劉彤

摘要：《晶體學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)材料專業(yè)其他課程的基礎(chǔ)。本文根據(jù)材料專業(yè)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容和次序、教學(xué)手段以及教學(xué)模式三個(gè)方面，提出了課程教學(xué)改革的詳細(xì)思路。

關(guān)鍵詞：晶體學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)手段;研討式教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）43-0081-02

一、前言

《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程是為地質(zhì)學(xué)、材料科學(xué)、礦物學(xué)等專業(yè)學(xué)生在完成高等數(shù)學(xué)、普通化學(xué)和物理學(xué)等公共課程后而開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課[1-4]。對(duì)于材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生而言，《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程中的晶體結(jié)構(gòu)、晶體對(duì)稱性、倒易點(diǎn)陣、晶體投影、晶體生長(zhǎng)、晶體缺陷等晶體學(xué)基本知識(shí)，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)《X射線衍射》、《電子顯微分析》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《材料力學(xué)性能》以及《材料物理性能》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[2]。在材料科學(xué)領(lǐng)域，調(diào)控材料的性能是人們追求的目標(biāo)。如果一種材料的成分確定，那么它的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)等性能將取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)類型和晶體中存在的缺陷特征（如雜質(zhì)原子的濃度、位錯(cuò)密度和晶粒尺寸等）。因此，《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程的基礎(chǔ)知識(shí)不僅在材料科學(xué)與工程專業(yè)各門(mén)專業(yè)課程的教學(xué)中起到重要的作用，而且將對(duì)學(xué)生們將來(lái)的材料科學(xué)與工程實(shí)踐起到重要的指導(dǎo)作用。

開(kāi)設(shè)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程以前，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的晶體學(xué)教學(xué)計(jì)劃主要安排在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中，大約講解4學(xué)時(shí)。另一方面，在《X射線衍射》和《電子顯微分析》等專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中，過(guò)去通常要利用2～4學(xué)時(shí)來(lái)講解布拉斐點(diǎn)陣、倒易點(diǎn)陣等晶體學(xué)知識(shí)。這使得部分晶體學(xué)知識(shí)被重復(fù)講授，而一些重要的晶體學(xué)知識(shí)沒(méi)有得到無(wú)法全面、系統(tǒng)和深入地講解?；谝陨显?，北京航空航天大學(xué)自2010年起對(duì)材料專業(yè)的本科2年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)了《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程。

通過(guò)過(guò)去幾年的《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們普遍反應(yīng)對(duì)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解更加全面和深入了，同時(shí)在學(xué)習(xí)與晶體學(xué)相關(guān)的其他材料專業(yè)課程時(shí)，也更加得心應(yīng)手。但是，目前的晶體學(xué)教學(xué)中還存在以下3個(gè)主要問(wèn)題。

1.晶體學(xué)涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，它是多個(gè)學(xué)科的重要基礎(chǔ)課程，不同學(xué)科對(duì)于晶體學(xué)知識(shí)的側(cè)重點(diǎn)有所差別。目前，國(guó)內(nèi)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》的教材主要是面向地質(zhì)和礦物專業(yè)而編寫(xiě)的[5]，其包含的內(nèi)容以及章節(jié)編排次序也是為了使地質(zhì)和礦物專業(yè)學(xué)生更好地掌握相關(guān)晶體學(xué)知識(shí)而設(shè)計(jì)的。所以，現(xiàn)有教材的教學(xué)內(nèi)容以及講授次序并不完全適用于材料專業(yè)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)。

2.《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程中包含著很多晶體學(xué)基本概念，同時(shí)還有非常抽象的宏觀和微觀對(duì)稱操作以及晶體的投影操作。在以往的晶體學(xué)教學(xué)過(guò)程中，主要借助一些靜態(tài)的二維或者三維圖片進(jìn)行講解，其表現(xiàn)力度有限，無(wú)法有效地使學(xué)生理解和掌握抽象的晶體學(xué)基本概念和理論。

3.在《晶體學(xué)基礎(chǔ)》的授課形式上，過(guò)去主要以教師講授為主，學(xué)生主動(dòng)參與較少。僅僅通過(guò)教師對(duì)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》中復(fù)雜空間對(duì)稱變換進(jìn)行講解，難以使學(xué)生深入理解晶體中對(duì)稱特點(diǎn)、內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的堆積規(guī)律以及復(fù)雜的空間概念。同時(shí)，這樣也不利于學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

