探究式教学法在二元系统相图教学中的应用探讨＊

龙 梅 张 晶 王腾飞 杨小慧 向 力 罗胜耘 杨吟野

（贵州民族大学材料科学与工程学院，贵州 贵阳 550025）

相图是用来描述多相系统材料相的状态如何随温度、压力及成分等变数在平衡状态下的变化关系图，在研制、开发新材料，制订材料生产和处理工艺，预测材料性能等方面具有重要作用。通过课程学习，帮助学生掌握相图的关键原理、主要特征和基本功能，使学生具备成为高级技术型人才应备的相图技能。然而，由于相图的复杂和抽象性，易使学生遭遇学习挫折，造成抵触心理，排斥状态严重。因此，采用探究式教学模式，以学生“学”为中心，在教师引导下，通过科学实验探究的过程和方法建构知识[1]。具体以二元系统相图中最基本的匀晶相图为重点，通过“设计实验—演示实验过程—分析实验结果”方式，激发学生的学习兴趣，化解畏难情绪，使学生从知识的本质上理解相图知识、运用相图知识。

一、温故“立”新，设计实验

首先，借助学生上学期修读的《物理化学》中理想二元混合液体相图，复习相图的基本组成，引导分析二组元体系固体材料相图的研究对象与研究对象特点。明确常用二元系统固体相图是用来表示在保持系统压强不变的条件下，二元合金材料相态、温度和成分之间的关系，并以铜镍合金相图为例设计实验内容。其次，引导学生了解实验内容主要围绕铜镍合金的组成、温度以及相态的变化，准确测定各成分铜镍合金的相变临界点是建立相图的关键。具体可采用热分析法通过测定一系列已知成分熔融铜镍合金的冷却曲线，找出铜镍合金的相变临界点绘制铜镍二元合金系统相图。

二、视频演示，体验实验过程

利用线上视频资源，展示铜镍二元合金相图的绘制实验，让学生直观体验绘制二元铜镍合金相图的过程，通过了解铜镍二元合金相图的来源加深对二元合金系统相图的理解。如图1所示，实验演示中，首先配制一系列不同组成铜镍合金以及纯铜和纯镍样品，然后置于坩埚中加热熔化后，利用热电偶测定液态铜镍合金样品缓慢冷却过程中温度，以时间为横坐标温度为纵坐标作图，所测得温度与时间的关系曲线即为冷却曲线。之后找出样品冷却曲线上相变临界点温度，其中，纯铜和纯镍合金冷却曲线中的平台即为相变临界点温度；铜镍合金样品冷却曲线中的拐点即为相变临界点温度，两个拐点之间为液相逐渐向固相转变，此时固液两相同时存在。最后将各相变临界点温度投到相应的以铜镍合金组成为横坐标、温度为纵坐标的图中，即可获得铜镍二元合金系统相图。

图1 铜镍合金二元系统相图绘制实验过程示意图

三、师生互动，分析实验结果

结合实验演示所得相图，以分析实验结果方式讨论并剖析所得二元铜镍合金相图。首先，用图形方式呈现实验结果，带领学生一起动手绘制纯铜、镍以及不同组成铜镍合金的步冷曲线示意图，将步冷曲线图中相变临界点温度在二元铜镍合金相图中标出，连接各点绘制相图，让每一个学生参与课堂实践，同时弥补多媒体教学“看似理解，动则不会”的不足，通过亲手绘制方式加深学生对二元合金系统相图的理解。然后，讨论所得相图横纵坐标、相图中的点、线、区分别代表什么意义；归纳二元铜镍合金系统相图的特点，进而引出匀晶相图的概念以及其他类型的二元合金相图。之后，结合铜镍合金的不同应用需求，利用铜镍二元合金相图找出最佳铜镍合金组成为例简要说明该相图的应用。最后，引导学生感受科学探究过程中的喜悦，体会理论源于实践并指导实践的思想。

结语

通过利用实验探究法，以科学实验研究方式引导学生进入二元系统相图学习，可以更好地吸引学生的注意力，在实验演示过程中不知不觉地掌握和理解二元合金相图的获得过程、表示和建立方法以及特点。同时，通过将二元铜镍合金相图绘制实验与匀晶相图理论相结合，让学生体验科学实验研究过程中实践与认识的辩证关系，点燃学生的探索热情和科学研究兴趣。