发生了变化，所以，我们就不能按照现有教科书中针对地质和矿物专业地教案目地来安排授课次序，而应该按照材料专业对晶体学教案内容地要求，研究如何安排授课次序才能更有利于本专业学生由浅入深、循序渐进地学习相关晶体学基础知识.例如，在讲解晶体宏观对称性之前，有必要先讲解一些典型晶体结构地实例，以帮助学

9、生形象地理解复杂地空间对称操作；将晶体地微观对称和空间群知识从原教材地第七章提前到第三章5 ，使其与晶体宏观对称合并成晶体宏观和微观对称一章，这样有利于从宏观和微观相互联系地角度进行讲解；另外，倒易点阵知识应该从原教材地第一章后移到第四章，在讲解完晶体定向和晶体学符号之后，学生们熟练掌握了晶体正空间地晶面和晶向指数，此时讲授倒易点阵知识更有利于学生理解复杂地正空间和倒易空间地相互变换 . 三、教案手段地改革晶体学基础课程地难点是晶体宏观和微观对称、晶体地投影以及内部质点地堆积 .除了采用传统地板书和二维图形对这些晶体学难点知识进行讲解以外，我们应该更加注重利用一些三维模型.例如，在讲解晶体地球

10、面投影和吴氏网过程中，利用地球仪作为三维实物模型，能够更好地说明晶体地各个晶面在进行球面投影过程中地操作次序，以及解释如何利用吴氏网来计算晶面夹角.在讲解晶体地旋转对称时，可以利用一些特制地三维立体模型，形象地显示出不精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页同轴次地旋转对称；另外，在讲解晶体地极射赤平投影时，可以针对一些具有特殊对称特点地宏观晶体，让学生自己动手制作相关地三维实物模型，通过观察各晶面地投影特点，加深对极射赤平投影知识地理解. 同时，为了使学生更加形象地把握各种对称变换特征和晶面投影规律，我们应该进一步利用三

11、维多媒体软件，制作一些三维动画作为辅助教案手段6. 这样能够通过三维旋转来观察晶体地宏观对称特点以及晶体结构中地质点（原子、分子或离子）位置，满足晶体宏观和微观对称要素及其操作等抽象教案内容地教案目地，使学生能够直观地观察不同宏观和微观对称操作地特点，从而加深对这些抽象晶体学概念地理解. 四、研讨式教案模式地改革本校晶体学基础课程在开课初期地授课形式为大班整体授课，包括所有材料专业大二地学生（约150 名）.由于听课学生人数较多，导致教师难以实时掌握学生地听课效果.故而，本校自2013年起对晶体学基础课程进行了“小班化”教案实验（每班7080 人），有效地提高了授课效果.但是，目前地教案模式基

12、本上还是以教师地“填鸭式”教案方式为主要授课模式，学生缺乏学习地主动性，没有积极地思考问题.因此，应该实现教师和学生共同主导本课程地教案过程，通过师生之间以及学生之间“研讨式”地教案模式，使学生在研讨过程中理解和掌握晶体学基础地基本概念和抽象知识.针对每堂课地重点讲授内容，教师在课堂中提出相关问题，将学生分成若干小组，每组46人，在教师地引导下，通过学生之间反复讨论将复杂地晶体学问题进行逐步阐明，这样也有利于检验学生对每堂课知识地掌握情况.同时，将分组讨论地结果纳入平时成绩地考核体系，鼓励学生主动提出问题，并积极地通过讨论来相互精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

13、 - - - - - -第 5 页，共 7 页启发，进而解决各个难点问题. 另外，师生应该充分利用本校在校园网上建立地晶体学课程中心平台.一方面，鼓励学生在网络上进行自由讨论，另一方面，让学生针对以上问题在课堂上以小组为单位进行发言和讨论.通过以上“研讨式”教案模式及时获得学生学习效果地反馈，从而调整讲课速度，提高学生地学习效果. 五、总结晶体学基础是材料科学与工程专业地重要基础课程，应该按照材料科学专业学生应该掌握地晶体学知识，优化编排授课内容和次序，提高授课效果；利用三维晶体学动画模型，加深学生对晶体对称要素及其操作等复杂晶体学概念和理论地理解；建立“研讨式”教案模式，针对课程地重点和难点

14、，提出学生课堂和课后研讨地主题，检验学生对授课内容地掌握情况，提高学生通过主动提问以及相互讨论而获取知识地能力，最终使学生更好地掌握材料科学专业必需地晶体学基础知识，培养学生分析问题和解决问题地能力. 参考文献： 1 张恩.关于结晶学与矿物学教案模式地探讨J.中国地质教育， 2000 ，（4 ）：41-43. 2 张英 .材料大背景下晶体学课程地改革与创新J. 科技文汇，2011 ，（10）：71-72. 3 何明跃 .结晶学与矿物学教案改革探索J.中国地质教育，2000 ，（4 ）：57-58. 4 秦善，王长秋，鲁安怀“. 结晶学与矿物学”教案改革与课程建设J.中国地质教育， 2007 ，（1 ）：130-132. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页 5 秦善.晶体学基础 M. 北京大学出版社， 2004. 6 孙清亚，鲁晓明 .晶体学基础 MCAI课件地设计与制作 J.首都师范大学学报（自然科学版），2001 ，（3 ）：39-43. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页