基于促进观念构建的材料结构测试方法教学探索与实践

瞿晓玲 赵志广

（韶关学院 化学与土木工程学院,广东 韶关512005）

材料、能源和信息已经成为现代科学技术的三大支柱,而材料则是其中的物质基础。新材料、信息、生物技术被视为21 世纪新技术的主要标志[1]。材料科学发展水平已经成为衡量一个国家科学水平、国民经济水平及综合国力的重要标志,许多国家都把新材料的研究开发放在了优先发展的地位。随着科学技术的发展,人们对材料性能的要求日益广泛和苛刻,对材料性能及其组分和微观结构的关系越来越感兴趣,因而材料测试技术在材料研究中起着非常重要的作用。无机材料测试技术是无机非金属材料专业的核心课程,本课程主要涉及无机材料原料及产品性能的测试分析,并通过分析测试结果找出无机材料制备工艺、材料性能与结构之间的关系。学习本门课程的目的是使学生具备解决无机非金属材料工程实际问题和性能改善分析应用的能力。结合笔者自身的教学实践,基于促进观念构建的理念,针对X 射线在材料结构测试中的应用,进行了部分探索与实践。

1 明确课程学习特点

1．1 学情分析

学生已经知道材料分析的四大层次,在第一层次分析的学习过程中已经经历过材料的研究过程,具备了物相结构分析的基本思维方法。认知水平处于已有基础,需要进一步推进加高的状态。但是结构测试这一部分核心内容难度最大,需要在认知推进的过程中埋好线索,在难度最大的时候抛出前期线索帮助学生思维搭桥。

学生初次接触材料微观世界表征方法的抽象概念,尤其是对看不见摸不着的X 射线体会不深,难以理解X 射线与物质作用发生系列物理化学变化。表现在:1）发射源X 射线无形无色,学生对此陌生；2）得到的谱图并不具体,需要学生在理解原理的基础上解析才能得到有用信息。所以在前期一定要充分调动学习兴趣和探究的勇气,预埋好线索帮助抽象理解的转化过程。

1．2 主要内容

结构测试主要涉及X 射线的认识及对其性质的运用,在本门课中的作用主要是起到承上启下,教学内容难度不大,教师重点需要放在提起学生学习兴趣和坚定后面学习的信心上。因此,笔者采用微课动画认识X 射线,学生寻找、总结知识点完成第一个知识点的学习。然后讲述科学家发现和发展X 射线应用的过程,充分调动学生好奇心和求知欲,此时抛出本节课的重难点部分,教师充分引导启发学生思考,消化理解后,提出活动内容和要求,学生发挥主体作用自主探究新知识。这一部分内容对后面的工程应用起到非常关键的铺垫作用,在讲授过程中教学节奏应稍放缓,让学生对X 射线有了感性的认识,对性质理解以后,尝试让学生自主学习解决后面的部分知识点。在课程开始前,通过显微形貌照片的展示和教师提问,将学生引入更微观的世界。

图1 主要内容及内容间的逻辑关系

1．3 教学重难点

学生只有把作为后续工业探测信号的X 射线性质理解到位并熟记于心,才能学习好本部分的内容。重点采用科学小故事趣味视频播放,学生总结,教师再引导理解的方式,增加同学们对三条基本性质的长期记忆。学生的认知障碍难点在于:X射线肉眼不可见,但具有能量和波动性,能与物质作用发生衍射,并激发出电子产生信号。用这三条性质归纳出从X 射线管里发出来的X 射线有两种不同类型,其特点的不同决定了不同检测类型需要使用不同种类的X 射线。突破难点的方式为化抽象为具体,将特征谱比作人的指纹具有特征性,启发学生后让学生小组自由讨论,生生学习,汇报信息,师生总结补充完整。

2 材料结构测试的教学目标

2．1 知识与技能目标

（1）通过微课视频的观看,学生了解并总结出X射线的性质。

（2）通过引导与详细讲解,学生能够复述X 射线管的构造,高速电子与阳极靶材作用过程。

（3）学生通过小组合作讨论,能够应用波尔理论,解释特征X 射线谱的特征。

2．2 过程与方法目标

（1）通过小组讨论,学生代表演讲,学生敢于自由表达观点,学会与他人的合作与交流。

（2）从科学家的故事中,感受科学之美,明白科学并不深奥,树立起勇攀科学高峰的信念。

2．3 情感态度与价值观目标

（1）通过工程案例的分析等活动,增强学生对专业化学学习的认同感,建立严谨分析的科学态度观。

（2）通过聆听中国科学家对材料解析的经历,培养祖国自豪感和爱国主义的精神。

3 课程教学的策略设计

3．1 促进学生自主学习

认真观看科学小视频:伦琴发现X 射线的科学过程；X 射线具有的三条重要性质。通过微课视频的观看,学生了解并总结出X 射线的性质。学生从有趣的视频中寻找线索,归纳总结出X 射线的性质。从而启发学生归纳与总结,自主探究课程的内容。

