“材料性能”之“磁學(xué)性能”教學(xué)中的“四模塊”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張紅國(guó) 張東濤 路清梅 王亞麗 張忻 林健 夏志東

[摘 要] 針對(duì)“材料性能”這門課程中的“磁學(xué)性能”一章的教學(xué)，提出“四模塊”課堂演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案。此方案通過對(duì)有趣現(xiàn)象的認(rèn)知將材料類型與理論概念聯(lián)系起來，為課堂教授提供有效切入點(diǎn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)，為知識(shí)體系搭建直觀邏輯。在實(shí)際教學(xué)過程中取得了較好效果。

[關(guān)鍵詞] 材料性能;磁學(xué)性能;課堂實(shí)驗(yàn)

[基金項(xiàng)目] 北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“基于‘日新學(xué)堂構(gòu)建《材料性能》教學(xué)過程監(jiān)測(cè)和提升學(xué)習(xí)質(zhì)量的探索”（ER2020B043）資助;2018年度北京工業(yè)大學(xué)第二批本科重點(diǎn)建設(shè)課程《材料性能》;2018年度北京工業(yè)大學(xué)通識(shí)教育核心課程建設(shè)項(xiàng)目《材料與生活、環(huán)境安全》

[作者簡(jiǎn)介] 張紅國(guó)（1985—），男，陜西禮泉人，理學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，主要從事磁性功能材料研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）40-0379-02? ? [收稿日期] 2020-03-18

材料性能是材料的四要素之一，是材料科學(xué)研究的重要對(duì)象，同時(shí)也是生產(chǎn)過程中材料選擇和使用的重要依據(jù)。[1]因此，在高等院校材料科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)中一般都會(huì)開設(shè)《材料性能》這門課程。[2]

本課程包含了材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，每一章都涉及一個(gè)廣泛的材料學(xué)研究領(lǐng)域。因此，本課程的特點(diǎn)之一是知識(shí)點(diǎn)多而零散，容易給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來缺乏邏輯、無從入手的感覺，也對(duì)教師的講授技巧提出了更高要求。以“材料的磁學(xué)性能”這一章為例。學(xué)生在本章中需要理解物質(zhì)磁性的起源、熟悉各種磁性能量和磁疇等概念、掌握磁性材料的磁化過程和各種性能指標(biāo)。在此過程中需要接觸的全新概念不下數(shù)十個(gè)。要在短短4～5個(gè)課時(shí)中將如此大量的內(nèi)容講授清楚，不讓學(xué)生陷入迷茫，最有效的途徑就是通過建立生動(dòng)形象的邏輯鏈條，繼而擴(kuò)展出不同知識(shí)點(diǎn)的“枝葉”。

基于以上認(rèn)知，筆者在“材料性能”的教學(xué)過程中，從設(shè)計(jì)課堂演示實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行了增強(qiáng)講授和學(xué)習(xí)邏輯性的思考和實(shí)踐，總結(jié)出了“四模塊”的實(shí)驗(yàn)方案，并取得了一定效果。

一、課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

“磁”對(duì)于材料類本科生乃至大多數(shù)人來說，是一個(gè)既熟悉又陌生的概念。熟悉在于大家從小就接觸過各式各樣的磁鐵或者和磁性有關(guān)的物品，比如“吸鐵石”、冰箱貼。而陌生在于，普通教育教學(xué)過程中幾乎不會(huì)系統(tǒng)介紹物質(zhì)的磁性，因此人們對(duì)其認(rèn)識(shí)非常有限。而在相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中，為了激發(fā)學(xué)生對(duì)磁性起源的好奇心，奠定知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，我們需要建立起物質(zhì)與理論、現(xiàn)象與概念之間的形象聯(lián)系。這也是我們嘗試通過課堂演示實(shí)驗(yàn)的方式建立知識(shí)邏輯性的出發(fā)點(diǎn)。

根據(jù)大綱中關(guān)于本章教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的闡述，我們梳理出本章的重難點(diǎn)，即“從構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)物質(zhì)磁性的起源及物質(zhì)磁性分類，理解不同類型的磁性的磁化率隨溫度和磁場(chǎng)的變化特征”。進(jìn)一步把相關(guān)知識(shí)點(diǎn)按照材料、現(xiàn)象和概念三個(gè)認(rèn)知層面進(jìn)行整理：

1.材料層面主要包括各種磁性類型，可以挖掘出與實(shí)際生活中接觸到的物質(zhì)的緊密聯(lián)系。

2.現(xiàn)象層面包括本章重點(diǎn)學(xué)習(xí)的鐵磁性材料中的特征行為，對(duì)學(xué)生們來說比較新鮮有趣。

3.概念層面主要是理論型的專有名詞和定義，是掌握的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由此可見，現(xiàn)象層面的認(rèn)知是聯(lián)系材料與概念兩個(gè)層面的紐帶，是學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知最有效的切入點(diǎn)，也是我們本章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

二、課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

1.實(shí)驗(yàn)用品。我們將從學(xué)生們最為熟知的“吸鐵石”即永磁材料入手，通過其與自身和不同的材料之間在不同環(huán)境下的相互作用現(xiàn)象，一步步引出磁性物質(zhì)的各類特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上開枝散葉，展開教學(xué)。據(jù)此，本章的演示實(shí)驗(yàn)可以包括但不僅限于以下材料和用具：薄片/圓柱NdFeB磁體、菱形磁針、Fe片、Mn/Cr片、石墨片及加熱源等。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述不同層面的知識(shí)點(diǎn)，我們將演示實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)模塊。

