思維導圖在“材料分析與測試”教學中的應用

羅嘯 馬亞楠 陳緒興 張傳坤

摘要“材料分析與測試”是材料物理專業(yè)的專業(yè)必修課程，該課程的實用性強，理論知識抽象，涉及大量專業(yè)術語，知識點繁雜，學習難度大。思維導圖（The Mind Map）是表達發(fā)散性思維的有效圖形思維工具，簡單且高效，是一種實用性的新型教學工具。在“材料分析與測試”教學中應用思維導圖，運用圖文并重的技巧，幫助學生直觀、清晰地理解該課程的相關概念以及知識結構，更好地掌握材料課程的知識體系，不僅能增添知識講授的趣味性，還能鍛煉學生的發(fā)散思維和歸納總結能力，促進學生對重要知識點的記憶。文章探討了思維導圖對“材料分析與測試”課程教學的促進作用，探索思維導圖在本課程中的具體應用。

關鍵詞材料分析與測試；思維導圖；知識體系；課堂教學

中圖分類號：G424? ??????????????????????????文獻標識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.032

The Application of Mind Mapping in the Teaching of "Material Analysis and Testing"

LUO Xiao1， MA Yanan1， CHEN Xuxing2， ZHANG Chuankun1

（1. School of Mathematics and Physics and Optoelectronics， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan， Hubei 442002; 2. School of Materials Science and Engineering， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062）

Abstract"Material Analysis and Testing" is a compulsory course for materials physics majors. It has strong practicality， abstract theoretical knowledge， involves a large number of professional terms， complex knowledge points， and high learning difficulty. The Mind Map is an effective graphical thinking tool for expressing divergent thinking， simple and efficient， and is a practical new teaching tool. In the teaching of "Material Analysis and Testing"， the application of mind maps and the use of techniques that emphasize both graphics and text can help students intuitively and clearly understand the relevant concepts and knowledge structure of the course， better grasp the knowledge system of the material course， not only increase the interest of knowledge teaching， but also exercise students' divergent thinking and inductive and summary abilities， and promote their memory of important knowledge points. This article explores the promoting role of mind maps in the teaching of "Materials Analysis and Testing"， and explores the specific application of mind maps in this course.

Keywordsmaterial analysis and testing; mind mapping; knowledge system; classroom teaching

“材料分析與測試”是材料物理專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。該課程揭示了材料成分―制備工藝―微觀結構―性能之間的關系，具有極強的實用性，其知識體系是進行材料學研究的重要工具之一，在材料物理專業(yè)人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的地位[1]。課程涉及的分析測試方法種類繁多，知識點繁雜，應用性強，其中理論知識抽象，各種概念相互連接交錯，知識面廣闊，學生學習時難以把握重點。同時，課程涉及大量的分析測試儀器，每種儀器都有其獨特的工作原理、圖像或圖譜解析方法以及測試使用范圍。課程涵蓋大量理論知識，包括物理學、化學、晶體學、電子光學等內(nèi)容，需要學習者有較廣博的知識儲備。學生在學習過程中感覺比較枯燥，缺乏學習的自主性，教學效果不理想。因此，優(yōu)化“材料分析與測試”課程教學方法以實現(xiàn)教學效果的提升，對提高學生的綜合素質(zhì)，激發(fā)學生的研究興趣有著重要意義。

本文提出利用思維導圖輔助教學，方便學生更直觀、清晰地理解“材料分析與測試”課程中的相關概念以及知識結構，有助于更好地掌握“材料分析與測試”課程的知識體系。

1? 思維導圖及其特點

思維導圖是英國心理學家托尼巴贊（Tony Buzan）在20世紀60年代提出的一種工具，能夠?qū)⒅R和信息以視覺形式和語言形式呈現(xiàn)，便于識記[2]。思維導圖可以把知識點繪制成樹狀結構圖，使相互關聯(lián)的信息以放射性圖像化的立體結構呈現(xiàn)出來，是一種有力的表達發(fā)散性思維的圖形工具。大腦對于圖像的識別、加工、記憶能力要遠大于對文字的處理能力。因此，借助思維導圖可將原本抽象、冗長的文字信息轉化為圖文并茂、重點突出、層次清晰、靈活自由的可視化圖像，從而激發(fā)大腦潛能，使閱讀者更高效地掌握知識。在材料分析與測試課程教學中，引入思維導圖能將知識體系分級整理，將各個概念和理論之間的相互關系清晰明了地表現(xiàn)出來，使學生迅速把握課程的重點內(nèi)容，理解知識點之間的關系，梳理識記思路，強化記憶，從而提高學習效率，使學生在更短的學習時間里學習更多的知識。

