《无机材料科学基础》过程动力学内容的教学探讨

摘要：过程动力学部分是《无机材料科学基础》课程的重要内容。本文结合实际教学中对该部分的体会，从教学理念、课程线索、教学方法几个方面对这部分内容的教学进行了探讨。在教学理念上重视从学生的基础出发，解惑为道，在教学过程中强调课程内容的线索，注意点面结合，在教学方法上重视使用辩证法原理解释科学问题。将传授知识和启发式教学相结合，深化了学生对课程内容的理解，并使学生在一定程度上形成深入、系统思考专业问题的能力。

关键词：解惑为道；课程线索；辩证法；传授知识；启发式教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）39-0093-02

《无机材料科学基础》课程的前身为《硅酸盐物理化学》，是我国各大学无机材料专业的专业基础课。它包含水泥、玻璃、陶瓷等各门无机材料课程最基础的理论内容，涉及晶体结构、无机材料热力学和无机材料过程动力学等几部分内容。过程动力学部分是本课程的重要内容，包含扩散、固相反应、相变、烧结四个部分。相比本课程中晶体结构和热力学部分的内容，过程动力学课程具有各章之间联系较弱、公式和数学推导较多的特点，是教学中比较难以把握的一部分。文章根据对本部分内容的教学体会，就该部分的课程线索、内容把握和教学方法等方面提出了一点看法，期待与各位同行交流。

一、从学生基础出发，深入浅出解惑为道

师说云：师者，所以传道、授业、解惑也。从古至今，为人师者均担负着这三个重任。孔夫子的足迹遍布当年的六国，通过收徒授课的方式将他的儒家之道广为传播。但随着网络时代的到来，当今社会的教育尤其是大学教育有了新的特点。一方面，网络带来了爆炸型的知识增长，资讯高度发达，通过网络可得到的信息相当丰富。另一方面，大学生的综合素质也发生了飞跃，多元化的渠道使他们获得知识相当容易，远胜于老师所能传授的内容。这种情况下，大学传统的以传授知识为目的教育模式受到了挑战。在这样一个时代，教学理念面临转变的必要性，为师者传道、授业、解惑的三大功能中，前二者的功能一部分为网络取代。因而解惑已成为大学老师帮助学生进步的最重要的内容。以学生已经具有的知识为出发点，找到学生的困惑之处，然后通过解惑，帮助学生加深对知识的理解，深入浅出地对课程内容进行剖析，将更有利于学生加深对所学内容的理解和掌握。在无机材料科学基础的教学中，笔者就充分体验到这种教学方法的益处。以相变为例，水结冰首先从边上开始，这是很多大学生通过生活和互联网的途径早已积累的知识。但对为什么会这样，在大学生中可能知道的比例并不大，这就存在了“惑”，有了“解惑”的必要性。通过这样的解惑，笔者很容易地引出了“均匀成核”和“非均匀成核”的概念。在课堂教学中，笔者首先提出了大家所熟知的水从边界结冰的事实，然后问学生为什么是这种情况。大部分学生是面露疑惑，很多学生更是议论纷纷。这样，笔者就在学生已有的知识基础上，找到了学生的“惑”。以解决这个“惑”为目的，笔者在一盘水中设定了二个参照点：盘边、盘中表面以下。从盘中表面以下的水结冰讲起，把冰的晶核考虑为球形，则得到了结冰所引起的界面能上升和冰粒自由焓下降的平衡关系，根据这种结冰时的体系自由焓平衡关系，由此得到均匀成核临界核半径的关系式。再考虑边缘润湿情况，考察形成该临界半径“球帽”所需要的晶相转变数量，学生很容易就可得到这样的结论：在边界由于形成“球帽”，形成临界半径所需要的相变量比盘中表面以下结冰容易得多。正是通过以学生已有的水从边上开始结冰的现象，通过为学生解决疑惑，笔者较为方便地解决了均匀成核和非均匀成核的知识传授问题，深入浅出地使学生较好地掌握了均匀成核、非均匀成核的相关概念和机理问题。这样的教学方法，以解决学生的疑惑为基础，提高学生的兴趣，取得了较好的教学效果。

二、确定各章关键词，找到课程理论线索

无机材料科学基础的过程动力学内容看似零散，其实也存在一个总体线索，一言以蔽之，就是以粒子微观移动为本质，以体系宏观变化为表象和目的。以粒子微观移动和体系宏观变化为着眼点，笔者在教学中尝试确定了各部分内容的关键词，确定课程各部分内容的关联线索。扩散部分的内容，其微观粒子移动的本质特征为扩散系数，其宏观表象为体系中由于浓度差而引起的粒子移动的通量。而菲克第一定律和菲克第二定律则处理浓度差和通量的关系，这二者通过描述微观粒子移动特征的扩散系数相关联。空位扩散是无机材料的主要扩散机制，空位浓度及空位产生机制不仅对扩散系数产生重要影响，而且空位浓度差则导致产生通量。根据上述线索，本部分内容的关键词可确定为菲克定律、扩散系数和空位扩散。固相反应一章中，最为令人注目的是一个转化率的问题，是宏观变化的表象。而大量的篇幅在转化率如何计算，很多内容着墨于数学问题，固相反应的机制问题则牵涉到扩散能力也即扩散系数及扩散机制问题。反应机制的差别——化学反应控制还是扩散控制方面的问题，解决的粒子微观移动的本质问题。本部分的关键词为非均相反应、转化率、反应机制。相变一章最关键的内容为在相变时界面对相变的阻碍，成核成长和不稳分解的机理的区别尽管说可以从分相引起的微小自由焓变化来加以判定，但从直观的角度来讲，界面的形成与否则更容易让人理解。如果把着眼点定位于界面的产生与否，成核生长和不稳分解的很多问题就可以迎刃而解。从界面的角度出发，学生就很容易理解二者在势垒、相变速度、扩散类型乃至分相初期形貌等方面的差别。该部分内容的微观移动的本质问题为在界面作用下的微观扩散机制的变化，其表象为分相初期的形貌。因而这部分的课程关键词为界面、势垒、扩散。至于烧结则相对复杂，涉及不同的烧结机理以及烧结过程中，涉及微观粒子的移动问题主要有扩散、塑性流动、粘性流动和蒸发凝聚和溶解沉淀，其宏观表象为颗粒堆积体的收缩。尽管从表面上看来，各种烧结机制之间存在很大的差异，但从本质上来看，烧结可以看成为粉体堆积体减小表面积为目的而进行的大颗粒吞并小颗粒（简称以大吞小），凹面吞噬凸面（简称以凹吞凸）的过程。可以将这部分内容的关键词归结为比表面积、以凹吞凸、以大吞小和体积收缩。综上所述，以粒子微观移动和宏观变化的总线索为出发点，可提炼出各章的具有特色的关键词，形成各章节内容的理论线索。掌握了这些关键词，然后从微观移动和宏观变化对这些关键词进行思考和分类，有利于形成课程的本部分内容的总体线索。

