相平衡与相图的教学体会

相平衡与相图的教学体会

中国地质大学(北京)　邓雁希Ξ

摘　要:相平衡与相图是无机材料物理化学中非常重要的一部分内容,本文介绍了作者在该内容的教学实践中,不断进行教学内容和教学方法改革探索,激发学生学习的主动性,重视学生能力培养的体会。

关键词:相平衡与相图　教学体会

相图,也叫平衡图、组成图或状态图,是处于平衡状态下系统的组分、物相和外界条件相互关系

的几何描述。相图在许多科学技术领域已成为解决实际问题不可缺少的工具,例如在化学、化工、矿物、地质和物理等领域中的应用十分广泛。在材料领域也十分重要,例如,几种化合物混合在一起能合成出什么(即往什么方向进行)?最后能得到多少预计的相组成(即限度)?这是材料制备过程中人们迫切关心的问题,而相图能有效和方便地解决这类问题。因此,相图对于材料科学工作者的作用如同地图对于旅行者那样重要,相图与相平衡的研究就成为解决新材料研制的重要课题。

但是,教学实践表明,学好相图是很难的,尤其是多元平衡相图大多数具有非常复杂的空间结构,需要学生具有较强的空间想象力,有的学生从刚开始就没能理解其真谛,结果随着学习相图种类的增加和复杂,其学习难度也随之增大。因此,如何使学生能够更多地了解和认识多元系统相平衡与相图的基本理论和规律,掌握分析和阅读实际复杂三元相图的方法和技巧,会用相图基本原理分析单元、二元、三元系统专业相图的相变化规律,了解其实际应用,是教师在授课过程中必须解决的问题。在教学的过程中,笔者有如下的思考和体会。

一、激发学生对学习相图的兴趣

兴趣是最好的老师,人只有对某一学问或者课程有了浓厚的兴趣,才会有学习的动力和毅力,学习效率才会高,所掌握的知识才能牢固,才可能会应用知识。一个人的能力发展也是与兴趣密切相关的,任何行业的成功者,都是以兴趣为基础的。诺贝尔还在童年时代就受父亲的影响,对实验产生了浓厚的兴趣。这对他后来成为伟大的科学家产生了很大的影响。因此,在相图教学过程中,教师有责

任培养学生对于相图学习的兴趣,让学生学会学习,培养他们的学习能力、学习方法、学习欲望和学习动力。

相平衡与相图这部分内容与我们的生活息息相关,各种与相平衡有关的现象随处可见。滑冰者可以在冰上潇洒地滑过(尽管冰实际上并不是很光滑的);盐撒在结冰的路面上可以把冰除去;水和油不能混合;糖加到冰水里只有少部分溶解,而加到热茶里却很快溶解。这些奇妙的现象激起学生的兴趣后,就能促使他们去学习相平衡与相图的有关知识。相图在许多科学技术领域中也已经成为解决实际问题不可缺少的工具,例如在开发新材料过程中,往往要研究用什么材料在什么条件下形成什么相,预计获得什么性能,而相图可以帮助我们选择配料方案及工艺制度,合理分析生产过程中质量问题、产生的原因以及帮助我们进行新材料的研制。因此,在教学过程中,特别注意把理论知识和生活中的实践结合起来,使学生认识到理论学习有助于实际问题的解决,以此加强学生对相图的兴趣以及学习的动力。

二、注重基础,掌握基本概念和基本规律相平衡与相图部分在无机材料物理化学课程中占有非常重要的地位,教学大纲中要求学生掌握基本相图类型的构成、特点、静态和动态分析,并且能够分析实际的专业相图。而这些内容具有较强的理论性,涉及的概念和规律非常多,它们往往是学生学好相图的障碍。为此,在教学中特别注意对基础知识、基本概念和基本规律的掌握,并且强调这些基础知识的灵活应用。教学实践表明,只要学生掌握了这些有关的基本概念和基本规律,学好复杂相图并且能够灵活应用是不难的。例如,在这部分内容中,“吉布斯相律(f =C -P +n )”贯穿其中,

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6Ξ邓雁希,中国地质大学(北京)材料科学与工程学院,讲师。

2004年第2期

中国地质教育

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相图的学习就是从吉布斯相律开始的,我们要求学生必须彻底掌握该规律并能够在相图的分析中熟练运用该规律。因此,在授课过程中,紧紧抓住该公式中的每一个符号,从物理意义、适用范围等方面讲透,澄清学生可能产生的各种模糊认识,使学生真正弄清楚该公式的意义。在讲组分数C、相数P 和n值时,紧紧地与材料系统相联系,如对于“相”这个概念,在学生掌握了其含义之后,还特别强调了在无机材料领域中经常遇到的情况,比如玻璃的配料是把石英砂、长石粉、纯碱、方解石粉等混合在一起,表面看起来是很均匀的,但是可以用机械的方法把它们分离开,因此玻璃配合料不是一个相而是多相的;对于n值,由于很多材料系统都是可以忽略压力影响的凝聚系统,因此吉布斯相律又可以简化为f=C-P+1。引用这样的实例来阐述概念能够加深学生对概念的理解,对于吉布斯相律在相图分析中的正确应用有着很重要的意义。三元相图以二元相图为基础,把组分扩大为3,因此比二元相图更为复杂,也更接近于实际情况,在硅酸盐、材料和冶金等方面应用得十分普遍。但由于三元相图是非常复杂的空间立体图形,需要较强的空间想象力,如果基础没有打好,那么后面的实际复杂相图是很难分析并灵活应用的。因此,在教学过程中强调七大基本规则(等含量规则、等比例规则、背向性规则、杠杆规则、重心规则、相对位规则、共轭位规则)的掌握,并且教给学生如何在具体的相图分析中来应用这些规则;另外,三元相图中还有大量的规律,在实际授课过程中通过具体的例子使它们变得易于被学生掌握。这些规则和规律对于学好三元相图、正确分析三元相图是非常重要的,只有掌握了三元相图中最基本的原理和基本规律,才能正确地分析和应用实际复杂的三元相图。

