晶体结构和孪生变形教学方法探索

1、 晶体结构和孪生变形教学方法探索 材料科学基础是一门讲述金属与合金的成分、 结构、 组织与 性能之间的内在联系以及在各种条件下变化规律的课程， 既有较 强理论性，又要为后续各有关专业课打基础 1 。随着高等教育 教学改革研究和实践的不断深入， 各高等学校材料成型及控制工 程专业材料科学基础对教学方法和教学手段都在不断探索和改 革2 。近年来，江苏科技大学从拓宽教学内容、更新知识体系、 优化教学方法、 网络课程建设、 完善实践教学等方面对材料基础 课程提出了建设需要。作为材料科学基础的理论与实验课教师， 我在思考如何利用学校教学改革的契机， 针对材料科学基础教学 中出现的问题探索新教学方法， 达

2、到提高教学质量的课程建设目 标。 1 材料科学基础课程的教学现状 我校材料成型及控制工程专业的材料科学基础主要面向铸 造和焊接方向的学生， 课程是从原来的金属学及热处理课程拓宽 而来，主要分为晶体学、结晶学、相变、塑性变形、扩散、热处 理原理与工艺等部分。 从几年的教学和考试经验来看， 晶体结构 部分， 我校学生对金属的空间结构较容易理解， 但与空间结构结 合起来的堆垛方式和层间间隙学生的理解较为困难。 后面几个章 节涉及晶体结构内容最多的是晶体的塑性变形， 在塑性变形的学 习中，学生能够很好的理解晶体的滑移过程中的变形面和变形方 向。但对孪生变形，学生反映对书内介绍的切变过程、切变区与 未切

3、变区的分界面、 发生均匀切变的孪生面、 孪生面切动的孪生 方向等内容看不懂。 特别难以理解的是孪生变形中均匀切变的晶 面与孪生面的关系及变形区与未变形区的镜面对称关系。 2 课堂教学方法的创新 2.1 课堂设计 针对材料科学基础教学中出现的晶体结构和孪生变形教学 难点，在课堂上动画展示晶体结构堆垛方式和孪晶变形的基础 上，探索让学生操作模型的方式增强学生的感知， 模型利用科研 中研究原子之间位向关系的磁力棒（带钢球）和波波球组建。波 波球用于展示晶体堆垛模型， 磁力棒用于展示孪晶变形模型。 堆 垛模型为颜色不同的并分组粘牢的波波球， 分为三个一组、 六个 一组、单个一组两种。 孪晶变形模型为用

4、磁力棒及钢球排列出的 面心立方 110 面的点阵结构，变形区用不同颜色的磁力棒以区 别于变形区。 2.2 课堂教学实践 讲述晶体结构时， 首先动画演示堆垛方式， 面心立方与密排 六方的密排 111 与（ 0001）原子排列情况完全相同，由（ 0001） 面沿001方向按ABAB顺序堆垛即为密排六方结构。 以（111） 面逐层堆垛按ABCABC顺序堆垛的即为面心立方结构。 之后尝试让同学们自己堆垛出两种空间结构。 将已用胶水粘 牢按颜色分组的波波球模型发给学生， 每组学生发放六个一组的 模型三个，三个一组的模型两个，三个一组的两个。要求学生根 据动画按ABCAB顺序堆垛出面心立方模型，按ABAB

5、顺序堆垛出 密排六方模型。 之后再让同学们用现有的波波球自己堆垛出一个 面心立方和密排六方晶胞。 对堆垛理解不深， 开始时摆不好学生 在堆垛成功后，反映完全理解了堆垛的方式。 在堆垛好面心立方晶胞后，让同学观察球与球之间的间隙。 然后给学生讲述实际金属中这些间隙的重要性， 其数量、 大小及 位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都很重要。 在讲述孪生变形时， 首先将孪生变形前后的两个晶格模型展 示给学生。 介绍钢球代表原子的中心， 磁力棒代表晶格中连接阵 点的直线。每组同学发放一个用磁力棒和钢球排列好的正面为面 心立方 110 面的晶格， 告诉学生 110 面不是孪生面， 而是发生 变形的晶

6、面， 而变形的晶面上用不同颜色的磁力棒展示的为孪生 变形区。 通过观察立体的变形区， 学生很快找到了变形区和未变 形区的界面孪生面。并且根据孪生面，指出了孪生方向。之后让 学生自己尝试孪生变形操作， 孪生变形过程较为复杂， 但通过指 导，大部分学生完成了对变形区的变形。 2.3 教学总结 通过形象直观的模型引出教学内容的教学方法优化加深学 生的印象， 促进了学生对晶体结构和孪生变形的理解。 大部分学 生反映五颜六色的波波球堆垛模型很吸引他们的兴趣， 他们反映 对模型排列的实践像是在做游戏， 同时，让他们更好的理解了晶 体的空间结构。 对于孪生变形， 作业和测验情况显示学生对孪晶 变形特征的表述方法更多了， 不再是单纯的书本上的表述， 而过 去测验中大部分学生难以找到变形区与未变区镜面对称的两部 分晶体， 大部分学生在测验中找到了， 说明大部分学生真正