杨 平 李 景 陈 冷 孟 利 强文江

北京科技大学材料学院 北京 100083

材料科学基础课程是材料专业的核心课程，许多学校开展了对此课程的教学改革与建设[1-3]，并且在不断优化课堂教学的改革下，逐渐强调第二课堂的利用[3]。我校材料科学基础课程自成为国家精品课程后，在北京市优秀教学团队建设项目、国家级优秀教学团队建设项目及多项校级研究型教学建设项目支持下，确定了有效提高学生综合能力的目标，探索了四个拓展：(1)由第一课堂(即理论课程)向第二课堂(课后兴趣小组)的拓展；(2)由利用软件进行虚拟型学习的实践向趣味型技能训练或研究实践的拓展；(3)由针对金属材料组织分析(金相学)训练到对矿物、岩石、宝石、液晶等材料微观(岩相学)及宏观组织的分析训练的拓展；(4)由介绍基本概念、定律到介绍相关背景、人物、经典文献的拓展。逐渐形成了有特色的基于材料科学基础课程的学生综合能力培养模式，同时将各类相对零散的教学资源系统化整理，并探索研究型教学理论及规律性，这些过程的完成使得教学实践活动具有了理论研究的意义，在提高学生综合能力的同时，也提高了教师的综合素质。本文将介绍教学小组针对研究型教学中为提高以学习金属材料为主的学生的兴趣，探索从岩石、矿物、宝石等非金属材料分析入手，通过与金属材料的对比，加深对课程基本概念的理解和应用能力的培养，探索学生的学习从趣味性入手，有效过渡到专业性和实用性的规律。应当承认，第二课堂的利用，总体上是对少数学习较好或兴趣广泛的学生进行的，也包含一些参加本科生科研训练计划(SRTP)的学生，其广泛性还不足。这些学生中的一部分，经过一年的训练，可以达到以第一作者身份发表教学研究论文的程度，当这些学生进入四年级后，有可能做出不错的科研结果。

1 实施过程、案例分析与资源整理

我们对矿物、岩石及宝石方向的分析研究从2009年开始，因人力、物力的限制，初期规模较小，基本是获取一部分岩石、矿物材料或标本，指导学生对其探索分析，总结相关规律及存在的问题；再以其为基础，开展下一轮及下一届学生的分析研究，接着陆续获取一些新的岩石、矿物、宝石材料及标本，再指导学生分析研究及训练，然后总结其规律及存在的问题。如此往复。

到目前，分别进行了如下教学资源的收集、整理及实践活动。

(1)购置了基本的分析训练用具，如专用10倍的放大镜、专用手电筒(如图1所示)；购置了各种岩石、矿物、宝石类及晶体学的相关书籍，如：《简明岩石学》《地质学基础：实习指导书》《实验及理论岩石学》《火成岩岩石学》《矿物与岩石权威图鉴》《宝石学》《宝石》《非金属矿物材料》《无机材料岩相学》《结晶学与岩相学》《材料性能：各向异性、对称性与结构》(如图2所示)。还从网上下载了大量的电子书籍、岩石矿物宝石照片、文章及其网站地址。

图1 放大镜与手电筒

图2 购置的岩石、矿物、宝石书籍

(2)通过与中国地质大学教师及研究生交流，获取的典型岩石有：粗晶火成岩、糜陵变质岩、细砂型沉积岩(如图3所示)。

图3 典型岩石与对应的岩相组织

(3)收集及购置的矿物类标本：水晶(单晶和双晶)、绿柱石(普通石及祖母绿)、红柱石、萤石、红宝石、辉锑矿、天河石、木变石、异极矿、黄铁矿(立方体和五角十二面体两种)、电气石(碧玺)(如图4所示)。

图4 各种岩石、矿物、宝石标本

(4)廉价的宝石类(经抛光)：如红玉髓、萤石、蔷薇辉石、碧玉、三氧化二铁(肾石)、翡翠、绿松石、紫水晶、黄水晶、玫瑰水晶、透明水晶、烟水晶、发晶等；拉长石(如图5所示)。有了这三大类样品及标样，该部分与相应的金属类实验课相比有较多较系统的训练研究材料，也逐渐掌握了岩石矿物的知识。

图5 各种抛光后的宝石

(5)由上述各类标本制成透射观察薄片(偏光下观察)(如图6所示)20种以上。有了这些丰富的教学资源，可组合设计出许多选修实验，并结合课程知识开展不同深度的基础研究。

图6 透射薄片试样

利用各类普通岩石可设计典型岩石鉴定实验，含宏观鉴定和微观组织及成分鉴定；可复习结晶、相图、固态相变、形变、再结晶理论及组织分析方法(岩相学)；通过各类矿物标本可设计典型矿物单晶的特征鉴别实验，可以复习晶体学、晶体结构、结晶过程的概念及原理。

通过对各种抛光的宝石分析可设计宝石初步鉴定的实验，还可以复习抛光技术、宝石中色彩产生原理(离子点缺陷，致色效应)，光学性能与晶体学的关系。

开展训练活动要考虑两个目的：一是以岩石矿物或宝石为对象，对其提出想要分析研究(探究)的问题，然后进行分析研究，如烟晶与石榴石的共生规律；二是设计出选修实验，为以后的学生做准备，可达到不断优化实践内容、提高实验系统性的目的。

开展的第一类训练及研究有：

①未知岩石相鉴定；②烟晶与石榴石共生规律分析；③立方体与五角十二面体黄铁矿单晶的晶体学特征与形成条件分析；④三类典型岩石的宏、微观鉴定；⑤单晶石英、微晶玉髓、杂晶碧玉及沙金石的对比及成因分析；⑥翡翠微观组织与硬玉质量关系的分析；⑦晕彩拉长石微观结构中的孪晶与脱溶物的分析。

