瞿曉玲 趙志廣

（韶關(guān)學(xué)院 化學(xué)與土木工程學(xué)院,廣東 韶關(guān)512005）

材料、能源和信息已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱,而材料則是其中的物質(zhì)基礎(chǔ)。新材料、信息、生物技術(shù)被視為21 世紀(jì)新技術(shù)的主要標(biāo)志[1]。材料科學(xué)發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家科學(xué)水平、國民經(jīng)濟(jì)水平及綜合國力的重要標(biāo)志,許多國家都把新材料的研究開發(fā)放在了優(yōu)先發(fā)展的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對材料性能的要求日益廣泛和苛刻,對材料性能及其組分和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系越來越感興趣,因而材料測試技術(shù)在材料研究中起著非常重要的作用。無機(jī)材料測試技術(shù)是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的核心課程,本課程主要涉及無機(jī)材料原料及產(chǎn)品性能的測試分析,并通過分析測試結(jié)果找出無機(jī)材料制備工藝、材料性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)本門課程的目的是使學(xué)生具備解決無機(jī)非金屬材料工程實(shí)際問題和性能改善分析應(yīng)用的能力。結(jié)合筆者自身的教學(xué)實(shí)踐,基于促進(jìn)觀念構(gòu)建的理念,針對X 射線在材料結(jié)構(gòu)測試中的應(yīng)用,進(jìn)行了部分探索與實(shí)踐。

1 明確課程學(xué)習(xí)特點(diǎn)

1．1 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)知道材料分析的四大層次,在第一層次分析的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)經(jīng)歷過材料的研究過程,具備了物相結(jié)構(gòu)分析的基本思維方法。認(rèn)知水平處于已有基礎(chǔ),需要進(jìn)一步推進(jìn)加高的狀態(tài)。但是結(jié)構(gòu)測試這一部分核心內(nèi)容難度最大,需要在認(rèn)知推進(jìn)的過程中埋好線索,在難度最大的時候拋出前期線索幫助學(xué)生思維搭橋。

學(xué)生初次接觸材料微觀世界表征方法的抽象概念,尤其是對看不見摸不著的X 射線體會不深,難以理解X 射線與物質(zhì)作用發(fā)生系列物理化學(xué)變化。表現(xiàn)在:1）發(fā)射源X 射線無形無色,學(xué)生對此陌生；2）得到的譜圖并不具體,需要學(xué)生在理解原理的基礎(chǔ)上解析才能得到有用信息。所以在前期一定要充分調(diào)動學(xué)習(xí)興趣和探究的勇氣,預(yù)埋好線索幫助抽象理解的轉(zhuǎn)化過程。

1．2 主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)測試主要涉及X 射線的認(rèn)識及對其性質(zhì)的運(yùn)用,在本門課中的作用主要是起到承上啟下,教學(xué)內(nèi)容難度不大,教師重點(diǎn)需要放在提起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和堅(jiān)定后面學(xué)習(xí)的信心上。因此,筆者采用微課動畫認(rèn)識X 射線,學(xué)生尋找、總結(jié)知識點(diǎn)完成第一個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。然后講述科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和發(fā)展X 射線應(yīng)用的過程,充分調(diào)動學(xué)生好奇心和求知欲,此時拋出本節(jié)課的重難點(diǎn)部分,教師充分引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生思考,消化理解后,提出活動內(nèi)容和要求,學(xué)生發(fā)揮主體作用自主探究新知識。這一部分內(nèi)容對后面的工程應(yīng)用起到非常關(guān)鍵的鋪墊作用,在講授過程中教學(xué)節(jié)奏應(yīng)稍放緩,讓學(xué)生對X 射線有了感性的認(rèn)識,對性質(zhì)理解以后,嘗試讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)解決后面的部分知識點(diǎn)。在課程開始前,通過顯微形貌照片的展示和教師提問,將學(xué)生引入更微觀的世界。

圖1 主要內(nèi)容及內(nèi)容間的邏輯關(guān)系

1．3 教學(xué)重難點(diǎn)

