怎样讲好铁碳合金晶体组织和铁碳合金相图
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摘 要：在技工院校金属材料及热处理课程中，铁碳合金的组织和铁碳合金相图是教学难度较大的内容之一。很多学生学习了相关内容后，仍感到似懂非懂，不得要领。笔者经过多年的教学发现，突出＂晶体＂的概念、利用＂概念同化＂的原理可以让学生更加有效地学习铁碳合金的相关知识。本文阐述了笔者的教学探索和心得，希望对改进技工学校金属材料及热处理课程教学有积极的意义。
关键词：晶体 概念同化 铁碳合金组织
金属材料在现代社会中广泛应用，从日常生活到工业生产，处处离不开金属材料，可以说金属材料支撑着我们的工作和生活。对于机械制造、汽车维修专业的技工学校学生来讲，懂得金属材料的知识非常必要。一、问题的提出
在金属材料及热处理课程中，铁碳合金的组织和铁碳合金相图是教学难度较大的内容之一。很多人学习了相关内容后，仍感到似懂非懂，不得要领。他们遇到实际问题时，不能应用有关概念和原理进行准确的分析、解决。笔者在上大学初次接触这些知识时也有同样感觉。大学生尚且如此，对于初中毕业的技校学生来讲，出现类似的情况，也是情理之中了。
那么，怎样才能把这些＂有难度的＂概念和原理讲好，取得好的教学效果？这是我们要认真思考和解决的问题。二、对现存教学问题的分析1.从学生的角度看
技校学生通常是初中毕业生，他们的知识结构不完整，抽象思维能力相对较差，难以适应＂大量的＂＂复杂的＂概念和原理的学习。也就是说，技校学生对教学内容中的某些关键概念不能准确地想象、理解和记忆。2.从教材的角度看
技工学校使用的《金属材料及热处理》教材涉及的名词概念太多，而且有些不易准确理解。许多概念似乎是必须讲的，但仔细想来，对帮助理解本课程的关键概念和原理的作用并不直接，反而大大增加了学生的思考负担，令人眼花缭乱，难以在学生头脑中形成系统。
例如，在讲铁碳合金相图之前，教材安排的教学顺序依次为金属的晶体结构（涉及晶体、晶格、晶格畸变等概念）、纯金属的结晶、金属同素异构转变、合金的结构（涉及组元、相、固溶体、金属化合物、混合物等概念）、铅锑二元相图、铁碳合金的组织（涉及铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、共晶转变、共析转变）。最后讲铁碳合金相图。
表面上看，教材的安排循序渐进、层层铺垫，很符合教学的原则。但对技校学生来说，在不太充裕的学时内，学习、理解这么多概念，难度很大。初次教这门课的老师往往会按照这个顺序来组织教学，其结果必然是学生听不懂，还占用了大量的課时。这样的教材设计和教学设计，没有为技校学生找到一条有效的学习线索，也可以说没有为技校学生找到一条可行的＂学习捷径＂。
近年来，新出版的教材在内容简化上做了大量工作，但总体感觉是还不到位。教材本该有利于技校学生阅读，至少在老师讲完课后，学生可以阅读自学和复习。但不能高度精练和概括的教材，显然不适合技校学生阅读。三、解决问题的思路和措施
教学的难点找到了，问题出在学生的学习能力和教学内容上。解决这些困难，关键要看教师的功力。其一，要想把知识讲清楚，教师自己必须对所讲的知识深刻掌握、理解透彻、思路清晰。当代教育心理学认为，表达清晰，是合格教师的一个重要特征。其二，作为老师，笔者个人是通过长期的学习和工厂实践，才深入掌握了有关概念和原理。今天，再把这些知识传授给技校学生，不应该走过去学习的老路，实际上要为学生找到一条新路，一条捷径，提供一条有效的学习线索。经过一段时间的思考和实践，笔者找到了解决问题的方法。1.对教学内容进行简化
