閆平科 高玉娟 盧智強(qiáng) 薛國梁 趙永帥

摘 要 為了形象地理解理解晶體及不同礦物的分子結(jié)構(gòu)，論文利用CrystalMaker Demo構(gòu)建晶體及礦物分子結(jié)構(gòu)，通過形象生動的教學(xué)展示，增加學(xué)生對結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)授課內(nèi)容的理解與掌握，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞 CrystalMaker Demo軟件 結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué) 教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of CrystalMaker Demo in Crystallography

and Mineralogy Teaching

YAN Pingke， GAO Yujuan， LU Zhiqiang， XUE Guoliang， ZHAO Yongshuai

（College of Mining Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract In order to understand the image and understanding of the molecular structure of crystals of different minerals thesis CrystalMaker Demo build crystal and molecular structure of the mineral， through vivid display of teaching， increase student lectures crystallography and mineralogy understanding and mastery， and inspire students interest in learning.

Key words CrystalMaker Demo； software； crystallography and mineralogy； teaching

0 前言

為了改變以往以教學(xué)過程中以教師為中心，以講授為主的教學(xué)方法和模式， 積極探索對專業(yè)課程的新的授課模式和方法，讓學(xué)生對課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到“愿學(xué)、樂思”，最終激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程的教學(xué)改革，已經(jīng)有相關(guān)研究者進(jìn)行了這方面的研究探索。①②③④⑤⑥⑦本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，借助CrystalMaker Demo軟件研究分析晶體結(jié)構(gòu)及礦物的物化性質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

1 結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程的教學(xué)難點(diǎn)

（1）結(jié)晶學(xué)部分名詞多，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理解困難。在結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程中，特別是在結(jié)晶學(xué)部分，涉及到了大量的名詞，在晶體對稱的學(xué)習(xí)過程中，需要掌握47種單形的特征、對稱要素及其對稱型。在教學(xué)過程中，需要學(xué)生借助不同晶體形態(tài)、對稱規(guī)律的模型建立空間概念。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱菔揪w的對稱型，不能清晰、直觀地表示出不同晶體模型的對稱要素的位置及其對稱型，學(xué)生在短暫的授課時(shí)間內(nèi)能夠完全理解不同晶系晶體的特征尚且存在一定的困難。

（2）不同大類礦物結(jié)構(gòu)迥異，同一大類礦物結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜多變。在學(xué)習(xí)過程中，特別是在礦物學(xué)部分學(xué)習(xí)時(shí)，不同的大類礦物具有不同的結(jié)構(gòu)，如硫化物大類礦物晶格不是典型的離子晶格，其化學(xué)鍵由離子鍵向金屬鍵和共價(jià)鍵過渡。絕大多數(shù)氧化物的晶體結(jié)構(gòu)是陽離子做等大球體最緊密堆積（立方或六方），陽離子則位于陽離子形成的八面體或四面體空隙中。

在含氧鹽大類礦物中，島狀硅酸鹽亞類中的硅氧骨干為四面體和雙四面體，層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的絡(luò)陰離子為層狀硅氧骨干。二者雖同屬含氧鹽大類，但其亞類結(jié)構(gòu)仍舊差異很大，在學(xué)習(xí)過程中，僅通過講授的方式很難掌握不同礦物結(jié)構(gòu)的區(qū)別。

2 CrystalMaker Demo軟件自身的特點(diǎn)

CrystalMaker Demo是一個(gè)功能全面的科學(xué)程序，界面友好，操作簡單。便捷、靈活的CrystalMaker 能夠容易地載入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相片型的圖形，戴上紅/藍(lán)眼鏡，還可以感受立體三維畫面，親臨分子結(jié)構(gòu)當(dāng)中。建立的模型能夠通過設(shè)置，顯示個(gè)別原子，鍵和多個(gè)側(cè)面。全面的互動 CrystalMaker 包括實(shí)時(shí)操作和編輯、設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的能力，同時(shí)，CrystalMaker可以顯示超大的結(jié)構(gòu)，直到20億個(gè)原子、鍵和晶體側(cè)面自動計(jì)算，可選擇輸出鍵長以及誤差傳遞，而且可以直接觀察團(tuán)簇表面，是非常理想的科研和教學(xué)的輔助軟件。

1a架狀晶體結(jié)構(gòu)（金剛石） 1b 層狀晶體結(jié)構(gòu)（石墨）

圖1 晶體結(jié)構(gòu)圖

3 CrystalMaker Demo軟件在結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)教學(xué)課件中的應(yīng)用

3.1 CrystalMaker Demo在晶體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

在教學(xué)過程中，借助CrystalMaker Demo晶體軟件，可以形象生動地演示不同晶體的晶體結(jié)構(gòu)，如金剛石和石墨晶體結(jié)構(gòu)。金剛石晶體屬于等軸晶系，每個(gè)碳原子與相鄰四個(gè)碳原子以共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)，形成牢固的架狀結(jié)構(gòu)。石墨晶體屬于六方晶系，碳原子呈層狀排列，決定了石墨的片狀形態(tài)，而層內(nèi)每個(gè)碳原子則以共價(jià)鍵相連接。通過晶體結(jié)構(gòu)的比較，可以形象、直觀地掌握不同晶體結(jié)構(gòu)的特征。