學(xué)生只有把作為后續(xù)工業(yè)探測信號的X 射線性質(zhì)理解到位并熟記于心,才能學(xué)習(xí)好本部分的內(nèi)容。重點(diǎn)采用科學(xué)小故事趣味視頻播放,學(xué)生總結(jié),教師再引導(dǎo)理解的方式,增加同學(xué)們對三條基本性質(zhì)的長期記憶。學(xué)生的認(rèn)知障礙難點(diǎn)在于:X射線肉眼不可見,但具有能量和波動性,能與物質(zhì)作用發(fā)生衍射,并激發(fā)出電子產(chǎn)生信號。用這三條性質(zhì)歸納出從X 射線管里發(fā)出來的X 射線有兩種不同類型,其特點(diǎn)的不同決定了不同檢測類型需要使用不同種類的X 射線。突破難點(diǎn)的方式為化抽象為具體,將特征譜比作人的指紋具有特征性,啟發(fā)學(xué)生后讓學(xué)生小組自由討論,生生學(xué)習(xí),匯報(bào)信息,師生總結(jié)補(bǔ)充完整。

2 材料結(jié)構(gòu)測試的教學(xué)目標(biāo)

2．1 知識與技能目標(biāo)

（1）通過微課視頻的觀看,學(xué)生了解并總結(jié)出X射線的性質(zhì)。

（2）通過引導(dǎo)與詳細(xì)講解,學(xué)生能夠復(fù)述X 射線管的構(gòu)造,高速電子與陽極靶材作用過程。

（3）學(xué)生通過小組合作討論,能夠應(yīng)用波爾理論,解釋特征X 射線譜的特征。

2．2 過程與方法目標(biāo)

（1）通過小組討論,學(xué)生代表演講,學(xué)生敢于自由表達(dá)觀點(diǎn),學(xué)會與他人的合作與交流。

（2）從科學(xué)家的故事中,感受科學(xué)之美,明白科學(xué)并不深奧,樹立起勇攀科學(xué)高峰的信念。

2．3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

（1）通過工程案例的分析等活動,增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)化學(xué)學(xué)習(xí)的認(rèn)同感,建立嚴(yán)謹(jǐn)分析的科學(xué)態(tài)度觀。

（2）通過聆聽中國科學(xué)家對材料解析的經(jīng)歷,培養(yǎng)祖國自豪感和愛國主義的精神。

3 課程教學(xué)的策略設(shè)計(jì)

3．1 促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

認(rèn)真觀看科學(xué)小視頻:倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線的科學(xué)過程；X 射線具有的三條重要性質(zhì)。通過微課視頻的觀看,學(xué)生了解并總結(jié)出X 射線的性質(zhì)。學(xué)生從有趣的視頻中尋找線索,歸納總結(jié)出X 射線的性質(zhì)。從而啟發(fā)學(xué)生歸納與總結(jié),自主探究課程的內(nèi)容。

3．2 教學(xué)相長

在上述基礎(chǔ)上,講述X 射線管的構(gòu)成與發(fā)射過程,應(yīng)用波爾理論解釋特征X 射線譜的特征?；诮處熞龑?dǎo),學(xué)生從X 射線管的構(gòu)成與發(fā)射過程中總結(jié)出兩種類型的X 射線,并派代表分類總結(jié)兩種射線的特點(diǎn)。從而使學(xué)生學(xué)會引導(dǎo)與分類,加強(qiáng)小組討論和同伴學(xué)習(xí)。

4 基于促進(jìn)觀念構(gòu)建的教學(xué)過程優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于材料結(jié)構(gòu)測試的抽象性,本課程以學(xué)生為中心,所有教學(xué)活動都是圍繞促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)來開展。課前學(xué)生看微課完成小知識點(diǎn)測驗(yàn),老師查看學(xué)生課前任務(wù)完成情況。學(xué)生通過教學(xué)平臺觀看老師發(fā)布的微課講解,完成檢測。從而幫助學(xué)生了解本章知識脈絡(luò),為新知識的學(xué)習(xí)做鋪墊[2]。

通過具體實(shí)例展示創(chuàng)設(shè)情境、引入新課。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的檢測技術(shù)和方法問世,這些技術(shù)方法推動工程領(lǐng)域施工、維護(hù)以及工程材料的發(fā)展與進(jìn)步。X 射線技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù),在材料研究與應(yīng)用過程中發(fā)揮著重要的作用。展示石膏制品成分分析、鋼結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的要點(diǎn),讓學(xué)生通過觀看圖片,聆聽講解,在驚詫之余,體會感悟:材料的檢測技術(shù)如此重要。通過工程實(shí)例,讓學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)及材料的檢測產(chǎn)生濃厚的興趣。

