結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論在“材料研究與測試方法”教學(xué)中的應(yīng)用

梁 峰，韓兵強，劉 浩，雷 文，張海軍

（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 湖北 武漢 430081）

結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論形成于20世紀五六十年代，主要代表人物為杰羅姆·布魯納（Jerome Seymour Bruner）。布魯納主張在教學(xué)過程中創(chuàng)造條件，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中進行自主的、有意義的思考，從而提高學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)的能力、獨立解決問題的能力以及發(fā)明創(chuàng)造的能力等[1]。在具體課程教學(xué)活動中，將課程內(nèi)容的基本概念、結(jié)構(gòu)、原理置于中心位置，讓學(xué)生建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)圖，從宏觀上了解課程特點和知識點框架，理解課程基本原理，培養(yǎng)學(xué)生獨立認識新問題、新知識，拓展學(xué)習(xí)思維，開闊知識邊界，幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)課程知識，達成學(xué)習(xí)目標，提升自主學(xué)習(xí)動力。

“材料研究與測試方法”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)知識課程，在武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院無機非金屬材料工程專業(yè)的本科培養(yǎng)方案中作為專業(yè)必修課。“材料研究與測試方法”課程內(nèi)容包括：X射線衍射分析、光學(xué)顯微分析、電子顯微分析、光電子能譜分析、振動光譜分析和熱分析等，涉及多種測試分析技術(shù)的基本原理、檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)、檢測樣品的要求與結(jié)果分析等。要求學(xué)生了解和掌握常用材料現(xiàn)代測試技術(shù)的基本原理、主要功能及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)會從材料的微觀組成和結(jié)構(gòu)的層次上分析、認識其與材料性能和工藝之間的聯(lián)系。其中，顯微形貌表征與測試是分析材料微觀幾何形狀和大小，組織結(jié)構(gòu)與分布，以及表面狀態(tài)的重要手段，其作為課程的主要內(nèi)容穿插在多個知識模塊中，是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點與重點[2]。通過知識結(jié)構(gòu)建構(gòu)，并輔以案例教學(xué)，可有效解決教學(xué)難題，幫助學(xué)生快速有效地掌握知識內(nèi)容。

1 知識結(jié)構(gòu)建構(gòu)

“材料研究與測試方法”課程內(nèi)容涉及面廣，內(nèi)容繁雜，分散性大，知識點關(guān)聯(lián)度低，為授課教師在組織教學(xué)內(nèi)容時帶來諸多不便，學(xué)生學(xué)起來通常感覺比較枯燥，嚴重地影響了教學(xué)效果。授課教師可改變傳統(tǒng)的教學(xué)思想，巧妙設(shè)計課程推進方法，融入新的教學(xué)理念，通過構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)體系，解決教學(xué)中的難題，增強同學(xué)們的學(xué)習(xí)能力[3]。下面以材料顯微形貌表征與分析的相關(guān)知識為例，闡述知識結(jié)構(gòu)圖的構(gòu)建過程。

材料顯微形貌表征與分析屬于光學(xué)顯微分析和電子顯微分析知識模塊的內(nèi)容。光學(xué)顯微分析是利用幾何光學(xué)顯微鏡，通過透鏡使光線聚焦成像，觀察材料的組織結(jié)構(gòu)與形貌。相較于光學(xué)顯微分析，電子顯微鏡則是利用電磁透鏡使電子束聚焦成像，具有高分辨能力、高放大倍率的特點，可獲得納米尺度下材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分信息，在材料科學(xué)、地質(zhì)礦物、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電子顯微分析技術(shù)獲取材料顯微形貌信息的常用方法包括：掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和電子探針（EPMA）。三者之間的儀器構(gòu)造、成像原理、功能和特點不盡相同。電子束射入固體試樣，發(fā)生原子的彈性和非彈性散射，產(chǎn)生不同種類的電子信號，信號強弱與入射電子的能量、試樣的原子序數(shù)和電子束入射方向有關(guān)。SEM、TEM和EPMA收集的成像電子信號分別為二次電子和背散射電子、彈性散射電子和特征X射線。特征X射線范圍廣，圖像分辨率低于其他信號，但分析區(qū)域較大；彈性散射電子能量最高，波長最短，成像分辨率最高；二次電子圖像富有立體感和真實感，易于識別。根據(jù)上述知識點之間的區(qū)別與聯(lián)系構(gòu)建出關(guān)于材料顯微形貌表征與分析的知識結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。

為了讓學(xué)生清楚掌握相關(guān)知識結(jié)構(gòu)，可要求學(xué)生直接感受類比和化歸總結(jié)知識點，形成自己的知識結(jié)構(gòu)圖。由于每一位學(xué)生對知識的認知程度不同，所構(gòu)建的知識結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖也是不同的，同時學(xué)生在構(gòu)建思維導(dǎo)圖的過程中也可以加入自己的想法和見解，教師就可以從學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖中看出學(xué)生對知識的了解程度，在哪些方面存在知識的欠缺，便于教師對學(xué)生進行針對性引導(dǎo)。

2 案例教學(xué)建設(shè)

