CrystalMaker Demo在結晶學與礦物學教學中的應用

閆平科 高玉娟 盧智強 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構，論文利用CrystalMaker Demo構建晶體及礦物分子結構，通過形象生動的教學展示，增加學生對結晶學與礦物學授課內(nèi)容的理解與掌握，并激發(fā)學生的學習興趣。

關鍵詞 CrystalMaker Demo軟件 結晶學與礦物學 教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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過程中以教師為中心，以講授為主的教學方法和模式， 積極探索對專業(yè)課程的新的授課模式和方法，讓學生對課程產(chǎn)生濃厚的學習興趣，達到“愿學、樂思”，最終激發(fā)學生的創(chuàng)造潛能，提高學生的創(chuàng)新能力。對于結晶學與礦物學課程的教學改革，已經(jīng)有相關研究者進行了這方面的研究探索。①②③④⑤⑥⑦本文在相關研究的基礎上，借助CrystalMaker Demo軟件研究分析晶體結構及礦物的物化性質(zhì)，激發(fā)學生的學習興趣，從而達到提高教學效果的目的。

1 結晶學與礦物學課程的教學難點

（1）結晶學部分名詞多，晶體結構復雜，理解困難。在結晶學與礦物學課程中，特別是在結晶學部分，涉及到了大量的名詞，在晶體對稱的學習過程中，需要掌握47種單形的特征、對稱要素及其對稱型。在教學過程中，需要學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)的教學過程中，通過試驗模型演示晶體的對稱型，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，學生在短暫的授課時間內(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）不同大類礦物結構迥異，同一大類礦物結構亦復雜多變。在學習過程中，特別是在礦物學部分學習時，不同的大類礦物具有不同的結構，如硫化物大類礦物晶格不是典型的離子晶格，其化學鍵由離子鍵向金屬鍵和共價鍵過渡。絕大多數(shù)氧化物的晶體結構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，層狀硅酸鹽晶體結構中的絡陰離子為層狀硅氧骨干。二者雖同屬含氧鹽大類，但其亞類結構仍舊差異很大，在學習過程中，僅通過講授的方式很難掌握不同礦物結構的區(qū)別。

2 CrystalMaker Demo軟件自身的特點

CrystalMaker Demo是一個功能全面的科學程序，界面友好，操作簡單。便捷、靈活的CrystalMaker 能夠容易地載入結構數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相片型的圖形，戴上紅/藍眼鏡，還可以感受立體三維畫面，親臨分子結構當中。建立的模型能夠通過設置，顯示個別原子，鍵和多個側面。全面的互動 CrystalMaker 包括實時操作和編輯、設計新結構的能力，同時，CrystalMaker可以顯示超大的結構，直到20億個原子、鍵和晶體側面自動計算，可選擇輸出鍵長以及誤差傳遞，而且可以直接觀察團簇表面，是非常理想的科研和教學的輔助軟件。

1a架狀晶體結構（金剛石） 1b 層狀晶體結構（石墨）

圖1 晶體結構圖

3 CrystalMaker Demo軟件在結晶學與礦物學教學課件中的應用

3.1 CrystalMaker Demo在晶體結構分析中的應用

在教學過程中，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構，如金剛石和石墨晶體結構。金剛石晶體屬于等軸晶系，每個碳原子與相鄰四個碳原子以共價鍵相聯(lián)結，形成牢固的架狀結構。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)每個碳原子則以共價鍵相連接。通過晶體結構的比較，可以形象、直觀地掌握不同晶體結構的特征。

3.2 CrystalMaker Demo在礦物大類比較中的應用

CrystalMaker Demo軟件可以形象地展現(xiàn)不同礦物的內(nèi)部結構特征，如綠柱石的環(huán)狀結構和。在綠柱石晶體結構中，六方晶系結構中的絡陰離子[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陰離子聯(lián)結成牢固的晶格（圖2a）。在白云母的層狀結構中，結構單元層由兩個硅氧四面體片夾一層陽離子組成，其結構單元層包括兩個四面體片和一個八面體片（圖2b）。通過晶體結構的演示，增加學生對晶體結構的理解，激發(fā)其對晶體結構探知的興趣。

2a 環(huán)狀結構（綠柱石） 2b 層狀結構（白云母）

圖2 含氧鹽不同亞類礦物結構

4 CrystalMaker Demo在對教學效果的作用

4.1 寓靜止于動畫，達到趣味教學目的

CrystalMaker Demo軟件可以實現(xiàn)晶體結構在三維空間的旋轉(zhuǎn)播放，能夠?qū)⒃眷o止的晶體結構轉(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。通過在教學過程中使用CrystalMaker Demo軟件的晶體旋轉(zhuǎn)播放，增加學生對晶體結構的認識，同時啟發(fā)學生學習的積極性。達到趣味教學的目的。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構的展示形式，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，從而提高學生的學習熱情。

4.2 化抽象于具體，提高學生理解能力

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

4.3 親自動手建模，提高學生認知能力

在結晶學與礦物學的授課過程中，對學生培養(yǎng)的目的，不僅要使學生認識和理解不同晶體及礦物的晶體結構，而且更重要的是讓學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。為了讓學生有一個全面的深刻的認識，利用CrystalMaker Demo軟件，讓學生親自動手，構建晶體結構，并通過參數(shù)的改變，分析會對晶體結構有什么影響。通過前后晶體結構的比對，弄清楚晶體的對稱性的本質(zhì)及晶體晶胞參數(shù)對晶體結構及其結晶形態(tài)的影響，從而提高學生對晶體結晶行為的認知能力。

5 結語

利用CrystalMaker Demo軟件制作晶體動畫，不僅有助于學科知識的表達和傳播，使學生更加深刻地理解所學的知識，而且能夠激發(fā)學習興趣和提高教學效果，同時課件能夠增加生動的藝術效果，賦予原本枯燥的抽象的教學內(nèi)容于生動形象的神奇色彩。通過在結晶學與礦物學課程中應用CrystalMaker Demo軟件，調(diào)動學生的學習積極性，實現(xiàn)生動授課與趣味學習的統(tǒng)一。

注釋

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

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

③ 趙虹，黨犇.“結晶學與礦物學”課程教學改革研究[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.“結晶學及礦物學”課程教學改革探索[J].中國地質(zhì)教育，2008（2）：52-55.

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

⑥ 張恩.關于“結晶學與礦物學”教學模式的探討[J].中國地質(zhì)教育，2000（4）：41-43.

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