晶體學(xué)理論課程去抽象化教學(xué)改革探索

晶體學(xué)理論課程去抽象化教學(xué)改革探索

晶體結(jié)構(gòu)是要求學(xué)生和研究生掌握重要的基礎(chǔ)理論。在材料專業(yè)核心課程材料科學(xué)基礎(chǔ)或金屬學(xué)中會(huì)首先講授晶體結(jié)構(gòu)學(xué)原理，該部分知識(shí)點(diǎn)同后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容有密切關(guān)聯(lián)晶體學(xué)理論課程內(nèi)容抽象，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象力本文旨在總結(jié)晶體學(xué)理論課程團(tuán)隊(duì)在課程建設(shè)過(guò)程中面臨的問(wèn)題和教學(xué)改革中的一些有益思路和措施，作為下一步課程繼續(xù)完善的參考，并為同類院校提供借鑒。一、本課程的研究與培訓(xùn)(一)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)不一原則上，晶體學(xué)理論的授課對(duì)象為已修完材料類本科基礎(chǔ)課程的碩士研究生，具備基礎(chǔ)的晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)知，以及必要的材料學(xué)及其它相關(guān)專業(yè)課基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)際情況是，碩士生源的專業(yè)背景范圍寬，學(xué)術(shù)基礎(chǔ)不一(類似情況也或多或少存在于其它大部分高等院校)。部分學(xué)生僅在本科階段學(xué)習(xí)過(guò)少量材料類課程，甚至未修習(xí)過(guò)諸如材料分析測(cè)試技術(shù)等專業(yè)課程。鑒于此，適度引入過(guò)渡性預(yù)習(xí)類教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于新知識(shí)的接受十分重要。例如，講解晶體結(jié)構(gòu)X射線分析原理前，簡(jiǎn)要介紹X射線特征及衍射原理；在學(xué)習(xí)晶向和晶面等價(jià)特性之前，簡(jiǎn)要介紹晶向和晶面的表達(dá)方式；在介紹位錯(cuò)彈性性質(zhì)之前，簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)位錯(cuò)的基本知識(shí)等。由于教學(xué)課時(shí)的限制，引入內(nèi)容不可能過(guò)分展開(kāi)，課前預(yù)習(xí)是必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)課前預(yù)習(xí)和過(guò)渡教學(xué)，學(xué)生反映對(duì)新課程的接受程度大大提高。(二)其他抽象推演全國(guó)有超200余所高等學(xué)校招收材料類專業(yè)本科生以晶體學(xué)32種點(diǎn)群為例，考慮晶體平移對(duì)稱性的限制，從單純幾何角度證明晶體中獨(dú)立點(diǎn)對(duì)稱元素的所有組合只能有32種是正確無(wú)誤的課程設(shè)置中去除的抽象內(nèi)容還包括晶面間距，晶面夾角等公式推導(dǎo)，結(jié)構(gòu)因子數(shù)學(xué)推導(dǎo)，空間群詳細(xì)推演，取向分布函數(shù)數(shù)學(xué)過(guò)程等。上述內(nèi)容均為已被嚴(yán)格證明是正確無(wú)誤的，盡管深入理解這些抽象推演對(duì)于掌握晶體結(jié)構(gòu)原理的作用不言而喻，但從解決實(shí)際工程問(wèn)題的角度，掌握其應(yīng)用即可。上述內(nèi)容并非完全刪除，而是盡可能淡化冗繁的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，其中的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系并非簡(jiǎn)單的刪除。例如，對(duì)于取向分布函數(shù)，著重介紹其含義，取向分布函數(shù)同極密度分布的關(guān)系，以及級(jí)數(shù)展開(kāi)法求解的簡(jiǎn)要數(shù)學(xué)原理。對(duì)于純粹的數(shù)學(xué)運(yùn)算及推導(dǎo)進(jìn)行去除處理，強(qiáng)調(diào)邏輯關(guān)系，淡化純粹數(shù)學(xué)推導(dǎo)的教學(xué)改革促進(jìn)了去抽象化。(三)結(jié)合本項(xiàng)研究的案例進(jìn)行分析方法單純的理論知識(shí)點(diǎn)除了抽象之外，還會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生枯燥乏味的感覺(jué)。在講授知識(shí)點(diǎn)時(shí)，采用聯(lián)系實(shí)例的方法，除了同知識(shí)點(diǎn)相互印證，還可以有效地去抽象化。例如，講授如何識(shí)讀國(guó)際晶體學(xué)表時(shí)，以某一種常見(jiàn)或者結(jié)合本校科研方向之一有特色的金屬為例，適當(dāng)穿插部分實(shí)際科研項(xiàng)目。再如，在介紹晶系分類同點(diǎn)對(duì)稱特征的邏輯關(guān)系時(shí)，以具備立方晶系單胞邊角關(guān)系、但實(shí)際應(yīng)為三斜晶系的FeS為了鍛煉學(xué)生分析實(shí)際問(wèn)題能力，強(qiáng)調(diào)了分析實(shí)例的引入。例如，對(duì)于多晶X射線衍射，針對(duì)某一事先未知的材料(如Ti，Mg)，結(jié)合消光規(guī)律、特征晶面間距的比例關(guān)系，通過(guò)實(shí)測(cè)譜線解析和排除，推斷其所屬晶系。類似的實(shí)際分析訓(xùn)練同基礎(chǔ)知識(shí)緊密結(jié)合(需要學(xué)生對(duì)X射線的原理、消光規(guī)律、特征晶面間距較為熟悉，并進(jìn)行一定的歸納)，鍛煉了實(shí)際問(wèn)題分析能力，降低了純理論知識(shí)的抽象感，提高了收獲感。(四)電子背散射衍射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充。