基于晶體學(xué)的材料化學(xué)課程教學(xué)

于青　王忠衛(wèi)　曹梅青　黃小文　田秀娟

【摘 要】材料化學(xué)是從化學(xué)的角度研究金屬、非金屬等多種材料的科學(xué)，課程內(nèi)容涉及面廣。以晶體學(xué)為主線的材料化學(xué)課程教學(xué)，通過對材料結(jié)構(gòu)的解析和比較使學(xué)生明確各類材料在合成、性能和應(yīng)用方面的異同，體現(xiàn)了基礎(chǔ)理論和應(yīng)用的結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】晶體學(xué)；材料化學(xué)；課程模塊

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)賴以發(fā)展的各種材料主要以固態(tài)形式存在。按照基本粒子排列的有序程度，固態(tài)物質(zhì)可以分為晶態(tài)、非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)。鑒于大多數(shù)材料只存在于晶態(tài)之中且晶態(tài)材料具有特殊的規(guī)則性，在近代自然科學(xué)體系中，通過晶態(tài)獲得微觀立體結(jié)構(gòu)信息已成為極其重要的研究渠道。因此，晶體學(xué)是材料科學(xué)發(fā)展的重要支柱。

材料化學(xué)是材料科學(xué)的重要分支，是一門研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的科學(xué)[1-2]。在材料化學(xué)的課程學(xué)習(xí)中，對于材料結(jié)構(gòu)的認(rèn)識尤為重要[3]。本文結(jié)合本科教學(xué)實(shí)踐，分析了《材料化學(xué)》課程的特點(diǎn)和存在的問題，闡述了以晶體學(xué)為主線的課程設(shè)計及教學(xué)方法。

1 《材料化學(xué)》課程的特點(diǎn)及存在的問題

首先，《材料化學(xué)》是材料類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容多，涵蓋了材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用。從所涉及的材料來看，包括金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、納米材料、功能材料等。這就要求《材料化學(xué)》授課教師的知識面廣，在內(nèi)容組織上不僅能體現(xiàn)不同材料各自的特點(diǎn)，還要強(qiáng)調(diào)它們之間的聯(lián)系。

其次，不同于《無機(jī)化學(xué)》等課程，作為一個較新的學(xué)科和課程，《材料化學(xué)》不具備經(jīng)典、權(quán)威教材。目前，各大出版社的《材料化學(xué)》教材內(nèi)容各不相同，有些甚至差別較大。此外，新材料的開發(fā)、傳統(tǒng)材料的升級一直是研究熱點(diǎn)。因此，材料相關(guān)的理論和知識日新月異。如何將新技術(shù)、新成果引入到《材料化學(xué)》課程中，做到知識與時俱進(jìn)，是課程教學(xué)中面臨的一個重要問題。

2 以晶體學(xué)為主線的《材料化學(xué)》課程教學(xué)

2.1 課程內(nèi)容模塊化

按照材料化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及山東科技大學(xué)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，材料化學(xué)課程選用李奇教授編寫的《材料化學(xué)》作為教材。根據(jù)對本課程的理解，以晶體學(xué)基本原理為主線，將課程內(nèi)容進(jìn)行模塊化整合，分為背景模塊、晶體學(xué)原理模塊、金屬材料模塊、無機(jī)非金屬材料模塊、高分子材料模塊和學(xué)科前景模塊。

2.2 課程設(shè)計及教學(xué)方法

背景模塊主要介紹材料化學(xué)課程在材料科學(xué)中的地位、材料化學(xué)課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)目的及學(xué)習(xí)方法，結(jié)合實(shí)際例子（如摔不碎的納米陶瓷刀，“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”——金屬玻璃等）激發(fā)學(xué)生對課程的興趣。

晶體學(xué)原理模塊中以晶體的周期性和對稱性為教學(xué)重點(diǎn)，結(jié)合宏觀實(shí)例解釋微觀的概念和原理。鑒于晶體學(xué)原理模塊內(nèi)容較為抽象，在教學(xué)過程中采用多媒體與模型（主要是球棍模型）相結(jié)合的方式，通過對比教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生對基本概念和原理的掌握。從晶體與非晶體的異同入手引出晶體的周期性和對稱性，從晶棱、晶面和晶胞三個層次分析晶體的特點(diǎn)，結(jié)合X射線衍射完整講解晶體學(xué)知識，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建完整的晶體學(xué)理論框架。

在學(xué)習(xí)晶體學(xué)知識的基礎(chǔ)上，金屬材料模塊、無機(jī)非金屬材料模塊和高分子材料模塊分別從三大類材料各自的結(jié)構(gòu)出發(fā)結(jié)合制備方法引出材料的性能及應(yīng)用。在金屬材料模塊的教學(xué)中，結(jié)合前期《無機(jī)化學(xué)》中有關(guān)金屬晶體的知識，引出“等徑圓球密堆積”的模型，從而分析金屬單質(zhì)一維、二維和三維密堆積的基本形式。為了使學(xué)生更好的理解二維密堆積中四面體空隙和八面體空隙的產(chǎn)生，在教學(xué)中將學(xué)生分成若干小組，每組發(fā)放一定數(shù)量的乒乓球（代表金屬單質(zhì)原子），請學(xué)生動手排出密堆積的形式。另外，準(zhǔn)備已組合好的模型，讓學(xué)生從不同角度觀察二維密堆積，查找四面體空隙和八面體空隙的位置。通過二維密堆積的詳細(xì)講解和學(xué)生的動手組裝，使學(xué)生更好的理解密堆積，為后續(xù)金屬單質(zhì)的三維密堆積和合金結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