2? 思維導圖融入“材料分析與測試”教學的應用實例

2.1? 思維導圖可使課程的知識體系清晰化，便于學習者把握課程整體結構

“材料分析與測試”是關于材料分析與表征理論及技術的課程。材料的結構、成分、制備工藝和性能，是材料科學與工程的四個基本要素。成分和結構決定了材料的性能，對材料的成分和結構進行表征，找到其與材料性能之間的構效關系，是材料學開展研究工作的基礎，也是開發(fā)各種先進材料的前提。材料的結構分析包含晶體物相結構表征（晶格結構類型和晶胞參數(shù)）和物質(zhì)顯微結構表征（組織形貌、晶粒大小與形態(tài)和界面結構）等方面，材料的成分分析主要是探測組成材料的原子種類以及原子之間形成的化學鍵的種類。這些分析方法具體而言又可以分為物相分析、顯微分析、成分價鍵分析、分子結構分析、熱分析五大部分。厘清這五大部分的區(qū)別和聯(lián)系，是把握課程知識體系的重要前提。

利用思維導圖形式串聯(lián)起課程的五大部分，能幫助學生在大腦中繪制立體的知識網(wǎng)絡。如圖1所示，思維導圖貫穿凸課程內(nèi)容中的5個重點章節(jié)，凸顯每個章節(jié)的主要內(nèi)容，將每種分析測試方法所屬的分類和主要原理清晰化，章節(jié)結構一目了然，強調(diào)了各種測試方法之間的區(qū)別和聯(lián)系。

2.2? 思維導圖有助于抓住重點和難點，提高學習能力

教師在課堂教學中，在章節(jié)知識講授的同時，可把思維導圖作為章節(jié)提綱，使學生注意力集中于重點內(nèi)容，在學習復雜、大量的知識點時保持清醒的頭腦。這里以透射電子顯微鏡（TEM）為例，說明思維導圖的應用。TEM是一種重要的材料分析方法，兼具顯微形貌分析和微區(qū)物相分析等多種功能。其原理是以波長很短的電子束作為照明源，利用電磁透鏡放大成像，可以獲得超高的放大倍數(shù)，具有非常高的分辨本領。TEM的知識涉及多個學科領域，包括晶體學、電磁學、光學、機械學等內(nèi)容，需要深入理解晶體結構、電子在磁場中的運動、電子與物質(zhì)的相互作用、電子衍射理論、成像原理等理論知識，知識點多，學習難度高。學生在學習過程中很難吃透全部知識內(nèi)容，學習效率低。另外，傳統(tǒng)的按照教材順序?qū)Ω髦R點進行逐一講解的教學模式，對于TEM這種信息量大的章節(jié)，學生容易跟不上教師的節(jié)奏，難以構建章節(jié)的整體知識框架，也容易遺忘學過的知識點。針對TEM章節(jié)教學和學生學習中存在的問題，將本章重要知識點制作成思維導圖有助于學生整體把握章節(jié)框架，快速串聯(lián)起重難點內(nèi)容，可視化重難點內(nèi)容，找到自己學習薄弱的環(huán)節(jié)進行重點突破。

如圖2所示（p106），思維導圖有助于學生在學習TEM時厘清思路，將重點內(nèi)容串聯(lián)起來，貫穿所有內(nèi)容，強化對重點難點的掌握。首先，思維導圖能把TEM原理相關的知識點更好地組織和呈現(xiàn)出來。在成像原理上，光學顯微鏡和TEM都是基于阿貝成像原理，但在光源、透鏡和成像方式等方面有著明顯的不同。光學顯微鏡使用可見光作為光源，而TEM則采用電子槍產(chǎn)生的電子束。TEM的透鏡部分采用電磁透鏡進行逐步放大，而光學顯微鏡則使用玻璃透鏡。由于電子波的波長遠小于可見光波長，TEM能獲得更高的空間分辨率[3]。因此在學習TEM章節(jié)時，可先從學生較為熟知的光學顯微鏡引入，學習阿貝成像原理后再學習TEM，便于學生理解TEM的工作原理。

