晶体学理论课程去抽象化教学改革探索

晶体学理论课程去抽象化教学改革探索

晶体结构是要求学生和研究生掌握重要的基础理论。在材料专业核心课程材料科学基础或金属学中会首先讲授晶体结构学原理，该部分知识点同后续的教学内容有密切关联晶体学理论课程内容抽象，要求学生具有较强的空间想象力本文旨在总结晶体学理论课程团队在课程建设过程中面临的问题和教学改革中的一些有益思路和措施，作为下一步课程继续完善的参考，并为同类院校提供借鉴。一、本课程的研究与培训(一)学术基础不一原则上，晶体学理论的授课对象为已修完材料类本科基础课程的硕士研究生，具备基础的晶体结构认知，以及必要的材料学及其它相关专业课基础知识。实际情况是，硕士生源的专业背景范围宽，学术基础不一(类似情况也或多或少存在于其它大部分高等院校)。部分学生仅在本科阶段学习过少量材料类课程，甚至未修习过诸如材料分析测试技术等专业课程。鉴于此，适度引入过渡性预习类教学内容，对于新知识的接受十分重要。例如，讲解晶体结构X射线分析原理前，简要介绍X射线特征及衍射原理；在学习晶向和晶面等价特性之前，简要介绍晶向和晶面的表达方式；在介绍位错弹性性质之前，简要复习位错的基本知识等。由于教学课时的限制，引入内容不可能过分展开，课前预习是必不可少的环节。通过课前预习和过渡教学，学生反映对新课程的接受程度大大提高。(二)其他抽象推演全国有超200余所高等学校招收材料类专业本科生以晶体学32种点群为例，考虑晶体平移对称性的限制，从单纯几何角度证明晶体中独立点对称元素的所有组合只能有32种是正确无误的课程设置中去除的抽象内容还包括晶面间距，晶面夹角等公式推导，结构因子数学推导，空间群详细推演，取向分布函数数学过程等。上述内容均为已被严格证明是正确无误的，尽管深入理解这些抽象推演对于掌握晶体结构原理的作用不言而喻，但从解决实际工程问题的角度，掌握其应用即可。上述内容并非完全删除，而是尽可能淡化冗繁的数学推导过程，其中的数学逻辑关系并非简单的删除。例如，对于取向分布函数，着重介绍其含义，取向分布函数同极密度分布的关系，以及级数展开法求解的简要数学原理。对于纯粹的数学运算及推导进行去除处理，强调逻辑关系，淡化纯粹数学推导的教学改革促进了去抽象化。(三)结合本项研究的案例进行分析方法单纯的理论知识点除了抽象之外，还会使学生产生枯燥乏味的感觉。在讲授知识点时，采用联系实例的方法，除了同知识点相互印证，还可以有效地去抽象化。例如，讲授如何识读国际晶体学表时，以某一种常见或者结合本校科研方向之一有特色的金属为例，适当穿插部分实际科研项目。再如，在介绍晶系分类同点对称特征的逻辑关系时，以具备立方晶系单胞边角关系、但实际应为三斜晶系的FeS为了锻炼学生分析实际问题能力，强调了分析实例的引入。例如，对于多晶X射线衍射，针对某一事先未知的材料(如Ti，Mg)，结合消光规律、特征晶面间距的比例关系，通过实测谱线解析和排除，推断其所属晶系。类似的实际分析训练同基础知识紧密结合(需要学生对X射线的原理、消光规律、特征晶面间距较为熟悉，并进行一定的归纳)，锻炼了实际问题分析能力，降低了纯理论知识的抽象感，提高了收获感。(四)电子背散射衍射检测实验教学实验教学是理论教学的重要补充。晶体学含有大量贴近实际的理论及应用。通过实验教学进一步巩固理论知识，降低理论知识的抽象性，提高学生分析能力。为了培养通过X射线解析实际晶体结构的分析能力，开设了X射线多晶衍射实验课程。为了加强对多晶体织构及测试原理的理解和分析，开展了X射线反射法多晶体织构测试及分析实验教学。为了巩固对晶体界面取向差特征的理解，开展了电子背散射衍射检测原理及数据分析实验教学。这些实验教学同理论教学内容紧密联系，在实验教学测试结果的基础上设计了对应的分析练习和结果讨论。需要说明的是，实验课程设置同材料分析测试技术课程中实验教学的侧重点并不相同，更加重视实验内容同晶体学理论的结合，以及实际应用分析。例如，X射线多晶衍射实验教学重点强调衍射强度的变化，着眼点在于衍射强度背后的结构因子及消光规律的晶体学原理。实验内容及侧重点与材料分析测试技术课程的实验并不重复，是进一步的延伸二、构建课前有效训练和课外主动训练的模式一是图形化。晶体学理论教学涉及大量晶体结构的空间排布，要求具有空间想象力。为克服抽象特征，所有能采用图像表达的内容均配以图像演示。对于一些不容易表达的立体图像采用多个方向投影图的形式进行演示。教学中也采用一些专业软件以显示立体空间效果，如CrystalMaker、Diamond等软件，帮助学生理解空间概念。二是引入课堂讨论。课堂教学中部分内容采用讨论的方式进行，一方面督促学生温习和练习所学内容；另一方面，给学生学以致用的体验。通过讨论的形式提高学习积极性和收获感，针对实际问题的分析大大降低了单纯理论的抽象感。例如，在学习结构因子造成的消光规律时，介绍基本原理及某些特征点阵类型的消光规律(如简单立方和面心立方)，提出不同类型点阵消光规律特征及差异(如体心立方和B2结构)，并提供典型实际样品的X射线衍射数据，以互动的方式推导其消光规律，并对照实际X射线衍射消光峰进行分析。课堂讨论还结合文献案例，将所学内容进行互相验证和分析的讨论。以服务研究生科研工作为出发点，设置了一些不同的分析和讨论专题。例如，在学习极图表达多晶体取向的内容后，提供5篇左右近期相关文献，通过互动形式对文献实验结果进行分析，并同文献分析结果进行验证，对文献中一些不正确或者不全面的结论进行评判。在课堂讨论中，鼓励学生根据各自研究方向文献中的实际疑惑进行提问和讨论，对学生实际科研能力的提升有较好的作用。三是针对性的课后训练。适当的课后练习对于巩固所学知识有重要的促进作用。为培养学生实际应用分析能力，结合教学内容，设置了一系列从实际工程问题分析出发的课后练习。例如，给出晶体结构的基本信息，进行实际多晶金属X射线衍射谱线的理论计算。在电子背散射衍射实验教学后，根据测试结果计算实际两个取向的取向差(给出取向信息，并考虑取向的等价性)，面织构含量的简要计算分析等。三、研究生工程化背景下的教学改革建议随着中国材料产业的升级和发展，扎实的晶体学理论基础对于材料专业研究生日益重要。抽象性强是晶体学理论课程的最大特点和难点