在金屬材料中除了金屬晶體之外，還涉及到準(zhǔn)晶這一特殊的結(jié)構(gòu)。與晶體的長程有序不同，準(zhǔn)晶具有長程準(zhǔn)周期性平移序和非晶體學(xué)旋轉(zhuǎn)對稱性。這部分的教學(xué)中著重強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)晶與晶體在結(jié)構(gòu)上的不同，并由此引出其制備和性能的特殊性。

在無機(jī)非金屬材料模塊的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從比較離子晶體與金屬晶體的結(jié)構(gòu)區(qū)別入手，結(jié)合球棍模型的組裝，使學(xué)生掌握離子晶體結(jié)構(gòu)的解析方法。著重強(qiáng)調(diào)離子晶體結(jié)構(gòu)分析中以往學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤。例如氯化銫（CsCl）晶體的解析，學(xué)生在根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）進(jìn)行分析時往往得出其為體心立方結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上CsCl晶體應(yīng)該是簡單立方結(jié)構(gòu)。該錯誤的出現(xiàn)是因為學(xué)生并未掌握離子晶體結(jié)構(gòu)分析要點(diǎn)。在離子晶體的結(jié)構(gòu)解析中，應(yīng)首先分析負(fù)離子（或正離子）的排列方式，然后查找正離子（或負(fù)離子）的位置及其占據(jù)的空隙類型，最后分析正負(fù)離子的配位數(shù)以及每個晶胞中所含正負(fù)離子個數(shù)。只有按照這樣的分析方式才能正確得出晶體結(jié)構(gòu)。在學(xué)生熟悉無機(jī)材料典型的晶體結(jié)構(gòu)后，引出無機(jī)材料的經(jīng)典制備方法，并比較各種方法間的差異，由此得出材料的性能和應(yīng)用。在晶態(tài)無機(jī)材料的教學(xué)中，穿插近代科研中比較熱門的碳材料（如碳納米管、石墨烯等）和分子篩材料，分析這些材料的特殊結(jié)構(gòu)及由此衍生出的特殊性質(zhì)和應(yīng)用。例如，分子篩材料特殊的孔道結(jié)構(gòu)使其具有擇形催化性能并在石油化工領(lǐng)域中有著非常重要的應(yīng)用。

圖1 氯化銫（CsCl）晶體的結(jié)構(gòu)示意圖

另一方面，在無機(jī)非金屬材料中還涉及到非晶態(tài)材料。教學(xué)過程中通過晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性，引出非晶態(tài)材料（如玻璃等）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，注重新興非晶態(tài)材料（如金屬玻璃）的合成及性能。

在高分子材料模塊的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)高分子與小分子在結(jié)構(gòu)上的差異，引出高分子的晶態(tài)、非晶態(tài)、液晶態(tài)和取向態(tài)。結(jié)合偏光顯微鏡對球晶的觀察，使學(xué)生進(jìn)一步明確晶態(tài)高分子與金屬晶體、離子晶體等的區(qū)別。通過高分子材料的晶態(tài)沒有小分子完善，而其非晶態(tài)的有序性卻高于非晶態(tài)小分子，引出高分子材料具有小分子所不具備的特殊性能和應(yīng)用。

在前景展望模塊，主要從化學(xué)的角度針對材料的發(fā)展進(jìn)行分析，使學(xué)生認(rèn)識到材料的特殊魅力。結(jié)合材料化學(xué)的發(fā)展前沿，提高學(xué)生對材料學(xué)科今后發(fā)展趨勢的認(rèn)識，為學(xué)生成為材料專業(yè)技術(shù)人才奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語在材料化學(xué)課程教學(xué)中，以晶體學(xué)為主線將金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料串聯(lián)在一起。采用比較式教學(xué)、多媒體和模型相結(jié)合的教學(xué)手段，加深學(xué)生對材料結(jié)構(gòu)、制備、性能和應(yīng)用的理解和認(rèn)識，提升學(xué)生分析解決問題的能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]米曉云，張希艷，柏朝暉，等.科研對材料化學(xué)課程教學(xué)的促進(jìn)作用[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2009，1：112-114.

[2]陳龍，亓昭鵬，黃良芳，等.《材料化學(xué)》選修課教學(xué)改革初探[J].科技視界，2014，23：23.

[3]張英.大材料背景下晶體學(xué)課程的改革與創(chuàng)新[J].科教文匯，2011，10：71-72.

[責(zé)任編輯：王楠]