怎樣講好鐵碳合金晶體組織和鐵碳合金相圖

常剛

摘 要：在技工院校金屬材料及熱處理課程中，鐵碳合金的組織和鐵碳合金相圖是教學(xué)難度較大的內(nèi)容之一。很多學(xué)生學(xué)習(xí)了相關(guān)內(nèi)容后，仍感到似懂非懂，不得要領(lǐng)。筆者經(jīng)過多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，突出“晶體”的概念、利用“概念同化”的原理可以讓學(xué)生更加有效地學(xué)習(xí)鐵碳合金的相關(guān)知識(shí)。本文闡述了筆者的教學(xué)探索和心得，希望對(duì)改進(jìn)技工學(xué)校金屬材料及熱處理課程教學(xué)有積極的意義。

關(guān)鍵詞：晶體 ?概念同化 ?鐵碳合金組織

金屬材料在現(xiàn)代社會(huì)中廣泛應(yīng)用，從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)，處處離不開金屬材料，可以說金屬材料支撐著我們的工作和生活。對(duì)于機(jī)械制造、汽車維修專業(yè)的技工學(xué)校學(xué)生來講，懂得金屬材料的知識(shí)非常必要。

一、問題的提出

在金屬材料及熱處理課程中，鐵碳合金的組織和鐵碳合金相圖是教學(xué)難度較大的內(nèi)容之一。很多人學(xué)習(xí)了相關(guān)內(nèi)容后，仍感到似懂非懂，不得要領(lǐng)。他們遇到實(shí)際問題時(shí)，不能應(yīng)用有關(guān)概念和原理進(jìn)行準(zhǔn)確的分析、解決。筆者在上大學(xué)初次接觸這些知識(shí)時(shí)也有同樣感覺。大學(xué)生尚且如此，對(duì)于初中畢業(yè)的技校學(xué)生來講，出現(xiàn)類似的情況，也是情理之中了。

那么，怎樣才能把這些“有難度的”概念和原理講好，取得好的教學(xué)效果？這是我們要認(rèn)真思考和解決的問題。

二、對(duì)現(xiàn)存教學(xué)問題的分析

1.從學(xué)生的角度看

技校學(xué)生通常是初中畢業(yè)生，他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整，抽象思維能力相對(duì)較差，難以適應(yīng)“大量的”“復(fù)雜的”概念和原理的學(xué)習(xí)。也就是說，技校學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的某些關(guān)鍵概念不能準(zhǔn)確地想象、理解和記憶。

2.從教材的角度看

技工學(xué)校使用的《金屬材料及熱處理》教材涉及的名詞概念太多，而且有些不易準(zhǔn)確理解。許多概念似乎是必須講的，但仔細(xì)想來，對(duì)幫助理解本課程的關(guān)鍵概念和原理的作用并不直接，反而大大增加了學(xué)生的思考負(fù)擔(dān)，令人眼花繚亂，難以在學(xué)生頭腦中形成系統(tǒng)。

例如，在講鐵碳合金相圖之前，教材安排的教學(xué)順序依次為金屬的晶體結(jié)構(gòu)（涉及晶體、晶格、晶格畸變等概念）、純金屬的結(jié)晶、金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、合金的結(jié)構(gòu)（涉及組元、相、固溶體、金屬化合物、混合物等概念）、鉛銻二元相圖、鐵碳合金的組織（涉及鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變）。最后講鐵碳合金相圖。

表面上看，教材的安排循序漸進(jìn)、層層鋪墊，很符合教學(xué)的原則。但對(duì)技校學(xué)生來說，在不太充裕的學(xué)時(shí)內(nèi)，學(xué)習(xí)、理解這么多概念，難度很大。初次教這門課的老師往往會(huì)按照這個(gè)順序來組織教學(xué)，其結(jié)果必然是學(xué)生聽不懂，還占用了大量的課時(shí)。這樣的教材設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)，沒有為技校學(xué)生找到一條有效的學(xué)習(xí)線索，也可以說沒有為技校學(xué)生找到一條可行的“學(xué)習(xí)捷徑”。

近年來，新出版的教材在內(nèi)容簡(jiǎn)化上做了大量工作，但總體感覺是還不到位。教材本該有利于技校學(xué)生閱讀，至少在老師講完課后，學(xué)生可以閱讀自學(xué)和復(fù)習(xí)。但不能高度精練和概括的教材，顯然不適合技校學(xué)生閱讀。