由于TEM使用電子束成像，其結構也更加復雜。從整體上看，TEM主要由電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及電源和控制系統(tǒng)三部分組成。其中，電子光學系統(tǒng)是實現(xiàn)成像的關鍵，包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)等部分。它們通過協(xié)同作用來調(diào)控電磁透鏡的焦距，實現(xiàn)不同倍數(shù)的成像[4]。同時，為了保證電子光學系統(tǒng)的正常工作，TEM還需要配備真空系統(tǒng)，以防止電子束發(fā)生散射或被吸收，同時保護電子槍不被氧化。電源與控制系統(tǒng)則為電鏡的正常工作提供保障。TEM有兩種工作模式，一種是成像模式，另外一種是電子衍射模式。在成像模式中，中間鏡對準物鏡的像平面放大成像，得到樣品在正空間下的形貌像。而在電子衍射模式中，中間鏡對準物鏡后焦面放大成像，得到的圖像是樣品在倒空間的衍射花樣。在分析TEM圖像時，需要了解其襯度產(chǎn)生的原因。TEM的襯度是指圖像對比度，是電子與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的，主要包括質(zhì)厚襯度和衍射襯度。其中，質(zhì)厚襯度是非晶態(tài)材料的主要來源，反映了物體表面特性和形貌特征。樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異，使得電子束在經(jīng)過物體時會發(fā)生不同的衰減和散射，最終在像面上顯示出不同的對比度。而衍射襯度則是由于樣品中不同位向的晶體滿足布拉格方程條件的差異造成。晶體的各晶面取向不同，導致不同晶面處的衍射強度不同，從而在像面上顯示出不同的對比度。因此，TEM的襯度可以反映樣品的形貌特征以及晶體各晶面的取向等微觀結構特征，正確理解襯度是進行TEM分析的關鍵。學生結合思維導圖對TEM重難點知識進行學習，有利于更好地掌握TEM的知識體系，抓住“測試原理―儀器結構―工作模式”的主線，有助于在學習該部分內(nèi)容時起到事半功倍的效果。

2.3? 思維導圖有利于更深入理解各種分析方法的原理

雖然材料分析與測試課程涉及的表征方法繁多，但多數(shù)表征方法的核心思想在于使用特定的方法分析所研究物質(zhì)的某種特性，以獲取樣品的微觀形貌、化學成分以及晶體結構等信息[5]。為此，一般需采用某種激發(fā)源（如電子束或單色X射線）激發(fā)樣品產(chǎn)生特定信號，并利用產(chǎn)生的信號探測樣品的某種屬性，以實現(xiàn)對樣品的表征。借助思維導圖，可以將各種分析方法的原理整理起來，直觀地展示其內(nèi)在聯(lián)系。如圖3所示（p107），圖中從電子束和X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的幾種信號出發(fā)，介紹了這幾種信號產(chǎn)生的物理機理，闡明了這些信號在特定材料分析方法中的應用。借助圖3梳理思路，可以幫助學生迅速理解每種儀器工作時使用的物理信號，這些信號的激發(fā)方式，信號中包含的與物質(zhì)某種性質(zhì)有關的信息，簡化學習思路，厘清各種材料分析方法原理上的異同，大大提高知識的可接受度，對課堂教學有很好的輔助作用。

3? 結語

本文針對材料分析與測試課程知識點多、內(nèi)容繁雜、學習難度大的特點，列舉了將思維導圖應用于課程教學的幾個實例，旨在將復雜知識體系可視化，從而能使學習內(nèi)容層次化，簡潔化，一目了然，幫助學生更容易接受和理解相關知識內(nèi)容，充分調(diào)動學生的主動性和積極性以及學習興趣，更高效地學習知識。在材料分析與測試的教學過程中引入思維導圖有助于學生構建知識體系并建立知識的內(nèi)在聯(lián)系，提升學習效率和效果。

參考文獻

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[3]陳鳳娟，金學坤.《材料分析方法》中透射電鏡教學方法的探討[J].科技風，2020（1）：59.

[4]李霞章，王文昌，王昕，等.透射電子顯微鏡培訓教學探索與實踐[J].廣州化工，2013，41（10）：212-213.

[5]田青超，陳家光.材料電子顯微分析與應用[J].理化檢驗（物理分冊），2010，46（1）：21-25，33.