金屬原子堆積的金桔模型制作及其在教學(xué)中的應(yīng)用

陳碩平

摘要：金屬原子堆積模式知識(shí)點(diǎn)是材料/金屬專業(yè)本科生教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，本文以常見(jiàn)的水果金桔為原材料，設(shè)計(jì)了用于講解金屬原子堆積模式知識(shí)點(diǎn)的金桔模型，并在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生跟隨教師講解，在座位上分組實(shí)踐，有效加深學(xué)生的理解和認(rèn)識(shí)，提高動(dòng)手能力，活躍課堂氣氛，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：金屬原子堆積模式；金桔模型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1. 前言

金屬原子堆積模式是在材料/金屬專業(yè)的本科生教學(xué)中的重要的知識(shí)點(diǎn)，也是教學(xué)中的難點(diǎn)之一。該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容雖然不多，但本身較為枯燥，且需要學(xué)生有相當(dāng)好的數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)和空間想象能力，因此如果使用通常的課堂教學(xué)模式，教師簡(jiǎn)單利用黑板板書(shū)或多媒體課件講解，難以讓學(xué)生獲得直觀、深刻的認(rèn)識(shí)，不僅效果不佳，也容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

立體的實(shí)物模型能夠在教學(xué)中給予學(xué)生以直觀精確的認(rèn)識(shí)，是克服教學(xué)難點(diǎn)的重要手段[1-5]。然而，通常的塑料或木制的教學(xué)模型不僅市場(chǎng)價(jià)格昂貴，且種類和來(lái)源都非常有限，如能夠展示金屬原子堆積模式的模型在市場(chǎng)上難以買到。即使可以購(gòu)買少量相關(guān)模型，在近百人的學(xué)生課堂中，僅僅依靠教師展示手中的模型，難以做到每位同學(xué)都能有效掌握實(shí)物模型所包含的知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)效果也非常有限。

為了能夠有效地改進(jìn)該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，筆者考慮使用價(jià)格低廉的水果制作金屬原子堆積模型。經(jīng)過(guò)考察發(fā)現(xiàn)，金桔[ Fortunella margarita （Lour. ） Swingle]作為我國(guó)南方常見(jiàn)的觀賞植物，果實(shí)可以食用，味甜，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。初步實(shí)踐表明，金桔果實(shí)球形，長(zhǎng)2.5-3.5厘米，金黃色，質(zhì)地軟硬適中，可以被牙簽方便插入和拔出，因此，該類果實(shí)具有作為金屬原子堆積模型的潛質(zhì)。經(jīng)過(guò)探索和教學(xué)實(shí)踐，筆者總結(jié)出了以金桔果實(shí)為原料，在牙簽的輔助下制作教學(xué)模型的方法，該方法這樣不僅可以快速獲得用于教學(xué)的模型，還可以在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生也可以參與動(dòng)手實(shí)踐，從而讓學(xué)生能夠有效掌握該知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還鍛煉了動(dòng)手能力，活躍了課堂氣氛，獲得了良好的教學(xué)效果。

2. 金屬原子堆積模式的金桔模型制作

在相關(guān)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)中，金屬原子的堆積模式主要有四種：簡(jiǎn)單立方堆積（SC）、體心立方堆積（BCC）、面心立方堆積（FCC）、六方密堆積（HCP），這四種模式在模型制作方法上有較大的區(qū)別，現(xiàn)分別表述如下。

（1）簡(jiǎn)單立方堆積。

如圖1所示，該堆積模式的模型制作方法較為簡(jiǎn)單，挑選大小類似的球形金桔果實(shí)8個(gè)，將牙簽截成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。

先將四個(gè)金桔果實(shí)緊密排列成正方形，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成A1層。而后將剩余的四個(gè)金桔果實(shí)按照同樣的方法穿成正方形，構(gòu)成A2層。將A1層對(duì)齊地疊在A2層上即可。

（2）體心立方堆積。

體心立方堆積的金桔模型制作過(guò)程示意圖如圖2所示，挑選大小類似的球形金桔果實(shí)9個(gè)，將牙簽截成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。