三、解決問題的思路和措施

教學(xué)的難點(diǎn)找到了，問題出在學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和教學(xué)內(nèi)容上。解決這些困難，關(guān)鍵要看教師的功力。其一，要想把知識(shí)講清楚，教師自己必須對(duì)所講的知識(shí)深刻掌握、理解透徹、思路清晰。當(dāng)代教育心理學(xué)認(rèn)為，表達(dá)清晰，是合格教師的一個(gè)重要特征。其二，作為老師，筆者個(gè)人是通過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)和工廠實(shí)踐，才深入掌握了有關(guān)概念和原理。今天，再把這些知識(shí)傳授給技校學(xué)生，不應(yīng)該走過去學(xué)習(xí)的老路，實(shí)際上要為學(xué)生找到一條新路，一條捷徑，提供一條有效的學(xué)習(xí)線索。經(jīng)過一段時(shí)間的思考和實(shí)踐，筆者找到了解決問題的方法。

1.對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化

對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化，突出關(guān)鍵概念，省略次要概念。例如，要講晶體（多晶體）的概念，然后，直接進(jìn)入鐵碳合金組織的講解。放棄中間的過渡概念，如組元、相、固溶體、晶格等不好理解的概念。盡力減少繁雜概念對(duì)學(xué)生形成的思考負(fù)擔(dān)，使學(xué)生能集中精力思考“核心、關(guān)鍵概念”。所謂“核心、關(guān)鍵概念”，是指鐵碳合金中的基本組織的概念，即我們常說的鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體的概念。

同理，也應(yīng)該避免對(duì)組織轉(zhuǎn)變的原理做深入講解。只講“某某組織在某溫度下，轉(zhuǎn)變成了某某組織”，不宜講組織轉(zhuǎn)變的過程和細(xì)節(jié)。

2.利用“概念同化”的方法對(duì)“核心、關(guān)鍵概念”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)代教育心理學(xué)關(guān)于概念學(xué)習(xí)的理論指出，學(xué)生在教學(xué)條件下，獲得概念的主要方式是“概念同化”。所謂“概念同化”，是指學(xué)習(xí)者利用認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有的概念來感覺、領(lǐng)悟新概念的特征，從而使學(xué)習(xí)者獲得新的概念。

也就是說，學(xué)生要想理解鐵碳合金組織相關(guān)的新概念，如鐵素體、奧氏體、珠光體，就必須先在頭腦中找到一個(gè)原有的、與鐵碳合金組織（新概念）有關(guān)聯(lián)的概念，然后通過這個(gè)原有的概念產(chǎn)生對(duì)新概念的認(rèn)知和理解。這個(gè)所謂“原有的”概念是什么呢？其實(shí)，就是“晶體”這個(gè)概念。

筆者發(fā)現(xiàn)，技校學(xué)生對(duì)“晶體”（多晶體）這個(gè)概念是有些認(rèn)識(shí)的。例如，他們都知道冰糖是晶體，鹽是晶體，鉆石是晶體……并且他們對(duì)這些晶體的形態(tài)、力學(xué)性能有印象。例如，晶體顆粒具有規(guī)則的形狀，晶體比較脆、比較硬，單晶體堆聚成多晶體等。

而鐵碳合金的組織也是晶體，它與學(xué)生已了解的“晶體”概念有共性。筆者把鐵碳合金的組織納入學(xué)生對(duì)“晶體”概念的認(rèn)知體系之中。借助晶體概念的共性使學(xué)生想象、理解鐵碳合金的組織。

也就是說，教師要讓學(xué)生形成這樣的理解和想象：鐵碳合金中的組織并不是什么奇特的東西，只是各種各樣的晶體而已。這些晶體堆砌在一起，就構(gòu)成了金屬塊。就像多晶體的冰糖是由單晶體的冰糖組成的一樣。只不過鐵碳合金中的這些晶體尺寸非常小，肉眼不能直接看到，只有在放大數(shù)百倍的顯微鏡下才可觀察到。

教師可以進(jìn)一步直接告訴學(xué)生，這些晶體的形狀、大小、分布、特性會(huì)影響和決定鐵碳合金整體的力學(xué)性能。

其實(shí)，學(xué)生可以想象鐵碳合金中的組織形態(tài)了，教學(xué)就成功了一半，可收事半功倍之效。所以，筆者的教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下。首先展示冰糖晶體實(shí)物，復(fù)習(xí)、講解晶體概念。使學(xué)生清晰地了解晶體的構(gòu)成（無數(shù)個(gè)物質(zhì)分子或原子，按一定的排列規(guī)則排列）、規(guī)則的形態(tài)。然后，說明鐵碳合金也是由晶體組成的，只是它的晶體是由鐵原子及碳原子按一定規(guī)則排列而成……即利用“晶體”概念的共性，來引導(dǎo)學(xué)生理解、認(rèn)知鐵碳合金的組織。