三、强调知识的联系和综合

相图部分内容繁杂,但各部分内容之间并不是孤立的。比如三元系统相图可认为是由三个简单的二元系统组成的;二元相图尽管成百上千万且各不相同,但是任何复杂相图都存在共性,因为其热力学原理是相同的,都是受相律约束的,都是由若干个基本类型相图(如图1)按一定规律组合或演变而形成的。因此,在教学过程中,通过阅读各种类型的相图组成、特点并在各类型相图之间找出差异、共性和内在联系来提高学生分析相图的能力,从而使学生更加准确和全面掌握相图的知识。我们在讲“生成低共熔型有限固溶体的二元系统相图”时,让学生来比较该图和最简单的二元系统相图,让学生找出他们之间的区别和联系,从中深刻地理解曲线(aQ、QW、bP、PF)和区域(α和β)的含义(如图2)。另外,我们在讲完相图的基本类型和基本规律之后,借用实际的专业复杂相图,

把

分析相图的步骤以及其间需要应用的规律和规则联系到一起,使知识系统化。通过这样的教学,就可以在学生的头脑中形成一定的知识体系,而不是分散的、零星的,对于复杂相图的分析才是有好处的。而在教学过程中通过相图的分析得出的一些规律性的东西,可以指导我们的材料制备工作。

图1　基本相图

图2　相图的比较

四、理论联系实际,不断激发学生的学习热情和钻研精神

相图部分,理论性的知识很多,因此,在教学中,应特别注重增强教学内容的实践性。除了重点学习相图的基本原理和基本规律之外,还特别指出哪些物质组成的系统具有这种形式的相图,这种相图在实践中有何应用,能够解决什么样的实际问题。例如,我们在讲“具有不一致熔化合物的二元

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系统相图”时,在学生了解了相图的基本原理和基本规律之后,告诉学生很多材料体系(例如SiO 22Al 2O 3系统、MgO 2SiO 2系统、Mg 2Ni 系统、CaF 22CaCl 2系统等等)中都有不一致熔化合物生成,这

类相图在实际生产中得到了广泛的应用。例如某单位需要的一种刚玉为骨架,外表包一层莫来石结构的催化剂载体,就可以根据SiO 22Al 2O 3相图利用包晶反应的原理来制造。为了让学生能够利用所学的知识来解决问题,我们让学生来设计方案,然后让大家来讨论。学生在对这些问题的解决过程中必然会提出自己的想法,从而促使他们不停地去思考,在思考的过程中培养他们的钻研精神、创新意识和科学思维能力。

五、注重教学方法的改革,提高学生分析问题、解决问题的能力

在课堂上尽量不采取“灌输式”的教学方式,而是注重启发式教学,采用引导发现教学法,在教师的启发和引导下,让学生去思考、去做、去说,启发学生善于提出问题,引导学生积极地进行类比思维、逆向思维、发散思维与集中思维,培养学生的科学探究精神和创新思维能力。例如,我们在讲“具有一个不一致熔二元化合物的三元系统相图”时,把整个相图分成很多区域(如图3示),

选择不同区域(如第4和第6小区)的物系点,先从学生已经了解的知识出发,让他们自己分析不同物系点的冷却结晶情况,通过教师的引导最后得出结论(即在转熔点的析晶结果以及穿相区的规律性),使他们成为知识的再发现者,让他们体会到发现知识、展示知识的愉悦。这种方法突出了学生“发现”的过程,因此有利于激发学生的学习兴趣。又如,在讲“实际三元相图CaO 2Al 2O 32SiO 2”时,举了一个应用例子即水泥的生产,要求学生结合相图加以讨论并回答“如何应用该相图来分析水泥生产过程中配料、烧成及冷却”。在学生讨论过程中,教师启发学生应用学过的知识来进行分析,鼓励学生自己得出结论,从而提高他们利用相图分析实际问题的能力。经过这样的教学后,使学生有了一个认识问题、分析问题、解决问题的思路,既启迪了学生的逻辑思维能力,还可以提高他们应用基础知识解决问题的能力。这样在教学过程中即可通过教师的主导作用,来充分发挥学生的学习主动性。相平衡与相图的教学实践表明,在教学过程中本着“注重基础、强调理论联系实际”的原则进行教学,效果还是很好的。学生普遍对无机材料物理化学课程中相图学习的积极性很高,能够灵活运用所学的知识来分析问题和解决问题

。

图3　具有一个不一致熔二元化合物的三元系统相图

参　考　文　献

11黄勇、崔国文1相图与相变1清华大学出版社,19871221饶东生1硅酸盐物理化学1冶金工业出版社,199731周亚栋1无机材料物理化学1武汉工业大学出版社,1996

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