三、以辩证法为指导，掌握课程哲学内涵

众所周知，哲学可对具体的自然科学产生指导作用，辩证法是哲学的重要内容，包括对立统一规律、量变质变规律和否定之否定规律。对立统一规律强调任何事物均有正反二个方面，且随条件变化两方面的主次地位可以发生变化，量变质变规律揭示任何事物的变化均存在一个“孕育和积累”过程；否定之否定则体现螺旋式上升过程和曲折性。无机材料科学基础的过程动力学部分可找到反映上述三个规律的典型案例。无机材料科学过程动力学部分内容中能够诠释矛盾论的例子有很多，典型的为有极值点的一些曲线。以相变部分内容为例，成核-生长机理的相变尺寸和自由焓变化的关系曲线、成核速率和晶体生长速率与过冷度的关系曲线均存在极值点，它们体现的是矛盾主要方面和次要方面相互转化的矛盾运动规律。笔者针对相变尺寸-自由焓曲线提出了相变尺寸增大导致体系自由焓下降这一矛盾的一个方面，要求同学根据极值出现的特点及矛盾论的基本原理，启发学生找到矛盾的另外一个方面，通过主动思考，学生很容易地就理解了界面的形成对相变的牵制作用，通过矛盾主要方面和次要方面在一定条件下相互转化的规律，理解了相变尺寸这一条件对自发成核的重要意义，并从哲学高度理解了临界尺寸这一转折点含义：颗粒尺寸增大而引起的成核自由焓下降的因素，和颗粒尺寸增大而引起的界面增大在相变过程中所起的牵制作用，这一对矛盾的二个方面，其主次地位发生了转变。晶体-熔体相变的等温台阶，则是质量互变规律的一个典型案例。众所周知，平衡状态下，相变处自由焓不变。以一级相变为例，在相变温度处，ΔG=ΔH-TΔS=0。随着外界热量的不断进入一个物相体系，体系的温度升高。但当到达相变点时，尽管有能量进入，体系将在一个阶段保持温度恒定。这里存在一个质量互变规律，能量不断进入体系，导致体系的混乱度增大，也就是熵增大，随着量的不断积累，混乱度达到一定程度，体系的性质产生了质变，由一种相完全转变为另一种相。在相变温度下停留的过程，是一个新相的“积累和孕育”的过程。在教学中，从辩证法的角度给学生讲授相变过程中熵增大这一质量互变规律，有利于加深学生对这部分内容的理解。至于否定之否定规律，则是我们材料制备的目的。以陶瓷制备为例，其原料本为矿石，为具有强度的块体材料。在陶瓷制备过程中，首先要破坏这些块体，将其制成粉体，实现第一次否定过程，通过成形和烧结过程，又将粉体材料变成为具有强度的块体材料，实现第二次否定过程。通过这样一个否定之否定的过程，原来的块体矿石，通过一个螺旋式上升的过程，形成更好服务于人类的块体材料。在教学中，通过阐明这二个否定过程，可以启发学生深入探索其中缘由，理解第一否定过程中由于能量通过球磨等过程进入体系，使物料比表面积增大，从而为第二个否定过程奠定基础。并掌握在成形过程中体系在粉体表面能及水的表面张力的作用下形成块体以及烧结过程中体系在一定温度下表面张力降低的过程中的能量变化原理。学生可通过了解陶瓷制造过程中体系由块体变为粉体，然后又变为块体的否定之否定规律，深入了解在这一规律后面的能量方面的否定之否定规律即由矿石块体的低表面能到粉体的高表面能然后又回到陶瓷块体的低表面能这一否定之否定过程。从而加深陶瓷制备过程、烧结推动力及机理方面的理解。

网络时代的教学，老师的职能——传道、授业、解惑三方面作用的重要性发生了变化，解惑为道可提高学生学习的兴趣，加深学生对课程相关内容的理解，提高教学效率和效果。以微观粒子移动和宏观变化表象为出发点，可确定无机材料科学基础过程动力学各部分关键词，通过这些关键词，然后从微观移动和宏观变化对这些关键词进行思考和分类，有利于形成课程的本部分内容的总体线索。从课程具体内容中寻找无机材料过程动力学部分存在的辩证法规律，通过揭示其内在的辩证法规律，有助于学生从更深层次掌握课程内容。

参考文献：

[1]张立波，聂锦芳，赵家祥.马克思主义哲学教程[M].北京大学出版社，2004.