材料測試研究內(nèi)容綜述。通過形貌圖片展示,引導(dǎo)學(xué)生生疑,老師順勢引題。問題1:我們通過顯微鏡觀察,知道了材料的表觀及內(nèi)部樣子,大家想知道這些樣子的材料究竟是什么嗎? 問題2:大家回憶一下我們說材料分析有哪四大層次? 所以我們接下來進(jìn)入下一層次,在掌握材料形貌分析基礎(chǔ)上,我們還需要知道所看到的東西究竟是什么,這就需要物相分析。再次引入具體案例,以TiO2單相為例,說明X 射線衍射能定性定量。以ZnO 和Y2O3混合相為例,說明X 射線衍射能進(jìn)行復(fù)相分析。以軸輪的疲勞斷裂為例,指出透射電鏡相片及相應(yīng)的電子衍射能譜能夠知道微觀結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域所對應(yīng)的物象。通過上述教學(xué)活動:（1）啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)。（2）利用學(xué)生的疑問,啟發(fā)學(xué)生思考顯微層次分析之后,我們需要分析什么。（3）增加學(xué)生以材料為研究中心的思想。（4）對學(xué)生的學(xué)術(shù)能力進(jìn)行引導(dǎo)和開拓。（5）帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識結(jié)構(gòu)測試方法。（6）通過案例分析,讓學(xué)生識別測試譜圖。（7）以實(shí)際工程為案例對象,讓學(xué)生體會到材料對社會重要性[3,4]。

突出重點(diǎn),突破難點(diǎn)。進(jìn)入微課堂,認(rèn)識X 射線,提醒學(xué)生觀看視頻時注意總結(jié)X 射線的性質(zhì),啟發(fā)學(xué)生思考在生活中遇見的X 射線有什么特征。進(jìn)一步,提示學(xué)生思考如何收集X 射線,進(jìn)而用于檢測信號,然后講述X 射線管構(gòu)造及工作原理。接著,提問高速運(yùn)動的自由電子撞擊靶材會產(chǎn)生什么波長的X 射線,以小組討論的形式讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)電子運(yùn)動過程中能量損失導(dǎo)致X 射線波長不同,產(chǎn)生連續(xù)光譜,理解能級躍遷原理,進(jìn)而嘗試分析X 射線與物質(zhì)相互作用的過程,得出特征射線產(chǎn)生原因及特點(diǎn)。

知識應(yīng)用,回顧總結(jié)。利用特征X 射線的生成條件,啟發(fā)學(xué)生如何獲得單一波長X 射線,通過濾波片工作原理培養(yǎng)學(xué)生開放性思維。最后,學(xué)生補(bǔ)充具體知識點(diǎn),共同總結(jié)本課學(xué)習(xí)內(nèi)容。

5 總結(jié)

X 射線的性質(zhì)作為課堂開篇,從科學(xué)小視頻中找出線索既鍛煉學(xué)生總結(jié)歸納能力,又能增加課堂趣味性。從而引出難點(diǎn):X 射線管的構(gòu)造和其產(chǎn)生兩種類型的X 射線。學(xué)生在對X 射線性質(zhì)掌握的基礎(chǔ)上才能了解X 射線產(chǎn)生過程,進(jìn)一步區(qū)分出兩種性質(zhì)不同的射線。最后通過實(shí)際應(yīng)用,詢問應(yīng)該采用哪種類型的射線作為信號使用,探測學(xué)生這節(jié)課的掌握情況。

因此,知識邏輯線、學(xué)生活動線都展現(xiàn)得很清楚,每個學(xué)生基本都能跟上[5,6]。需要注意的是,對于工程專業(yè)學(xué)生,從宏觀到微觀的材料結(jié)構(gòu)探究過程做一般了解揭示即可,在學(xué)術(shù)展示環(huán)節(jié)不必太深入到內(nèi)觀機(jī)理（適合無機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)生）。