初步设计的实验有：

①岩石类型的宏、微观鉴定；②典型矿物的宏观鉴定及晶体学基础训练；③一些宝石的宏观形貌分析与宝石致色原因分析。

2 归纳总结与经验推广

前期实验使用的材料、分析内容都比较零碎，到现在，有比较系统的矿物类、岩石类、宝石类样品，可以设计系统的实验，开展系统的研究。笔者通过承担研究生40学时的晶体结构课程教学，找出共性的普适的晶体学、晶体结构、晶体缺陷(点、线、面)实验内容，提高学生的综合能力。具有多方面的用途：

(1)开发选修型新实验，为更多有兴趣的学生提供训练的机会。

(2)培养学习科研能力，即通过从课堂了解的基本概念，明确基本目标，查文献及参考书，开展分析或制备样品，如果用偏光镜分析存在困难，可使用扫描电镜中的能谱仪进行成分鉴定。类比法的应用：回忆48学时的材料科学基础实验课的内容，使用的都是金属，光学镜原理与使用—对应偏光显微镜的原理与使用；机械抛光制样—对应透射薄片制样(委托资源学院采矿专业实验室制备)；金属及合金的凝固组织分析—对应火成岩的组织分析(两者都利用相图分析)、金属形变及再结晶组织分析—对应变质岩及沉积岩的岩相组织分析；晶体结构及晶体学都是通过图片软件分析训练，而矿物岩石可直接用于这些概念的训练。例如：利用我们收集到的各种石英类样品，可以设计下列训练内容：①对石英单晶体、歪晶、双晶的分析，训练晶体学内容；②对石英与石榴石、石英与黄铁矿、石英与金红石组成的发晶的分析，训练结晶原理；③对不同颜色的石英单晶宝石(如无色水晶、紫水晶、黄水晶、烟水晶)等的分析，进行光学致色效应与离子点缺陷作用的训练；④对火成岩、变质岩、沉积岩中石英的形貌特点及形成规律的差异进行分析，涉及凝固、相图、形变、再结晶、固态相变知识的训练；⑤通过对从石英单晶不同晶体学方向切出的器件具有不同的功能作用(振荡器、压电效应器件)[4]的了解，拓展学生晶体学各向异性概念与物理性能关系及应用方面的知识。

(3)通过讨论锻炼研讨及表达辩论能力，通过写文章向教学研究类期刊投稿锻炼写作能力。对优秀学生，在实践环节动手能力训练的基础上，可训练其撰写文章的能力，只有完成撰写文章并发表，才真正完成一个周期的训练。目前，只有少数三年级学生能发表文章。近4年学生共撰写12篇文章，其中发表7篇，都以本科学生为第一作者(这些文章中只有少数涉及矿物岩石)，这些文章主要是教学研究文章。教师通过多年研究型教学活动的开展，也获得了许多经验，认识到要不断探索新内容，到一定阶段后又须及时归纳总结，形成规律性的培养模式；再进行实验性探索，不断总结，系统化。教师在训练学生的同时，摸索出研究型教学的规律。

(4)拓宽就业面。学生的就业方向从金属结构材料向无机材料、地质类、宝石类扩展。

(5)将各类教学资源打包。2008年以前，我们将主要精力用在学生自学平台软件系统的建立上，它是虚拟训练法，以光盘形式使用。到2012年，完成《材料科学名人典故与经典文献》书籍的出版，加上收集到的珍贵但不适合出版的名人照片资料，构成了人物历史典故教学资源。与此同时，收集到较多的岩石、矿物、宝石实物资源以及制备的透射薄片样品，设计的多种实验指导书，成为另一个有特色的教学资源包，弥补了前两种非实物形式实际训练不足的缺憾。

3 结束语

教学研究永无止境，专业课教师从事的科研虽与讲授课程有十分密切的联系，但因材料种类的广泛性，在教学时仍显得不足。教师也需要不断充电，在探索岩石、宝石等不太熟悉的领域时，可获得各类材料共性的知识，支持教学，也支持自己的科研。教师的一个重要作用是用简单的语言，通过简单的研究内容，将共性、特色的知识有效地教给学生，使学生在尽量短的时间内学会应用理论知识。在三年级学生由接收基本知识向应用知识转型中，如果直接参与教师承担的课题研究存在较大难度，学生难以较快获得成就感；而通过开展内容或材料较陌生，但感兴趣的研究，完成相对容易的教学研究项目，更容易使学生获得成就感。在教师与学生共同从事的各种小型第二课堂研究及训练中，教师应及时对研究成果进行系统化、规范化整理，最终形成有规律、特色明显的教学资源模块，如学生自学平台软件虚拟实践模块，材料名人典故人物教育模块，矿物、岩石及宝石类实物教学模块。

[1] 计云萍,任慧平.“材料科学基础”课程教学改革[J].中国冶金教育,2009(6):38-40,43

[2] 王静,王素梅,宋春梅,李洪波,金宝士.《材料科学基础》教学改革,全面提高学生素质[J].铸造设备与工艺,2010(2):49-51,54.

[3] 王焕新,李超,尹志刚,桂阳海,孙雨安.素质教育背景下《材料科学基础》教学探讨[J].中国科教创新导刊,2010(34):45,47

[4] 罗伯特.E.纽纳姆.材料性能:各向异性、对称性与结构[J].西安:西安交通大学出版社,2009.