思维导图在《材料科学基础》课程中概念理解的应用
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作者:张弛 何鑫
【摘要】在课程实践中通过将思维导图引入《材料科学基础》理论基础课程的学习中，以固体结构中的合金相结构章节学习为例，利用思维导图构建概念的逻辑线，可有效帮助学生对知识点的辨析和理解，并能利用概念对材料的性能进行分析。
【关键词】材料科学基础 思维导图 概念学习
【基金项目】广东省本科高校创新创业教育改革研究项目（2018A064752）;广东省半导体绿色光源协同育人平台[粤教高函（2016）31号]。
【中图分类号】G642.3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）04-0221-01
一、《材料科学基础》课程特点
《材料科学基础》是材料科学与工程专业的理论基础课程，为学生将来从事材料科学基础研究以及开发新材料、新工艺提供必备的基本知识。通过本课程的学习，学生能理解并掌握材料科学基础的基本概念和基本原理，并且能够运用其判别材料的结构和性能;将数学、物理、化学、工程基础知识和材料科学相关专业知识有机结合起来，分析材料与器件中的组织结构、性质、加工工艺和性能优化等复杂工程问题，并获得有效结论;能利用材料科学基本原理，对材料成分、结构、性能之间的关系进行合理的分析和解释。为学生学习后续专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。
作为一门基础理论课程，《材料科学基础》具有概念多、内容延展性大等特点，对学生掌握知识的系统性与逻辑性要求较高。在学习过程中容易存在概念混乱，逻辑线难以理清的问题。基本概念是后续分析材料性能及理解材料成分、结构、性能之间关系的重要基础。因此，有必要利用辅助学习工具来帮助学生在学习的过程中准确掌握基本概念。
二、思维导图的介绍
思维导图（Mind Mapping）是英国著名心理学家托尼巴赞在20世纪60年代提出的一种新的思维模式，他对思维导图的定义是：图解的形式和网状的结构，加上关键词及关键图像，存储，组织和优化信息。其中的每个关键词和关键图像都承担着特定的记忆，鼓励新的思维，它们是记忆激发器，帮助我们不断释放大脑潜力。利用思维导图能够从一个关键点，不断激发其他关键点的出现，形成向外发散的网状结构，通过关键点之间的联结，将知识分层次地进行消化和理解，建立具有逻辑性和系统性的思维线。思维导图已在教学设计、教学方法探索和知识管理等方面得到广泛应用，成为教育领域研究和学习的一种重要辅助工具。
三、思维导图在《材料科学基础》课程中概念理解的应用
利用思维导图来学习《材料科学基础》中的基础概念，可通过导图线来寻找概念之间存在的内在联系，并通过概念主线进行发散式思维，通过对概念的理解来不断發展其内涵，形成清晰的知识网络。以固体相结构章节中的合金相结构为例，里面概念较多，学生在学习的过程中容易混淆。例如固溶体和中间相的本质区别;间隙固溶体、间隙相和间隙化合物之间的概念辨析;C在γ-Fe和α-Fe中溶解度的差异原因等问题都是本章节的学习难点。
为了让学生更清楚地掌握这些概念，并能对概念进行辨析理解，以及对材料性能进行分析，在教学实践中，通过教师的讲解，课后让学生绘制概念的思维导图构建固态合金相结构的概念线，帮助学生充分理解本章节的教学内容。学生在绘制思维导图的过程中，不仅理清了每个概念之间的主次关系，建立了知识点之间的内在联系，构建了固态合金相的知识网络，同时也会通过知识点的扩展来了解合金相材料的应用。如图1所示，固态合金相包括固溶体和金属间化合物，其本质区别在于是否保持组元的晶体结构。固溶体包括置换固溶体和间隙固溶体，其区别在于溶质原子是否占据溶剂点阵;影响固溶体溶解度的因素有四个主要方面。金属间化合物包括正常价化合物、电子化合物和尺寸因素化合物，其中正常价化合物和电子化合物的区别在于化合物是否符合正常化学价规律;尺寸因素化合物的分类主要取决于原子半径的相对大小。
从思维导图中可以看出，间隙相与间隙固溶体虽然都是小尺寸的原子进入到晶体点阵的间隙位置，但是否形成新的键合是判断其为间隙相还是间隙固溶体的关键。以储氢合金（hydrogen storage alloys）为例，在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个原子进入合金晶格，与合金发生反应生成金属氢化物，表现为储存氢气并放出大量的热;对其进行加热时发生分解反应，氢原子吸收热量又结合成氢分子释放氢气出来。由于氢原子进入晶格后形成了新的键合，因此可判断储氢合金为金属间化合物中的间隙相。
四、结论
本文利用思维导图构建了固态合金相知识点的思维线，帮助学生在课后完成对知识点的梳理和扩展，有利于教师实施启发式的教学和提升学生的自主学习能力。
参考文献：
[1]唐志刚.利用思维导图提高学生高等数学学习动机的有效策略研究[J].课程教育研究，2014（5）：148-149.
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