在理論學(xué)習(xí)階段，傳統(tǒng)的教學(xué)方式通過知識點逐條串講的模式向?qū)W生傳授理論知識，難以發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動力，學(xué)生處于被動跟學(xué)的狀態(tài)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如在課程教學(xué)中穿插案例，以問題為基礎(chǔ)，將啟發(fā)式教學(xué)思想融入教學(xué)中，有利于調(diào)動課堂氣氛和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深對相關(guān)知識點的理解與掌握[4]。下面以納米碳材料的顯微形貌表征為例，說明如何將案例教學(xué)引入到知識結(jié)構(gòu)教學(xué)中。

納米碳材料具有高比表面積、高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在催化、儲能、化工和陶瓷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米碳材料的種類主要包括：碳黑（carbon black）、碳納米管（CNT）和石墨烯（graphene）等。各種納米碳材料的顯微結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其物理化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域迥異，因此熟練掌握材料形貌結(jié)構(gòu)表征技術(shù)是材料研究的重要環(huán)節(jié)。如圖2（p112）所示，碳黑SEM圖呈納米級尺度的球狀顆粒狀，顆粒團聚現(xiàn)象嚴重，團聚顆粒的粒徑大于5 m，其TEM圖可以看出，單球納米碳黑的直徑為50~100 nm，單球碳黑顆粒出現(xiàn)中空狀和成核狀，由石墨層面微晶結(jié)構(gòu)組成。碳納米管的SEM圖呈顯著的一維晶須狀形貌，相互之間卷曲纏繞，觀察不到中空管狀結(jié)構(gòu)，而其TEM圖顯示碳納米管為多壁碳納米管，具有中空結(jié)構(gòu)，直徑約為20~80 nm，管壁厚約5~10 nm。石墨烯SEM圖呈明顯的二維層狀結(jié)構(gòu)，TEM圖呈現(xiàn)石墨烯原子級分辨率圖像，顯示出完整的碳原子六元環(huán)蜂窩狀結(jié)構(gòu)[5]。

通過講授兩種形貌測試方法原理和對比納米碳材料的表征結(jié)果，將知識點融會到案例教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識結(jié)構(gòu)及基本原理，提出問題與學(xué)生進行討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴展知識面，活躍學(xué)習(xí)思維，發(fā)揮創(chuàng)新性。類似的案例素材不勝枚舉，例如教師可以在課堂中以無機非金屬材料氧化鋁為案例，氧化鋁具有高熔點、高硬度、良好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在化工、機械、建筑和陶瓷等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在實際生產(chǎn)中，氧化鋁粉體的顯微形貌包括：零維球型和空心球型、一維纖維和針狀以及二維片狀。授課教師通過向?qū)W生們布置課后習(xí)題、分組討論或組織學(xué)生做文獻匯報的方式，要求學(xué)生根據(jù)自己的知識結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖，選取合適的表征測試技術(shù)表述氧化鋁的形貌特征，闡明相關(guān)測試技術(shù)的儀器原理和結(jié)構(gòu)、成像原理及圖像特征等。在這個過程中，可以充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力和歸納類比知識體系的能力，牢固掌握相關(guān)課程知識內(nèi)容，緊密聯(lián)系理論與實踐，并提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

3 結(jié)論

總之，“材料研究與測試方法”作為材料科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)必修核心課程，對培養(yǎng)學(xué)生掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)理論、提升科學(xué)實踐素養(yǎng)、完善科技知識架構(gòu)具有重要意義。該課程內(nèi)容涉及面廣，知識點繁多，而且彼此之間關(guān)聯(lián)不緊密，采用傳統(tǒng)逐節(jié)課程內(nèi)容串講的教學(xué)方式，教學(xué)效果差，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差。授課教師如何有效組織課堂講授內(nèi)容，提高教學(xué)效率，是擺在諸多材料學(xué)專業(yè)高校教師面前亟待解決的難題。

基于結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論，以基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)為中心，建立各章節(jié)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，類比、歸納和總結(jié)課程內(nèi)容，形成詳細的知識結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖，并結(jié)合學(xué)生各自的知識結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖，準確掌握每一位學(xué)生的課程知識掌握情況，有的放矢地輔導(dǎo)學(xué)生。在課堂教學(xué)活動中，以課程知識結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合案例教學(xué)，將理論教學(xué)和實際應(yīng)用、課堂講授和討論有機結(jié)合，提升教學(xué)內(nèi)容的趣味性和生動性，使學(xué)生作為教學(xué)活動的主體，讓其積極參與到教學(xué)活動中，激發(fā)學(xué)習(xí)動力，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，拓展創(chuàng)新思維，改變學(xué)生被動跟學(xué)的現(xiàn)狀。

另外，在課堂教學(xué)內(nèi)容中，還應(yīng)適當引入思政教育案例，培養(yǎng)學(xué)生的文化素養(yǎng)和民族自信；相應(yīng)引入實踐教學(xué)，提供實際動手操作儀器設(shè)備的機會，有助于學(xué)生全面理解和掌握課程知識，培養(yǎng)科研興趣，提升綜合科研能力。