晶體學(xué)含有大量貼近實(shí)際的理論及應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)，降低理論知識(shí)的抽象性，提高學(xué)生分析能力。為了培養(yǎng)通過(guò)X射線解析實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的分析能力，開(kāi)設(shè)了X射線多晶衍射實(shí)驗(yàn)課程。為了加強(qiáng)對(duì)多晶體織構(gòu)及測(cè)試原理的理解和分析，開(kāi)展了X射線反射法多晶體織構(gòu)測(cè)試及分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為了鞏固對(duì)晶體界面取向差特征的理解，開(kāi)展了電子背散射衍射檢測(cè)原理及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)同理論教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的分析練習(xí)和結(jié)果討論。需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置同材料分析測(cè)試技術(shù)課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)并不相同，更加重視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同晶體學(xué)理論的結(jié)合，以及實(shí)際應(yīng)用分析。例如，X射線多晶衍射實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)衍射強(qiáng)度的變化，著眼點(diǎn)在于衍射強(qiáng)度背后的結(jié)構(gòu)因子及消光規(guī)律的晶體學(xué)原理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及側(cè)重點(diǎn)與材料分析測(cè)試技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)并不重復(fù)，是進(jìn)一步的延伸二、構(gòu)建課前有效訓(xùn)練和課外主動(dòng)訓(xùn)練的模式一是圖形化。晶體學(xué)理論教學(xué)涉及大量晶體結(jié)構(gòu)的空間排布，要求具有空間想象力。為克服抽象特征，所有能采用圖像表達(dá)的內(nèi)容均配以圖像演示。對(duì)于一些不容易表達(dá)的立體圖像采用多個(gè)方向投影圖的形式進(jìn)行演示。教學(xué)中也采用一些專業(yè)軟件以顯示立體空間效果，如CrystalMaker、Diamond等軟件，幫助學(xué)生理解空間概念。二是引入課堂討論。課堂教學(xué)中部分內(nèi)容采用討論的方式進(jìn)行，一方面督促學(xué)生溫習(xí)和練習(xí)所學(xué)內(nèi)容；另一方面，給學(xué)生學(xué)以致用的體驗(yàn)。通過(guò)討論的形式提高學(xué)習(xí)積極性和收獲感，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析大大降低了單純理論的抽象感。例如，在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)因子造成的消光規(guī)律時(shí)，介紹基本原理及某些特征點(diǎn)陣類型的消光規(guī)律(如簡(jiǎn)單立方和面心立方)，提出不同類型點(diǎn)陣消光規(guī)律特征及差異(如體心立方和B2結(jié)構(gòu))，并提供典型實(shí)際樣品的X射線衍射數(shù)據(jù)，以互動(dòng)的方式推導(dǎo)其消光規(guī)律，并對(duì)照實(shí)際X射線衍射消光峰進(jìn)行分析。課堂討論還結(jié)合文獻(xiàn)案例，將所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行互相驗(yàn)證和分析的討論。以服務(wù)研究生科研工作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)置了一些不同的分析和討論專題。例如，在學(xué)習(xí)極圖表達(dá)多晶體取向的內(nèi)容后，提供5篇左右近期相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)互動(dòng)形式對(duì)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并同文獻(xiàn)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)文獻(xiàn)中一些不正確或者不全面的結(jié)論進(jìn)行評(píng)判。在課堂討論中，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)各自研究方向文獻(xiàn)中的實(shí)際疑惑進(jìn)行提問(wèn)和討論，對(duì)學(xué)生實(shí)際科研能力的提升有較好的作用。三是針對(duì)性的課后訓(xùn)練。適當(dāng)?shù)恼n后練習(xí)對(duì)于鞏固所學(xué)知識(shí)有重要的促進(jìn)作用。為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用分析能力，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置了一系列從實(shí)際工程問(wèn)題分析出發(fā)的課后練習(xí)。例如，給出晶體結(jié)構(gòu)的基本信息，進(jìn)行實(shí)際多晶金屬X射線衍射譜線的理論計(jì)算。在電子背散射衍射實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算實(shí)際兩個(gè)取向的取向差(給出取向信息，并考慮取向的等價(jià)性)，面織構(gòu)含量的簡(jiǎn)要計(jì)算分析等。三、研究生工程化背景下的教學(xué)改革建議隨著中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展，扎實(shí)的晶體學(xué)理論基礎(chǔ)對(duì)于材料專業(yè)研究生日益重要。抽象性強(qiáng)是晶體學(xué)理論課程的最大特點(diǎn)和難點(diǎn)