探究式教學法在二元系統(tǒng)相圖教學中的應(yīng)用探討＊

龍 梅 張 晶 王騰飛 楊小慧 向 力 羅勝耘 楊吟野

（貴州民族大學材料科學與工程學院，貴州 貴陽 550025）

相圖是用來描述多相系統(tǒng)材料相的狀態(tài)如何隨溫度、壓力及成分等變數(shù)在平衡狀態(tài)下的變化關(guān)系圖，在研制、開發(fā)新材料，制訂材料生產(chǎn)和處理工藝，預(yù)測材料性能等方面具有重要作用。通過課程學習，幫助學生掌握相圖的關(guān)鍵原理、主要特征和基本功能，使學生具備成為高級技術(shù)型人才應(yīng)備的相圖技能。然而，由于相圖的復(fù)雜和抽象性，易使學生遭遇學習挫折，造成抵觸心理，排斥狀態(tài)嚴重。因此，采用探究式教學模式，以學生“學”為中心，在教師引導下，通過科學實驗探究的過程和方法建構(gòu)知識[1]。具體以二元系統(tǒng)相圖中最基本的勻晶相圖為重點，通過“設(shè)計實驗—演示實驗過程—分析實驗結(jié)果”方式，激發(fā)學生的學習興趣，化解畏難情緒，使學生從知識的本質(zhì)上理解相圖知識、運用相圖知識。

一、溫故“立”新，設(shè)計實驗

首先，借助學生上學期修讀的《物理化學》中理想二元混合液體相圖，復(fù)習相圖的基本組成，引導分析二組元體系固體材料相圖的研究對象與研究對象特點。明確常用二元系統(tǒng)固體相圖是用來表示在保持系統(tǒng)壓強不變的條件下，二元合金材料相態(tài)、溫度和成分之間的關(guān)系，并以銅鎳合金相圖為例設(shè)計實驗內(nèi)容。其次，引導學生了解實驗內(nèi)容主要圍繞銅鎳合金的組成、溫度以及相態(tài)的變化，準確測定各成分銅鎳合金的相變臨界點是建立相圖的關(guān)鍵。具體可采用熱分析法通過測定一系列已知成分熔融銅鎳合金的冷卻曲線，找出銅鎳合金的相變臨界點繪制銅鎳二元合金系統(tǒng)相圖。

二、視頻演示，體驗實驗過程

利用線上視頻資源，展示銅鎳二元合金相圖的繪制實驗，讓學生直觀體驗繪制二元銅鎳合金相圖的過程，通過了解銅鎳二元合金相圖的來源加深對二元合金系統(tǒng)相圖的理解。如圖1所示，實驗演示中，首先配制一系列不同組成銅鎳合金以及純銅和純鎳樣品，然后置于坩堝中加熱熔化后，利用熱電偶測定液態(tài)銅鎳合金樣品緩慢冷卻過程中溫度，以時間為橫坐標溫度為縱坐標作圖，所測得溫度與時間的關(guān)系曲線即為冷卻曲線。之后找出樣品冷卻曲線上相變臨界點溫度，其中，純銅和純鎳合金冷卻曲線中的平臺即為相變臨界點溫度；銅鎳合金樣品冷卻曲線中的拐點即為相變臨界點溫度，兩個拐點之間為液相逐漸向固相轉(zhuǎn)變，此時固液兩相同時存在。最后將各相變臨界點溫度投到相應(yīng)的以銅鎳合金組成為橫坐標、溫度為縱坐標的圖中，即可獲得銅鎳二元合金系統(tǒng)相圖。

圖1 銅鎳合金二元系統(tǒng)相圖繪制實驗過程示意圖

三、師生互動，分析實驗結(jié)果

結(jié)合實驗演示所得相圖，以分析實驗結(jié)果方式討論并剖析所得二元銅鎳合金相圖。首先，用圖形方式呈現(xiàn)實驗結(jié)果，帶領(lǐng)學生一起動手繪制純銅、鎳以及不同組成銅鎳合金的步冷曲線示意圖，將步冷曲線圖中相變臨界點溫度在二元銅鎳合金相圖中標出，連接各點繪制相圖，讓每一個學生參與課堂實踐，同時彌補多媒體教學“看似理解，動則不會”的不足，通過親手繪制方式加深學生對二元合金系統(tǒng)相圖的理解。然后，討論所得相圖橫縱坐標、相圖中的點、線、區(qū)分別代表什么意義；歸納二元銅鎳合金系統(tǒng)相圖的特點，進而引出勻晶相圖的概念以及其他類型的二元合金相圖。之后，結(jié)合銅鎳合金的不同應(yīng)用需求，利用銅鎳二元合金相圖找出最佳銅鎳合金組成為例簡要說明該相圖的應(yīng)用。最后，引導學生感受科學探究過程中的喜悅，體會理論源于實踐并指導實踐的思想。

結(jié)語

通過利用實驗探究法，以科學實驗研究方式引導學生進入二元系統(tǒng)相圖學習，可以更好地吸引學生的注意力，在實驗演示過程中不知不覺地掌握和理解二元合金相圖的獲得過程、表示和建立方法以及特點。同時，通過將二元銅鎳合金相圖繪制實驗與勻晶相圖理論相結(jié)合，讓學生體驗科學實驗研究過程中實踐與認識的辯證關(guān)系，點燃學生的探索熱情和科學研究興趣。