物質(zhì)磁性類型模塊1：用于區(qū)分物質(zhì)的磁性類型，介紹鐵磁性的概念，提出物質(zhì)磁性起源的解釋。

物質(zhì)磁性類型模塊2：用于進(jìn)一步區(qū)分特殊的抗磁性和鐵磁性的次級(jí)類型，提出并解釋磁有序、交換作用等概念。

物質(zhì)磁性的溫度依賴性模塊3：指出溫度場(chǎng)對(duì)磁性的影響，引入居里溫度、磁相變、居里外斯定律等概念。

物質(zhì)磁性的微觀表現(xiàn)模塊4：介紹磁疇、各種磁性能量等概念，引出磁性物質(zhì)種各種能量的競(jìng)爭(zhēng)，解釋磁滯現(xiàn)象及其根源。

3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。四個(gè)模塊的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩际且鲆粋€(gè)核心問題。經(jīng)過具體的實(shí)驗(yàn)演示，請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行討論和思考，提出問題并嘗試給出可能的解釋，再進(jìn)行一一分析，最終引出正確思路并開展課堂講授。

模塊1：為什么只有Fe能夠被磁鐵所吸引？

用磁鐵分別吸引Fe片、Mn/Cr片和石墨片，可以發(fā)現(xiàn)只有Fe片能被吸引，其他物質(zhì)都不具有這種特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生討論導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能物質(zhì)基礎(chǔ)。配合展示元素周期表中室溫鐵磁性單質(zhì)的稀缺性，引出磁性起源的問題?；仡櫾咏Y(jié)構(gòu)，指出可能具有磁矩的微觀粒子種類。說明電子自旋磁矩對(duì)于磁性的貢獻(xiàn)。提出“能量最低原理”的普適性，介紹泡利不相容原理和洪德法則。運(yùn)用這些理論演示核外電子排布的規(guī)律，指出凈剩自旋是原子顯示出磁性的根本原因之一。

模塊2：是否具有凈剩自旋的元素都具有鐵磁性？

使用圓柱磁體，將石墨片小心放置在其端面上，請(qǐng)學(xué)生觀察石墨片的懸浮狀態(tài)，同時(shí)演示Mn、Cr金屬片既不能被吸引，此時(shí)也不能被排斥。由此引入除鐵磁性外物質(zhì)磁性的不同種類，抗磁性、反鐵磁性、順磁性等。說明磁矩和磁矩之間存在交換作用。從能量最小化原理出發(fā)，引出交換作用公式，并對(duì)其進(jìn)行分析討論，得出磁矩有序排列的結(jié)論。給出Slater-Bethe曲線，討論各種單質(zhì)的磁性，并與前面的元素周期表中磁性物質(zhì)種類相呼應(yīng)?？偨Y(jié)磁性起源的兩個(gè)重要條件，即具有凈剩自旋和磁矩之間的交換作用。

模塊3：如果給磁體加熱，會(huì)發(fā)生什么？

用防火毯做好保護(hù)，使用酒精燈等熱源，給吸引在鑷子上的薄片磁體加熱，請(qǐng)學(xué)生注意觀察即將發(fā)生的現(xiàn)象。請(qǐng)大家討論為什么加熱到一定溫度后，磁體會(huì)失去磁性而掉落。提出關(guān)于磁性和溫度關(guān)系的新問題。講授居里外斯定律，從磁化率對(duì)溫度的依賴曲線上分析不同物質(zhì)的磁性表現(xiàn)。介紹自發(fā)磁化對(duì)于鐵磁性材料的意義。探討交換作用能與溫度之間的競(jìng)爭(zhēng)。

模塊4：鐵磁性物質(zhì)天生就能表現(xiàn)出宏觀磁性嗎？

將菱形磁針排列成方形陣列，使用磁體掃過陣列上方，使所有磁針都開始快速轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察，在磁針逐漸靜止后，整個(gè)陣列中的磁針排列是否有規(guī)律?；谝呀?jīng)獲得的關(guān)于磁性知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考為何磁針最終形成了一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)部平行排列，而小區(qū)域之間卻呈垂直或反平行排列。引出鐵磁體中的各項(xiàng)能量，介紹他們之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并最終得出在自發(fā)磁化后形成磁疇的必然性。

以上僅是基于“四模塊”結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案示例。事實(shí)上，我們還可以對(duì)其進(jìn)行多種多樣的組合變化。例如，我們可以通過加熱后磁體與未加熱磁體的接觸，使前者重新被磁化，從而引入軟、硬磁的概念。還可以通過演示磁體不同部位的磁力大小變化，引出各向異性的概念?？梢?，我們提出的“四模塊”實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了較豐富的內(nèi)涵，具有較大的自由度和發(fā)揮空間，為材料的磁性能講授提供了新的思路和邏輯鏈。

三、結(jié)語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)了四個(gè)模塊的簡(jiǎn)單演示實(shí)驗(yàn)來引入相關(guān)核心概念和現(xiàn)象，有效幫助對(duì)主旨的分解和剖析講授。在此過程中通過互動(dòng)完成在深度和廣度方向的延伸，開拓學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)思考。這種教學(xué)方法采用“啟發(fā)式”“參與式”與“探究式”相結(jié)合的方式。充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，從話題的引入開始，每一步都以演示實(shí)驗(yàn)為核心，結(jié)合視頻、動(dòng)畫、互動(dòng)提問等手段促使學(xué)生沿著設(shè)計(jì)好的邏輯鏈條自己思考得出每一步的重要結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]王從曾.材料性能學(xué)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[2]陳建清，江靜華，楊東輝，宋丹，馬愛斌.“材料性能學(xué)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（43）.