由以上分析可見(jiàn)，現(xiàn)有的《晶體學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)已經(jīng)難以滿足材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求。因此，我們有必要對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)模式進(jìn)行改革，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生真正理解和掌握晶體學(xué)知識(shí)的精髓，為學(xué)生在將來(lái)的材料科學(xué)與工程實(shí)踐中打下良好基礎(chǔ)。

二、教學(xué)內(nèi)容和講授次序的改革

目前，本?！毒w學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)課時(shí)共32學(xué)時(shí)，與地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)專業(yè)相比，總授課時(shí)間較少[3，4]。為了在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)講授材料科學(xué)專業(yè)學(xué)生所必需掌握的晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，有必要將那些與材料科學(xué)專業(yè)相關(guān)性不大的內(nèi)容進(jìn)行刪減。例如，晶體理想形態(tài)和晶體規(guī)則連生方面的內(nèi)容對(duì)地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)專業(yè)十分重要，但是對(duì)于材料專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，只需要在課程緒論中加以概述就能夠滿足本專業(yè)的教學(xué)要求了。同時(shí)，對(duì)于后續(xù)材料科學(xué)的其他專業(yè)課程將詳細(xì)講解的知識(shí)點(diǎn)，也可以進(jìn)行適當(dāng)刪減，如晶體相變、晶體物理學(xué)等內(nèi)容。另一方面，對(duì)于進(jìn)一步學(xué)習(xí)材料專業(yè)其他課程而需要用到的一些重要晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，應(yīng)該增加講解內(nèi)容的深度。例如，倒易點(diǎn)陣、吳氏網(wǎng)等基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于分析材料的微觀結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要，但是，現(xiàn)有教材中的以上相關(guān)內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足材料專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求，所以，需要增加相關(guān)的授課內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容的變更促使我們進(jìn)一步思考授課內(nèi)容編排的邏輯性。由于晶體學(xué)授課內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)發(fā)生了變化，所以，我們就不能按照現(xiàn)有教科書(shū)中針對(duì)地質(zhì)和礦物專業(yè)的教學(xué)目的來(lái)安排授課次序，而應(yīng)該按照材料專業(yè)對(duì)晶體學(xué)教學(xué)內(nèi)容的要求，研究如何安排授課次序才能更有利于本專業(yè)學(xué)生由淺入深、循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)相關(guān)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。例如，在講解晶體宏觀對(duì)稱性之前，有必要先講解一些典型晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)例，以幫助學(xué)生形象地理解復(fù)雜的空間對(duì)稱操作;將晶體的微觀對(duì)稱和空間群知識(shí)從原教材的第七章提前到第三章[5]，使其與晶體宏觀對(duì)稱合并成晶體宏觀和微觀對(duì)稱一章，這樣有利于從宏觀和微觀相互聯(lián)系的角度進(jìn)行講解;另外，倒易點(diǎn)陣知識(shí)應(yīng)該從原教材的第一章后移到第四章，在講解完晶體定向和晶體學(xué)符號(hào)之后，學(xué)生們熟練掌握了晶體正空間的晶面和晶向指數(shù)，此時(shí)講授倒易點(diǎn)陣知識(shí)更有利于學(xué)生理解復(fù)雜的正空間和倒易空間的相互變換。

三、教學(xué)手段的改革

《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程的難點(diǎn)是晶體宏觀和微觀對(duì)稱、晶體的投影以及內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的堆積。除了采用傳統(tǒng)的板書(shū)和二維圖形對(duì)這些晶體學(xué)難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行講解以外，我們應(yīng)該更加注重利用一些三維模型。例如，在講解晶體的球面投影和吳氏網(wǎng)過(guò)程中，利用地球儀作為三維實(shí)物模型，能夠更好地說(shuō)明晶體的各個(gè)晶面在進(jìn)行球面投影過(guò)程中的操作次序，以及解釋如何利用吳氏網(wǎng)來(lái)計(jì)算晶面夾角。在講解晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，可以利用一些特制的三維立體模型，形象地顯示出不同軸次的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱;另外，在講解晶體的極射赤平投影時(shí)，可以針對(duì)一些具有特殊對(duì)稱特點(diǎn)的宏觀晶體，讓學(xué)生自己動(dòng)手制作相關(guān)的三維實(shí)物模型，通過(guò)觀察各晶面的投影特點(diǎn)，加深對(duì)極射赤平投影知識(shí)的理解。

