摘 要 晶體缺陷是影響材料性能的關(guān)鍵因素，位錯理論是提高材料強度的重要基礎(chǔ)，已成為當(dāng)今晶體塑性理論和材料強化理論的基石。由于其概念復(fù)雜、理論抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往無法建立完整的晶體缺陷和位錯理論的認(rèn)知體系，缺乏用位錯理論解決復(fù)雜材料工程問題的能力。本文從晶體變形與位錯運動的基本規(guī)律出發(fā)，抓住位錯交互作用的難點開展教學(xué)過程設(shè)計，引領(lǐng)學(xué)生演繹點、線、面、體缺陷之間的相互轉(zhuǎn)化過程，并結(jié)合前端科學(xué)研究與實際工程問題，深化學(xué)生對晶體缺陷知識和理論的掌握;圍繞課程思政、答疑思辨、過程考核等教學(xué)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總結(jié)了晶體缺陷與位錯理論的課程教學(xué)實踐與創(chuàng)新教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞 教學(xué)設(shè)計;晶體缺陷;位錯理論;前端科學(xué)研究;實際工程問題

晶體缺陷是“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程里的重要內(nèi)容，其中位錯和位錯運動是材料學(xué)、固體力學(xué)、凝聚態(tài)物理中的重要研究課題，位錯運動對晶體的很多性能和行為有著重要的影響。學(xué)生們在接觸本課程之前已學(xué)習(xí)了“大學(xué)物理”和“物理化學(xué)”等課程，但即使這樣，由于晶體缺陷概念多、位錯理論抽象、涉及知識面廣等特點，所以不管是教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)難度都很大[1-3]。另一方面，一些學(xué)生對專業(yè)認(rèn)可度不高，學(xué)習(xí)目標(biāo)性不強，且對于自身發(fā)展比較盲目，自我要求低，內(nèi)驅(qū)力不足。還有一些學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)游戲，沒有追求和理想，缺乏社會責(zé)任感，缺失正確價值觀引導(dǎo)[4-6]。為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生在具體的學(xué)習(xí)過程中提升學(xué)習(xí)興趣，必須在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段等方面進行改革和創(chuàng)新，積極探索適應(yīng)材料科學(xué)與工程、凝聚態(tài)物理等專業(yè)學(xué)生素質(zhì)教育需要的教學(xué)方法，從而培養(yǎng)學(xué)生掌握固體材料研究的科學(xué)原理、科學(xué)方法和基本的創(chuàng)新方法，針對復(fù)雜材料工程問題建立合理的數(shù)學(xué)模型，能夠運用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理分別描述位錯的運動、位錯的交互作用、材料強化方法、金屬材料的變形等微觀機制。最終，使學(xué)生能夠達到利用晶體缺陷理論和知識分析并解決實際問題的教學(xué)目標(biāo)要求。本文選取晶體缺陷的幾個重要知識點，展示我們所嘗試的課堂教學(xué)實踐以及教學(xué)改革探索，期望與國內(nèi)同行們交流，不斷提升晶體缺陷課堂教學(xué)效果。

1 位錯的運動與晶體的變形

課堂上對位錯理論的講解通常都是先從簡單立方開始，內(nèi)容包括位錯的分類、位錯的運動方式、位錯的運動規(guī)律和位錯的彈性性質(zhì)與交互作用等。位錯運動的一般理論認(rèn)為，刃型位錯可以滑移也可以攀移，而螺型位錯只能滑移不能攀移，混合型位錯可以滑移，也可一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃型分量攀移）。由于滑移面是由柏氏矢量b 和位錯線ξ 決定的平面，即ξ×b。因此刃型位錯和混合型位錯其滑移面是唯一的;而螺型位錯的滑移面是不唯一的，幾何學(xué)上包含位錯線的任何平面都可以是滑移面。但實際晶體中由于派納力的作用，位錯總是優(yōu)先在密排面的密排方向上運動。

在課堂上，帶領(lǐng)學(xué)生們辨析螺型位錯、刃型位錯和混合型位錯的運動特征，引導(dǎo)他（她）們認(rèn)知位錯運動的共性規(guī)律：不論何種位錯，不論滑移、攀移或既滑移又攀移，位錯線的運動方向 始終垂直于位錯線ξ 方向。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生們關(guān)注位錯的運動方向和晶體各部分的位移方向V 之間有什么對應(yīng)關(guān)系，從而比較自然地引出了ξ×規(guī)則。即當(dāng)柏氏矢量為b 的位錯線ξ沿方向運動時，以位錯運動面為分界面，ξ×所指向的那部分晶體必沿著b 的方向運動，這個規(guī)則稱為ξ×規(guī)則。

無論位錯的滑移還是攀移，都會引起晶體的永久變形，即引起塑性變形。在學(xué)生們建立切應(yīng)變和正應(yīng)變概念的基礎(chǔ)上，逐步講解位錯滑移運動引起切應(yīng)變，而位錯的攀移運動引起正應(yīng)變。當(dāng)一根位錯線掃過整個滑移面時（也就是當(dāng)位錯從晶體的一端運動到另一端時），上下兩部分晶體沿滑移面相對位移一個柏氏矢量|b|的距離。由于該柏氏矢量模值與晶體的晶格常數(shù)在一個量級上，因此位錯一次滑移（指掃過整個滑移面）的結(jié)果所產(chǎn)生的宏觀變形是非常微小的。只有成千上萬次的位錯滑移的累積效果，才能使晶體在宏觀上產(chǎn)生明顯的變形。正是由于位錯的一次又一次滑移的微小量變過程，當(dāng)累積到一定的程度達到晶體變形極限時，位錯的微觀運動將導(dǎo)致晶體的宏觀變形發(fā)生質(zhì)變———晶體材料斷裂失效。

通過對位錯運動的量變到晶體變形的質(zhì)變的講解，加深了學(xué)生們對這些概念的理解。在此基礎(chǔ)上，課堂上又進一步解釋了晶體宏觀變形的量并不等同于位錯運動的量，闡明了位錯運動的距離與晶體運動的距離是兩個不同的概念。

2 位錯間的交互作用

在學(xué)習(xí)了位錯應(yīng)力場分布特點后，通過講解位錯應(yīng)變能的計算求解過程以及位錯運動的動力和阻力，使學(xué)生明白在實際晶體中存在的許多位錯，由于它們之間的彈性應(yīng)力場作用，必然影響到這些位錯的運動和分布。在外加力場或電場的作用下，位錯之間發(fā)生相對運動，直至發(fā)生位錯的交割。在課堂上講解這一部分內(nèi)容的時候，可以把國際上最新研究的成果展示給大家，即在電場作用下也會驅(qū)動位錯的運動。自20世紀(jì)30年代位錯理論被提出以來，普遍認(rèn)為位錯移動需要受到應(yīng)力驅(qū)動，并且從理論和實驗上對應(yīng)力加載下的位錯動力學(xué)進行了廣泛和深入的研究。加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬教授等課題組利用原位透射電鏡在沒有外力的情況下，直接觀察到外加電場驅(qū)動位錯移動，位錯可以隨著電場方向變化往復(fù)運動[7]。讓學(xué)生感受到，雖然位錯理論從提出到完善已近百年，但隨著科學(xué)研究的不斷深入，位錯理論還在不斷發(fā)展中，而且對于新材料的開發(fā)還在發(fā)揮越來越重要的作用。課堂上通過最新科研成果的引入，對于激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)晶體缺陷知識的主動性，特別是克服學(xué)習(xí)位錯間交割的畏難情緒發(fā)揮了積極的作用。