將前端科學研究與實際工程問題融入教學

摘 要 晶體缺陷是影響材料性能的關鍵因素，位錯理論是提高材料強度的重要基礎，已成為當今晶體塑性理論和材料強化理論的基石。由于其概念復雜、理論抽象，學生在學習過程中往往無法建立完整的晶體缺陷和位錯理論的認知體系，缺乏用位錯理論解決復雜材料工程問題的能力。本文從晶體變形與位錯運動的基本規(guī)律出發(fā)，抓住位錯交互作用的難點開展教學過程設計，引領學生演繹點、線、面、體缺陷之間的相互轉化過程，并結合前端科學研究與實際工程問題，深化學生對晶體缺陷知識和理論的掌握;圍繞課程思政、答疑思辨、過程考核等教學環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總結了晶體缺陷與位錯理論的課程教學實踐與創(chuàng)新教學方法。

關鍵詞 教學設計;晶體缺陷;位錯理論;前端科學研究;實際工程問題

晶體缺陷是“材料科學基礎”課程里的重要內(nèi)容，其中位錯和位錯運動是材料學、固體力學、凝聚態(tài)物理中的重要研究課題，位錯運動對晶體的很多性能和行為有著重要的影響。學生們在接觸本課程之前已學習了“大學物理”和“物理化學”等課程，但即使這樣，由于晶體缺陷概念多、位錯理論抽象、涉及知識面廣等特點，所以不管是教師教學還是學生學習難度都很大[1-3]。另一方面，一些學生對專業(yè)認可度不高，學習目標性不強，且對于自身發(fā)展比較盲目，自我要求低，內(nèi)驅力不足。還有一些學生沉迷于網(wǎng)絡游戲，沒有追求和理想，缺乏社會責任感，缺失正確價值觀引導[4-6]。為了提高該課程的教學質量，使學生在具體的學習過程中提升學習興趣，必須在“材料科學基礎”課程的教學形式、教學內(nèi)容及教學手段等方面進行改革和創(chuàng)新，積極探索適應材料科學與工程、凝聚態(tài)物理等專業(yè)學生素質教育需要的教學方法，從而培養(yǎng)學生掌握固體材料研究的科學原理、科學方法和基本的創(chuàng)新方法，針對復雜材料工程問題建立合理的數(shù)學模型，能夠運用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理分別描述位錯的運動、位錯的交互作用、材料強化方法、金屬材料的變形等微觀機制。最終，使學生能夠達到利用晶體缺陷理論和知識分析并解決實際問題的教學目標要求。本文選取晶體缺陷的幾個重要知識點，展示我們所嘗試的課堂教學實踐以及教學改革探索，期望與國內(nèi)同行們交流，不斷提升晶體缺陷課堂教學效果。

1 位錯的運動與晶體的變形

課堂上對位錯理論的講解通常都是先從簡單立方開始，內(nèi)容包括位錯的分類、位錯的運動方式、位錯的運動規(guī)律和位錯的彈性性質與交互作用等。位錯運動的一般理論認為，刃型位錯可以滑移也可以攀移，而螺型位錯只能滑移不能攀移，混合型位錯可以滑移，也可一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃型分量攀移）。由于滑移面是由柏氏矢量b 和位錯線ξ 決定的平面，即ξ×b。因此刃型位錯和混合型位錯其滑移面是唯一的;而螺型位錯的滑移面是不唯一的，幾何學上包含位錯線的任何平面都可以是滑移面。但實際晶體中由于派納力的作用，位錯總是優(yōu)先在密排面的密排方向上運動。

在課堂上，帶領學生們辨析螺型位錯、刃型位錯和混合型位錯的運動特征，引導他（她）們認知位錯運動的共性規(guī)律：不論何種位錯，不論滑移、攀移或既滑移又攀移，位錯線的運動方向 始終垂直于位錯線ξ 方向。在此基礎上，繼續(xù)引導學生們關注位錯的運動方向和晶體各部分的位移方向V 之間有什么對應關系，從而比較自然地引出了ξ×規(guī)則。即當柏氏矢量為b 的位錯線ξ沿方向運動時，以位錯運動面為分界面，ξ×所指向的那部分晶體必沿著b 的方向運動，這個規(guī)則稱為ξ×規(guī)則。

無論位錯的滑移還是攀移，都會引起晶體的永久變形，即引起塑性變形。在學生們建立切應變和正應變概念的基礎上，逐步講解位錯滑移運動引起切應變，而位錯的攀移運動引起正應變。當一根位錯線掃過整個滑移面時（也就是當位錯從晶體的一端運動到另一端時），上下兩部分晶體沿滑移面相對位移一個柏氏矢量|b|的距離。由于該柏氏矢量模值與晶體的晶格常數(shù)在一個量級上，因此位錯一次滑移（指掃過整個滑移面）的結果所產(chǎn)生的宏觀變形是非常微小的。只有成千上萬次的位錯滑移的累積效果，才能使晶體在宏觀上產(chǎn)生明顯的變形。正是由于位錯的一次又一次滑移的微小量變過程，當累積到一定的程度達到晶體變形極限時，位錯的微觀運動將導致晶體的宏觀變形發(fā)生質變———晶體材料斷裂失效。

通過對位錯運動的量變到晶體變形的質變的講解，加深了學生們對這些概念的理解。在此基礎上，課堂上又進一步解釋了晶體宏觀變形的量并不等同于位錯運動的量，闡明了位錯運動的距離與晶體運動的距離是兩個不同的概念。

2 位錯間的交互作用

在學習了位錯應力場分布特點后，通過講解位錯應變能的計算求解過程以及位錯運動的動力和阻力，使學生明白在實際晶體中存在的許多位錯，由于它們之間的彈性應力場作用，必然影響到這些位錯的運動和分布。在外加力場或電場的作用下，位錯之間發(fā)生相對運動，直至發(fā)生位錯的交割。在課堂上講解這一部分內(nèi)容的時候，可以把國際上最新研究的成果展示給大家，即在電場作用下也會驅動位錯的運動。自20世紀30年代位錯理論被提出以來，普遍認為位錯移動需要受到應力驅動，并且從理論和實驗上對應力加載下的位錯動力學進行了廣泛和深入的研究。加拿大多倫多大學鄒宇教授課題組與北京大學物理學院高鵬教授等課題組利用原位透射電鏡在沒有外力的情況下，直接觀察到外加電場驅動位錯移動，位錯可以隨著電場方向變化往復運動[7]。讓學生感受到，雖然位錯理論從提出到完善已近百年，但隨著科學研究的不斷深入，位錯理論還在不斷發(fā)展中，而且對于新材料的開發(fā)還在發(fā)揮越來越重要的作用。課堂上通過最新科研成果的引入，對于激發(fā)學生們學習晶體缺陷知識的主動性，特別是克服學習位錯間交割的畏難情緒發(fā)揮了積極的作用。