3．2 教学相长

在上述基础上,讲述X 射线管的构成与发射过程,应用波尔理论解释特征X 射线谱的特征。基于教师引导,学生从X 射线管的构成与发射过程中总结出两种类型的X 射线,并派代表分类总结两种射线的特点。从而使学生学会引导与分类,加强小组讨论和同伴学习。

4 基于促进观念构建的教学过程优化设计

鉴于材料结构测试的抽象性,本课程以学生为中心,所有教学活动都是围绕促进学生自主学习来开展。课前学生看微课完成小知识点测验,老师查看学生课前任务完成情况。学生通过教学平台观看老师发布的微课讲解,完成检测。从而帮助学生了解本章知识脉络,为新知识的学习做铺垫[2]。

通过具体实例展示创设情境、引入新课。随着科学技术的进步,越来越多的检测技术和方法问世,这些技术方法推动工程领域施工、维护以及工程材料的发展与进步。X 射线技术作为一种无损检测技术,在材料研究与应用过程中发挥着重要的作用。展示石膏制品成分分析、钢结构无损检测技术的要点,让学生通过观看图片,聆听讲解,在惊诧之余,体会感悟:材料的检测技术如此重要。通过工程实例,让学生对工程结构及材料的检测产生浓厚的兴趣。

材料测试研究内容综述。通过形貌图片展示,引导学生生疑,老师顺势引题。问题1:我们通过显微镜观察,知道了材料的表观及内部样子,大家想知道这些样子的材料究竟是什么吗? 问题2:大家回忆一下我们说材料分析有哪四大层次? 所以我们接下来进入下一层次,在掌握材料形貌分析基础上,我们还需要知道所看到的东西究竟是什么,这就需要物相分析。再次引入具体案例,以TiO2单相为例,说明X 射线衍射能定性定量。以ZnO 和Y2O3混合相为例,说明X 射线衍射能进行复相分析。以轴轮的疲劳断裂为例,指出透射电镜相片及相应的电子衍射能谱能够知道微观结构中不同区域所对应的物象。通过上述教学活动:（1）启发学生学习动机。（2）利用学生的疑问,启发学生思考显微层次分析之后,我们需要分析什么。（3）增加学生以材料为研究中心的思想。（4）对学生的学术能力进行引导和开拓。（5）带领学生认识结构测试方法。（6）通过案例分析,让学生识别测试谱图。（7）以实际工程为案例对象,让学生体会到材料对社会重要性[3,4]。

突出重点,突破难点。进入微课堂,认识X 射线,提醒学生观看视频时注意总结X 射线的性质,启发学生思考在生活中遇见的X 射线有什么特征。进一步,提示学生思考如何收集X 射线,进而用于检测信号,然后讲述X 射线管构造及工作原理。接着,提问高速运动的自由电子撞击靶材会产生什么波长的X 射线,以小组讨论的形式让学生自主学习电子运动过程中能量损失导致X 射线波长不同,产生连续光谱,理解能级跃迁原理,进而尝试分析X 射线与物质相互作用的过程,得出特征射线产生原因及特点。

知识应用,回顾总结。利用特征X 射线的生成条件,启发学生如何获得单一波长X 射线,通过滤波片工作原理培养学生开放性思维。最后,学生补充具体知识点,共同总结本课学习内容。

5 总结

X 射线的性质作为课堂开篇,从科学小视频中找出线索既锻炼学生总结归纳能力,又能增加课堂趣味性。从而引出难点:X 射线管的构造和其产生两种类型的X 射线。学生在对X 射线性质掌握的基础上才能了解X 射线产生过程,进一步区分出两种性质不同的射线。最后通过实际应用,询问应该采用哪种类型的射线作为信号使用,探测学生这节课的掌握情况。

因此,知识逻辑线、学生活动线都展现得很清楚,每个学生基本都能跟上[5,6]。需要注意的是,对于工程专业学生,从宏观到微观的材料结构探究过程做一般了解揭示即可,在学术展示环节不必太深入到内观机理（适合无机非金属材料专业学生）。