思维导图在材料化学理论教学中的应用与探索

广 东 化 工 2021年 第2期
· 254 · 第48卷 总第436期
思维导图在材料化学理论教学中的应用与探索
马雪璐*，王启宝
(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)
[摘 要]思维导图是具有可视化及灵活发散特点的学习辅助工具，可以帮助学生构建知识网络。

通过分析材料化学课程知识体系的特点，将思维导图引入材料化学的理论教学，有助于课程内容的优化关联，可以达到提高教学效果和教学质量的目的。

[关键词]材料化学；思维导图；教学探索
[中图分类号]G4 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)02-0254-02
Application and Exploration of Mind Map in the Theoretical Teaching of Material
Chemistry
Ma Xuelu *, Wang Qibao
(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: Mind maps are visual and flexible studying assistant tool that can help students build knowledge networks. By analyzing the knowledge characteristics of material chemistry, introducing the mind map into the theoretical teaching of material chemistry is helpful to optimize the relevance of the course content and to improve the teaching effect and quality.
Keywords: mind map ；material chemistry ；teaching exploration
材料作为构成社会文明以及国民经济的三大支柱之一，是科学技术发展的物质基础和技术先导[1]。

化学是从原子和分子层面研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的自然学科[2]。

科技的迅猛发展将材料与化学之间相互渗透、相互交叉，使宏观问题与微观认识相结合。

材料化学作为一门重要的交叉学科课程，知识覆盖广，内容体系庞大，与前沿科学技术息息相关。

在学习过程中会存在以下问题：材料结构、性质、功能知识点繁多复杂，材料形成理论理解难度大，容易忽略不同材料结构与结构的对比以及结构与性质、性质与功能的关联等。

然而，随着新材料、新技术、新理论的出现，要求材料化学的教学要兼顾基础理论知识和学科前沿技术，要求学生对材料化学的理论基础必须深刻理解并熟练掌握，通过思维导图对课程内容进行优化关联，可以获得了较好的教学效果。

1 材料化学课程的知识体系
材料化学作为中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院化学工程与工艺专业材料化工课程组的核心课程，是有机化学、无机化学、物理化学、分析化学等化学基础课程的延伸与拓展。

课程选用教材为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材——李奇、陈光巨主编的《材料化学》(高等教育出版社)，本教材是在晶体学理论的基础上，介绍主要材料类型的结构、性能与应用，具体内容包括晶体学基础、非整比化合物材料与亚稳态材料、金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、纳米材料、新型功能材料[3]。

由于材料的主要存在形式为固体，固
体按照组成粒子排列有序度可分为晶态、非晶态和准晶态。

因此，材料化学课程从晶体结构的周期性、晶体结构的对称性等晶体学理论出发，以几何晶体学的基本定律作为基础，建立学生在学习材料化学过程的空间结构概念，并对后续非整比化合物材料与亚稳态材料、金属材料、无机非金属材料等以组成结构划分的材料类型描述具有一定的铺垫作用，并且各种材料的结构组成特点直接影响相应材料的性能[4]。

例如，工业上应用的单相合金多为单相固溶体，除溶剂金属的性质影响固溶体的性能外，溶剂金属的性质和溶质元素的种类、数量和溶入方式也是重要的因素。

当溶质元素的含量较少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。

随溶质含量的升高，溶剂晶格畸变越大，固溶体的性能将发生明显改变，一般情况下，强度、硬度均有升高。

这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

固溶强化是金属强化的一种重要形式。

间隙型溶质原子的强化效果一般要比置换型溶质原子更显著，溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著[5]。

因此，如图1所示，从金属材料在材料化学整体的知识体系关联上看，金属材料部分对晶体学基础、非整比化合物材料与亚稳态材料中标记内容起到承接作用，也是纳米材料、新型功能材料中标记内容的基础。

可见，在材料化学教学内容中各部分知识点关联程度极强，需要科学有效的手段将知识脉络进行梳理，突出内在逻辑关系。

图1 材料化学课程体系中金属材料的关联知识点
Fig.1 Related knowledge of metallic materials in the material chemistry course system
[收稿日期] 2020-12-22
[基金项目] 中国矿业大学(北京)本科教育教学改革与研究项目(J200414)
[作者简介] 马雪璐(1987-)，女，辽宁沈阳人，博士，讲师，主要研究方向为能源环保相关催化新材料的设计与构建。