接下來的一步，是利用“晶體”概念之中的差異性來定義鐵碳合金中各種不同的晶體組織，例如鐵素體是鐵原子按“體心立方”排列規(guī)則排列而形成的晶體，該晶體中可含有（溶解）極少量的碳原子。它塑性好、硬度和強(qiáng)度低，有磁性，它的顯微鏡照片可以看到“多晶體”的特征。

經(jīng)過這樣的處理，鐵碳合金組織概念就會(huì)很容易地在學(xué)生“簡(jiǎn)單的頭腦”中扎根，我認(rèn)為這是教好鐵碳合金組織和組織轉(zhuǎn)變及鐵碳合金相圖的關(guān)鍵一環(huán)。

其實(shí)，教材已經(jīng)為我們提供這一線索。例如許多《金屬材料及熱處理》教材都提到了晶體的概念。但遺憾的是，教材沒有對(duì)晶體這個(gè)概念充分利用，教師也沒有抓住“晶體”概念來展開概念同化教學(xué)。

筆者在教學(xué)中突出了晶體的概念。在稱呼、命名鐵碳合金的組織時(shí)，一定要后綴上“晶體”兩字。例如，教材上寫“鐵素體”，筆者在板書上、講課中一定要稱“鐵素體晶體”。類似的還有“奧氏體晶體”“滲碳體晶體”“珠光體晶體”“萊氏體晶體”。時(shí)刻突出鐵碳合金組織的晶體特征，從而方便學(xué)生聯(lián)想、準(zhǔn)確理解和記憶。

3.概念的定義要通俗化

對(duì)于鐵碳合金組織的定義，用詞還應(yīng)通俗化，要讓學(xué)生容易理解。當(dāng)代教育心理學(xué)指出，概念應(yīng)該由學(xué)習(xí)者用自己的語言表達(dá)出來，才能說明他掌握了該概念。正是利用這一原理，以通俗的定義來引導(dǎo)學(xué)生描述概念，是一種有價(jià)值的教學(xué)方法。

4.有意義學(xué)習(xí)

講鐵碳合金的晶體組織，一定要與合金的力學(xué)性能緊密聯(lián)系在一起。讓學(xué)生時(shí)刻體會(huì)到鐵碳合金的力學(xué)性能如何，是由其晶體組織決定的，而其晶體組織又受其成分和溫度的影響。使學(xué)生能依托“成分—組織—性能”的線索思考、記憶，構(gòu)建起知識(shí)的體系，對(duì)鐵碳合金晶體組織進(jìn)行有意義的記憶。

5.金相組織照片的使用

為配合鐵碳合金晶體組織概念的教學(xué)，金相組織圖片的呈現(xiàn)是必不可少的，借助它可以使學(xué)生對(duì)鐵碳合金各種晶體組織產(chǎn)生直觀印象。遵循概念同化的原則，首先，要呈現(xiàn)冰糖晶體的圖片（見圖1），展示多晶體的形態(tài)特征，為以后講解鐵素體晶體和奧氏體晶體等做準(zhǔn)備。

然后，呈現(xiàn)某種礦石晶體圖片（見圖2）。指出“兩種”晶體共存的形態(tài)特征。為以后講解鐵素體晶體和珠光體晶體共存狀態(tài)做準(zhǔn)備。

其后，逐步呈現(xiàn)鐵素體晶體、奧氏體晶體、珠光體晶體的金相組織照片等，逐一講解。見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7。

最后，帶學(xué)生一起手繪鐵碳合金晶體組織示意圖（參見圖8）。對(duì)鐵碳合金的晶體組織形態(tài)進(jìn)行抽象思維，使學(xué)生領(lǐng)悟其主要的形態(tài)特征，以便于對(duì)鐵碳合金晶體組織的想象。畫圖時(shí)，一方面要表達(dá)出晶粒、晶界的概念;另一方面要表達(dá)出一個(gè)規(guī)律：隨著合金中含碳量的逐步增加，鐵碳合金的晶體組織會(huì)發(fā)生變化，即鐵素體晶體減少，珠光體晶體增多，直至出現(xiàn)二次滲碳體晶體。為下一步講好鐵碳合金相圖做好準(zhǔn)備。