3.2 CrystalMaker Demo在礦物大類比較中的應(yīng)用

CrystalMaker Demo軟件可以形象地展現(xiàn)不同礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，如綠柱石的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和。在綠柱石晶體結(jié)構(gòu)中，六方晶系結(jié)構(gòu)中的絡(luò)陰離子[Si6O18]12-環(huán)沿著C軸相疊形成巨大的管道，陽離子位于管道間把各絡(luò)陰離子聯(lián)結(jié)成牢固的晶格（圖2a）。在白云母的層狀結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)單元層由兩個(gè)硅氧四面體片夾一層陽離子組成，其結(jié)構(gòu)單元層包括兩個(gè)四面體片和一個(gè)八面體片（圖2b）。通過晶體結(jié)構(gòu)的演示，增加學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)的理解，激發(fā)其對晶體結(jié)構(gòu)探知的興趣。

2a 環(huán)狀結(jié)構(gòu)（綠柱石） 2b 層狀結(jié)構(gòu)（白云母）

圖2 含氧鹽不同亞類礦物結(jié)構(gòu)

4 CrystalMaker Demo在對教學(xué)效果的作用

4.1 寓靜止于動畫，達(dá)到趣味教學(xué)目的

CrystalMaker Demo軟件可以實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)在三維空間的旋轉(zhuǎn)播放，能夠?qū)⒃眷o止的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樯衿娴膄lash動畫效果，能夠從不同的角度去觀察晶體，從而了解不同晶體晶面的特點(diǎn)。通過在教學(xué)過程中使用CrystalMaker Demo軟件的晶體旋轉(zhuǎn)播放，增加學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。達(dá)到趣味教學(xué)的目的。在授課過程中，采用課件授課，改變傳統(tǒng)意義上的“一根粉筆、一塊黑板”的授課模式，利用色彩及靈活的晶體及礦物結(jié)構(gòu)的展示形式，讓原本枯燥的授課內(nèi)容變得活潑有趣。寓平淡的授課內(nèi)容于神奇的色彩，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4.2 化抽象于具體，提高學(xué)生理解能力

由于結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程中，晶體及礦物種類繁多，晶體結(jié)構(gòu)亦各不相同。同時(shí)，由于對晶體結(jié)構(gòu)的理解，需要極強(qiáng)的空間想象能力。如果僅憑借傳統(tǒng)的教學(xué)授課模式，是很難讓學(xué)生理解這些結(jié)構(gòu)之間的差異的。通過CrystalMaker Demo軟件展示不同晶體結(jié)構(gòu)，并對比較相似的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對，掌握各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。借助動畫旋轉(zhuǎn)，獲取晶體不同晶面、不同空間方向的結(jié)構(gòu)特征，在授課中實(shí)現(xiàn)化抽象于具體，從而形象生動地講授知識要點(diǎn)，并提高學(xué)生對該內(nèi)容的理解能力。

4.3 親自動手建模，提高學(xué)生認(rèn)知能力

在結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)的授課過程中，對學(xué)生培養(yǎng)的目的，不僅要使學(xué)生認(rèn)識和理解不同晶體及礦物的晶體結(jié)構(gòu)，而且更重要的是讓學(xué)生了解晶體空間對稱型及晶胞參數(shù)對晶體的形態(tài)具有極其重要的影響。為了讓學(xué)生有一個(gè)全面的深刻的認(rèn)識，利用CrystalMaker Demo軟件，讓學(xué)生親自動手，構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，并通過參數(shù)的改變，分析會對晶體結(jié)構(gòu)有什么影響。通過前后晶體結(jié)構(gòu)的比對，弄清楚晶體的對稱性的本質(zhì)及晶體晶胞參數(shù)對晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶形態(tài)的影響，從而提高學(xué)生對晶體結(jié)晶行為的認(rèn)知能力。

5 結(jié)語

利用CrystalMaker Demo軟件制作晶體動畫，不僅有助于學(xué)科知識的表達(dá)和傳播，使學(xué)生更加深刻地理解所學(xué)的知識，而且能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)效果，同時(shí)課件能夠增加生動的藝術(shù)效果，賦予原本枯燥的抽象的教學(xué)內(nèi)容于生動形象的神奇色彩。通過在結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程中應(yīng)用CrystalMaker Demo軟件，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)生動授課與趣味學(xué)習(xí)的統(tǒng)一。

注釋

① 韓曉紅，郭麗，馮婕，等.Flash動畫在CAI 課件中的應(yīng)用[J].改革與開放，2011：19.

② 孫印杰，李春暉，封新亞.新世紀(jì)多媒體CAI 課件制作培訓(xùn)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

③ 趙虹，黨犇.“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”課程教學(xué)改革研究[J].中國地質(zhì)教育，2012（2）：79-81.

④ 汪立今，木合塔爾· 買買提，劉曉疆，等.“結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)”課程教學(xué)改革探索[J].中國地質(zhì)教育，2008（2）：52-55.

⑤ 秦善，王長秋，魯安懷.“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”教學(xué)改革與課程建設(shè)[J].中國地質(zhì)教育，2007（1）：130-133.

⑥ 張恩.關(guān)于“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”教學(xué)模式的探討[J].中國地質(zhì)教育，2000（4）：41-43.

⑦ 白志達(dá)，徐德斌，王根厚，等.激發(fā)鑒別巖石礦物興趣，提高野外實(shí)踐教學(xué)效果[J].中國地質(zhì)教育，2004（4）：60-61.