先將四個(gè)金桔果實(shí)排列成正方形，但果實(shí)之間不接觸，留下適當(dāng)?shù)目障?，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成A1層。而后將另外四個(gè)金桔果實(shí)按照同樣的方法穿成正方形，構(gòu)成A2層。剩余一個(gè)果實(shí)，作為B層。堆積時(shí)，先將B層果實(shí)放在A2層的空隙中心，然后將A1層中心空隙對(duì)準(zhǔn)B層，疊加在B層上即可。

（3）面心立方堆積。

面心立方堆積的金桔模型制作過(guò)程示意圖如圖3所示，挑選大小類似的球形金桔果實(shí)14個(gè)，將牙簽截成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。

然后先將五個(gè)金桔果實(shí)緊密排列成十字形，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成A1層。而后將另外五個(gè)金桔果實(shí)按照同樣的方法穿成十字形，構(gòu)成A2層。剩余四個(gè)金桔果實(shí)緊密排列成正方形，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成B層。

堆積時(shí)，先將先將B層果實(shí)疊放放在A2層上，且B層中心空隙對(duì)準(zhǔn)A層中心球，然后將將A1層中心球?qū)?zhǔn)B層中心空隙，疊加在B層上即可。

（4）六方密堆積。

面心立方堆積的金桔模型制作過(guò)程示意圖如圖4所示，挑選大小類似的球形金桔果實(shí)17個(gè)，將牙簽截成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。

然后先將七個(gè)金桔果實(shí)緊密排列成蜂窩六角形，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成A1層。而后將另外七個(gè)金桔果實(shí)按照同樣的方法穿成蜂窩六角形，構(gòu)成A2層。剩余三個(gè)金桔果實(shí)緊密排列成三角形，用牙簽穿刺連接，構(gòu)成B層。

堆積時(shí)，先將先將B層果實(shí)疊放放在A2層上，且B層中心空隙對(duì)準(zhǔn)A層中心球，然后將將A1層中心球?qū)?zhǔn)B層中心空隙，疊加在B層上即可。

3. 金桔堆積模型在教學(xué)中的應(yīng)用

由于該金桔模型價(jià)廉易得，且制作后的模型可以方便拆卸，重復(fù)使用，因此筆者將其大量應(yīng)用于金屬原子堆積模式的相關(guān)課堂教學(xué)中。在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，采取老師與學(xué)生聯(lián)動(dòng)的方式，如100人左右的課堂教學(xué)時(shí)，將學(xué)生分為四人一組，每組學(xué)生發(fā)約20個(gè)金桔和相應(yīng)的牙簽（總體原料成本不超過(guò)50元），然后讓學(xué)生隨著教師的講解，在座位上自行利用金桔和牙簽制作模型，學(xué)生通過(guò)此實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠清楚地認(rèn)識(shí)到四種堆積模式的特點(diǎn)和區(qū)別，深入理解該知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還有效鍛煉了動(dòng)手能力，大大活躍了課堂氣氛，根據(jù)課后對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查，幾乎100%的學(xué)生對(duì)此環(huán)節(jié)的教學(xué)效果表示滿意。

有趣的是，在教學(xué)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生還發(fā)揮創(chuàng)造力，對(duì)教師的結(jié)構(gòu)模型制作方法加以變動(dòng)和改進(jìn)，從而獲得更為符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型。如對(duì)體心立方堆積結(jié)構(gòu)模型，有學(xué)生就采用了在中心金桔上插8根牙簽，然后同時(shí)連接頂角8個(gè)金桔，而頂角8個(gè)金桔之間不以牙簽相連，雖然這種連接方法對(duì)空間位置精度的要求較高，且較為不穩(wěn)定，但仍有動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)。該現(xiàn)象說(shuō)明，這種以水果金桔制作的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用于課堂上，能夠大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力，思考能力和創(chuàng)造思維，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

4. 結(jié)論

為了更有效地進(jìn)行金屬原子堆積模式知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，本文利用價(jià)廉易得的水果金桔為原料，設(shè)計(jì)了能夠應(yīng)用于金屬原子堆積模式的金桔模型，并在相關(guān)教學(xué)過(guò)程中，采取學(xué)生與教師聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。結(jié)果表明，以金桔等水果制作的實(shí)物模型能夠給學(xué)生以直觀的理解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)能夠大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力，思考能力和創(chuàng)造思維，活躍課堂氣氛，能夠取得良好的教學(xué)效果，值得大力推廣。

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