6.關(guān)于鐵碳合金相圖的教學(xué)

鐵碳合金相圖是用圖示的方法集中表達(dá)了鐵碳合金的晶體組織受含碳量（成分）和溫度影響的規(guī)律，是鐵碳合金晶體組織及轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)理論的展示。

在鐵碳合金相圖的教學(xué)中，首先還是要對(duì)難以理解的概念、原理做刪除處理，遵循簡(jiǎn)化原則。如，共析點(diǎn)S、共晶點(diǎn)C、奧氏體最大溶解度點(diǎn)E、共析體、共晶體、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變等，放棄不講，以免增加學(xué)生的思考負(fù)擔(dān)。

對(duì)共析轉(zhuǎn)變，只是講在727℃時(shí)，奧氏體晶體轉(zhuǎn)變成了珠光體晶體。同理，對(duì)共晶轉(zhuǎn)變，也只是講在1148℃時(shí)，液相轉(zhuǎn)變成了萊氏體晶體。

需要特別注意的是，最初不要把全部相圖直接通過投影展示給學(xué)生，而是要在黑板上逐步畫出來。其畫法是：首先從相圖的底部畫起，要展示含碳量對(duì)鐵碳合金晶體組織的影響規(guī)律，見圖8。隨后隨著溫度的升高，各種晶體組織會(huì)在哪個(gè)溫度下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，逐漸補(bǔ)齊點(diǎn)和線。再重點(diǎn)講解容易理解的溫度線、點(diǎn)和區(qū)域的含義。并注意放慢講課速度，給學(xué)生留出思考的時(shí)間。這個(gè)過程能向?qū)W生充分展現(xiàn)鐵碳合金相圖的意義。最終在學(xué)生頭腦中形成的整體印象應(yīng)該是：鐵碳合金相圖是人們畫出的、反映含碳量（成分）和溫度對(duì)鐵碳合金晶體組織影響規(guī)律的一種圖示（見圖9）。

教學(xué)實(shí)際情況表明，按上述教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，可以讓技校學(xué)生聽懂鐵碳合金晶體組織和鐵碳合金相圖的教學(xué)內(nèi)容，讓他們能夠產(chǎn)生共鳴、產(chǎn)生反應(yīng)。一些的學(xué)生還可以利用相圖來分析簡(jiǎn)單問題。

四、小結(jié)

鐵碳合金晶體組織和鐵碳合金相圖，是金屬材料及熱處理課程最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的知識(shí)。如何進(jìn)行有效教學(xué)，讓技校學(xué)生能理解、能記住相關(guān)知識(shí)，使技校學(xué)生能利用鐵碳合金相圖來分析、判斷一些問題？筆者總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論。

1.在教學(xué)過程中，主要靠教師發(fā)揮作用

教師自己必須對(duì)所講的知識(shí)深刻掌握、理解透徹、思路清晰。為學(xué)生找到一條可行的“學(xué)習(xí)捷徑”。

2.對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化

使學(xué)生能集中精力思考“核心、關(guān)鍵概念”，即鐵碳合金的基本晶體組織。

3.利用“概念同化”的方法對(duì)“核心、關(guān)鍵概念”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)

就是利用“晶體”這個(gè)概念，借助晶體概念的共性使學(xué)生想象、理解鐵碳合金的組織。這是教好鐵碳合金晶體組織和鐵碳合金相圖的關(guān)鍵一環(huán)。

4.講鐵碳合金的晶體組織，一定要與鐵碳合金的成分和力學(xué)性能緊密聯(lián)系在一起

使學(xué)生能依托“成分—組織—性能”的線索構(gòu)建起知識(shí)的體系，對(duì)鐵碳合金晶體組織進(jìn)行有意義的記憶。

5.關(guān)于鐵碳合金相圖的教學(xué)

一要遵循簡(jiǎn)化原則。二要堅(jiān)持“在黑板上逐步畫出相圖”的思路。目的是使學(xué)生對(duì)鐵碳合金的晶體組織形態(tài)進(jìn)行抽象思維，進(jìn)而領(lǐng)悟其主要的形態(tài)特征。并向?qū)W生充分展現(xiàn)鐵碳合金相圖的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2002.

[2]陳志毅.金屬材料與熱處理[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[3]崔虹雯.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2006.

[4]王戟.金屬材料及熱處理[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004.

（作者單位：北京汽車技師學(xué)院）