对教学内容进行简化，突出关键概念，省略次要概念。例如，要讲晶体（多晶体）的概念，然后，直接进入铁碳合金组织的讲解。放弃中间的过渡概念，如组元、相、固溶体、晶格等不好理解的概念。尽力减少繁杂概念对学生形成的思考负担，使学生能集中精力思考＂核心、关键概念＂。所谓＂核心、关键概念＂，是指铁碳合金中的基本组织的概念，即我们常说的铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的概念。
同理，也应该避免对组织转变的原理做深入讲解。只讲＂某某组织在某温度下，转变成了某某组织＂，不宜讲组织转变的过程和细节。2.利用＂概念同化＂的方法对＂核心、关键概念＂进行教学设计
当代教育心理学关于概念学习的理论指出，学生在教学条件下，获得概念的主要方式是＂概念同化＂。所谓＂概念同化＂，是指学习者利用认知结构中原有的概念来感觉、领悟新概念的特征，从而使学习者获得新的概念。
也就是说，学生要想理解铁碳合金组织相关的新概念，如铁素体、奥氏体、珠光体，就必须先在头脑中找到一个原有的、与铁碳合金组织（新概念）有关联的概念，然后通过这个原有的概念产生对新概念的认知和理解。这个所谓＂原有的＂概念是什么呢？其实，就是＂晶体＂这个概念。
笔者发现，技校学生对＂晶体＂（多晶体）这个概念是有些认识的。例如，他们都知道冰糖是晶体，盐是晶体，钻石是晶体……并且他们对这些晶体的形态、力学性能有印象。例如，晶体颗粒具有规则的形状，晶体比较脆、比较硬，单晶体堆聚成多晶体等。
而铁碳合金的组织也是晶体，它与学生已了解的＂晶体＂概念有共性。笔者把铁碳合金的组织纳入学生对＂晶体＂概念的认知体系之中。借助晶体概念的共性使学生想象、理解铁碳合金的组织。
也就是说，教师要让学生形成这样的理解和想象：铁碳合金中的组织并不是什么奇特的东西，只是各种各样的晶体而已。这些晶体堆砌在一起，就构成了金属块。就像多晶体的冰糖是由单晶体的冰糖组成的一样。只不过铁碳合金中的这些晶体尺寸非常小，肉眼不能直接看到，只有在放大数百倍的显微镜下才可观察到。
教师可以进一步直接告诉学生，这些晶体的形状、大小、分布、特性会影响和决定铁碳合金整体的力学性能。
其实，学生可以想象铁碳合金中的组织形态了，教学就成功了一半，可收事半功倍之效。所以，笔者的教学过程设计如下。首先展示冰糖晶体实物，复习、讲解晶体概念。使学生清晰地了解晶体的构成（无数个物质分子或原子，按一定的排列规则排列）、规则的形态。然后，说明铁碳合金也是由晶体组成的，只是它的晶体是由铁原子及碳原子按一定规则排列而成……即利用＂晶体＂概念的共性，来引导学生理解、认知铁碳合金的组织。
接下来的一步，是利用＂晶体＂概念之中的差异性来定义铁碳合金中各种不同的晶体组织，例如铁素体是铁原子按＂体心立方＂排列规则排列而形成的晶体，该晶体中可含有（溶解）极少量的碳原子。它塑性好、硬度和强度低，有磁性，它的显微镜照片可以看到＂多晶体＂的特征。
经过这样的处理，铁碳合金组织概念就会很容易地在学生＂简单的头脑＂中扎根，我认为这是教好铁碳合金组织和组织转变及铁碳合金相图的关键一环。
其实，教材已经为我们提供这一线索。例如许多《金属材料及热处理》教材都提到了晶体的概念。但遗憾的是，教材没有对晶体这个概念充分利用，教师也没有抓住＂晶体＂概念来展开概念同化教学。
笔者在教学中突出了晶体的概念。在称呼、命名铁碳合金的组织时，一定要后缀上＂晶体＂两字。例如，教材上写＂铁素体＂，笔者在板书上、讲课中一定要称＂铁素体晶体＂。类似的还有＂奥氏体晶体＂＂渗碳体晶体＂＂珠光体晶体＂＂莱氏体晶体＂。时刻突出铁碳合金组织的晶体特征，从而方便学生联想、准确理解和记忆。3.概念的定义要通俗化
对于铁碳合金组织的定义，用词还应通俗化，要让学生容易理解。当代教育心理学指出，概念应该由学习者用自己的语言表达出来，才能说明他掌握了该概念。正是利用这一原理，以通俗的定义来引导学生描述概念，是一种有价值的教学方法。4.有意义学习