同時(shí)，為了使學(xué)生更加形象地把握各種對(duì)稱變換特征和晶面投影規(guī)律，我們應(yīng)該進(jìn)一步利用三維多媒體軟件，制作一些三維動(dòng)畫(huà)作為輔助教學(xué)手段[6]。這樣能夠通過(guò)三維旋轉(zhuǎn)來(lái)觀察晶體的宏觀對(duì)稱特點(diǎn)以及晶體結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子或離子）位置，滿足晶體宏觀和微觀對(duì)稱要素及其操作等抽象教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)目的，使學(xué)生能夠直觀地觀察不同宏觀和微觀對(duì)稱操作的特點(diǎn)，從而加深對(duì)這些抽象晶體學(xué)概念的理解。

四、研討式教學(xué)模式的改革

本?！毒w學(xué)基礎(chǔ)》課程在開(kāi)課初期的授課形式為大班整體授課，包括所有材料專業(yè)大二的學(xué)生（約150名）。由于聽(tīng)課學(xué)生人數(shù)較多，導(dǎo)致教師難以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的聽(tīng)課效果。故而，本校自2013年起對(duì)《晶體學(xué)基礎(chǔ)》課程進(jìn)行了“小班化”教學(xué)實(shí)驗(yàn)（每班70～80人），有效地提高了授課效果。但是，目前的教學(xué)模式基本上還是以教師的“填鴨式”教學(xué)方式為主要授課模式，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，沒(méi)有積極地思考問(wèn)題。因此，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生共同主導(dǎo)本課程的教學(xué)過(guò)程，通過(guò)師生之間以及學(xué)生之間“研討式”的教學(xué)模式，使學(xué)生在研討過(guò)程中理解和掌握《晶體學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念和抽象知識(shí)。針對(duì)每堂課的重點(diǎn)講授內(nèi)容，教師在課堂中提出相關(guān)問(wèn)題，將學(xué)生分成若干小組，每組4～6人，在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)學(xué)生之間反復(fù)討論將復(fù)雜的晶體學(xué)問(wèn)題進(jìn)行逐步闡明，這樣也有利于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)每堂課知識(shí)的掌握情況。同時(shí)，將分組討論的結(jié)果納入平時(shí)成績(jī)的考核體系，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題，并積極地通過(guò)討論來(lái)相互啟發(fā)，進(jìn)而解決各個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

另外，師生應(yīng)該充分利用本校在校園網(wǎng)上建立的晶體學(xué)課程中心平臺(tái)。一方面，鼓勵(lì)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行自由討論，另一方面，讓學(xué)生針對(duì)以上問(wèn)題在課堂上以小組為單位進(jìn)行發(fā)言和討論。通過(guò)以上“研討式”教學(xué)模式及時(shí)獲得學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋，從而調(diào)整講課速度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

五、總結(jié)

《晶體學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，應(yīng)該按照材料科學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的晶體學(xué)知識(shí)，優(yōu)化編排授課內(nèi)容和次序，提高授課效果;利用三維晶體學(xué)動(dòng)畫(huà)模型，加深學(xué)生對(duì)晶體對(duì)稱要素及其操作等復(fù)雜晶體學(xué)概念和理論的理解;建立“研討式”教學(xué)模式，針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，提出學(xué)生課堂和課后研討的主題，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握情況，提高學(xué)生通過(guò)主動(dòng)提問(wèn)以及相互討論而獲取知識(shí)的能力，最終使學(xué)生更好地掌握材料科學(xué)專業(yè)必需的晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]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(guó)地質(zhì)教育，2000，（4）：41-43.

[2]張英.材料大背景下晶體學(xué)課程的改革與創(chuàng)新[J].科技文匯，2011，（10）：71-72.

[3]何明躍.《結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)》教學(xué)改革探索[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2000，（4）：57-58.

[4]秦善，王長(zhǎng)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(guó)地質(zhì)教育，2007，（1）：130-132.

[5]秦善.晶體學(xué)基礎(chǔ)[M].北京大學(xué)出版社，2004.

[6]孫清亞，魯曉明.《晶體學(xué)基礎(chǔ)》MCAI課件的設(shè)計(jì)與制作[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，（3）：39-43.