讲铁碳合金的晶体组织，一定要与合金的力学性能紧密联系在一起。让学生时刻体会到铁碳合金的力学性能如何，是由其晶体组织决定的，而其晶体组织又受其成分和温度的影响。使学生能依托＂成分—组织—性能＂的线索思考、记忆，构建起知识的体系，对铁碳合金晶体组织进行有意义的记忆。5.金相组织照片的使用
为配合铁碳合金晶体组织概念的教学，金相组织图片的呈现是必不可少的，借助它可以使学生对铁碳合金各种晶体组织产生直观印象。遵循概念同化的原则，首先，要呈现冰糖晶体的图片（见图1），展示多晶体的形态特征，为以后讲解铁素体晶体和奥氏体晶体等做准备。
然后，呈现某种矿石晶体图片（见图2）。指出＂两种＂晶体共存的形态特征。为以后讲解铁素体晶体和珠光体晶体共存状态做准备。
其后，逐步呈现铁素体晶体、奥氏体晶体、珠光体晶体的金相组织照片等，逐一讲解。见图3、图4、图5、图6和图7。
最后，带学生一起手绘铁碳合金晶体组织示意图（参见图8）。对铁碳合金的晶体组织形态进行抽象思维，使学生领悟其主要的形态特征，以便于对铁碳合金晶体组织的想象。画图时，一方面要表达出晶粒、晶界的概念;另一方面要表达出一个规律：随着合金中含碳量的逐步增加，铁碳合金的晶体组织会发生变化，即铁素体晶体减少，珠光体晶体增多，直至出现二次渗碳体晶体。为下一步讲好铁碳合金相图做好准备。6.关于铁碳合金相图的教学
铁碳合金相图是用图示的方法集中表达了铁碳合金的晶体组织受含碳量（成分）和溫度影响的规律，是铁碳合金晶体组织及转变基础理论的展示。
在铁碳合金相图的教学中，首先还是要对难以理解的概念、原理做删除处理，遵循简化原则。如，共析点S、共晶点C、奥氏体最大溶解度点E、共析体、共晶体、共晶转变、共析转变等，放弃不讲，以免增加学生的思考负担。
对共析转变，只是讲在727℃时，奥氏体晶体转变成了珠光体晶体。同理，对共晶转变，也只是讲在1148℃时，液相转变成了莱氏体晶体。
需要特别注意的是，最初不要把全部相图直接通过投影展示给学生，而是要在黑板上逐步画出来。其画法是：首先从相图的底部画起，要展示含碳量对铁碳合金晶体组织的影响规律，见图8。随后随着温度的升高，各种晶体组织会在哪个温度下会发生转变，逐渐补齐点和线。再重点讲解容易理解的温度线、点和区域的含义。并注意放慢讲课速度，给学生留出思考的时间。这个过程能向学生充分展现铁碳合金相图的意义。最终在学生头脑中形成的整体印象应该是：铁碳合金相图是人们画出的、反映含碳量（成分）和温度对铁碳合金晶体组织影响规律的一种图示（见图9）。
教学实际情况表明，按上述教学设计进行教学，可以让技校学生听懂铁碳合金晶体组织和铁碳合金相图的教学内容，让他们能够产生共鸣、产生反应。一些的学生还可以利用相图来分析简单问题。
四、小结
铁碳合金晶体组织和铁碳合金相图，是金属材料及热处理课程最基础、最关键的知识。如何进行有效教学，让技校学生能理解、能记住相关知识，使技校学生能利用铁碳合金相图来分析、判断一些问题？笔者总结出如下经验和结论。1.在教学过程中，主要靠教师发挥作用
教师自己必须对所讲的知识深刻掌握、理解透彻、思路清晰。为学生找到一条可行的＂学习捷径＂。2.对教学内容进行简化
使学生能集中精力思考＂核心、关键概念＂，即铁碳合金的基本晶体组织。3.利用＂概念同化＂的方法对＂核心、关键概念＂进行教学设计
就是利用＂晶体＂这个概念，借助晶体概念的共性使学生想象、理解铁碳合金的组织。这是教好铁碳合金晶体组织和铁碳合金相图的关键一环。4.讲铁碳合金的晶体组织，一定要与铁碳合金的成分和力学性能緊密联系在一起
使学生能依托＂成分—组织—性能＂的线索构建起知识的体系，对铁碳合金晶体组织进行有意义的记忆。5.关于铁碳合金相图的教学
一要遵循简化原则。二要坚持＂在黑板上逐步画出相图＂的思路。目的是使学生对铁碳合金的晶体组织形态进行抽象思维，进而领悟其主要的形态特征。并向学生充分展现铁碳合金相图的意义。参考文献：
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