*为通讯作者。

2
思维导图在教学中的关联强化作用
思维导图是具有可视化特点的记忆辅助工具，由英国著名教育家Tony Buzan 于20世纪60年代提出[6]。

思维导图着眼于利用图文并重的方式，结合左脑的逻辑思维和右脑的形象思维，激发大脑记忆潜能。

作为一种有效的记忆手段，可以对价值信息可以进行分析和整合，通过思维导图能够延伸枝节，拓展信息，具有一定发散性。

目前，我国高等学校本科教育倡导推进“四个回归”——回归常识，即要求学生刻苦读书学习；回归本分，即要求教师要潜心教书育人；回归初心，即高等学校要倾心培养建设者和接班人；回归梦想，即高等教育要倾力实现教育报国、教育强国梦[7]。

因此，大学生要合理“增负”，对学习对象必须深刻理解并熟练掌握，教师也要把所教学课程变成有深度、有难度、有挑战的“金课”，真正把内涵建设质量提升体现在每一个学生的学习成果上[8]。

思维导图旨在加强学生深入理解和长期记忆课程必须要求掌握的知识点，通过对比掌握重点，优化知识结构，建立知识点与知识点之前的关联，避免学生在学习过程中“只见树木不见森林”的情况，可以促进提高学生学习兴趣以及学习效果。

3 思维导图在“新型合金材料”教学中的探索应用
有序的教学组织和环环相扣的教学安排是保证课堂教学质量的关键和基础。

通过线下课堂教学+线上学习资料共享+线上雨课堂测试，基本做到教学维度的多面覆盖，有利于教学质量的保证以及教学效果的反馈。

材料化学理论教学安排一般分为三个环节：课程内容导入、课程内容讲解和课程内容总结复习。

三个阶段均可以以思维导图作为基础进行展开，思维导图既是“知识树”也是“问题树”。

在课程内容导入过程中，教师可以通过思维导图将前期相关内容进行回顾并提出即将展开部分的相关问题。

在课程内容讲解阶段，教师可以通过思维导图先简明扼要地将课程的核心内容展示出来，再通过层级知识结构递进讲解各知识点。

最后在课程内容总结复习阶段，教师可以通过思维导图明确知识点之间的联系，起到加深强化关联的作用。

下面以＂新型合金材料＂的教学为例，阐述思维导图在材料化学理论教学中的应用。

图2 金属材料的思维导图
Fig.2 The mind map of metallic materials
如图2所示，基于思维导图，我们可以明确学习对象“新型合金材料”在“金属材料”基本知识体系中的前后内容。

新型合金材料是在金属特性与金属键、金属单质晶体结构、合金结构以及金属材料的内容基础上，对储氢合金、形状记忆合金以及高性能合金展开的介绍。

其中，储氢合金是一种能储存氢气的新型合金材料，由于它所储存的氢密度远大于液态氢，因此也叫氢海绵[9]。

储氢合金的储氢原理是原体相合金可逆地与氢形成金属氢化物，即气态氢分子分解成氢原子后进入金属中，其本质是形成了间隙固溶体，即原子半径较小的非金属原子(例如
H ，C ，N ，B 等原子)渗入金属结构的间隙中，这与思维导图中合金结构的金属固溶体的内容具有强关联。

形状记忆合金是在受外力作用变形后能自动恢复原状的合金，这种“记忆”性能源自马氏体相变及其逆转变的特征，而这种特征与传统金属材料中钢铁(铁碳合金)的基本相——奥氏体具有一定关联。

通常，形状记忆合金的母相为有序结构的奥氏体，通过冷却的过
程发生位移相变形成热弹性马氏体，在外力作用产生畸变后择优位移取向形成变形马氏体，恢复记忆形状的过程是通过加热到一定温度后出现逆转变恢复到有序结构的奥氏体母相。

因此，钢铁材料基本结构的认知对学习新型合金材料中的形状记忆合金部分至关重要，思维导图便将两者的关联进行了清晰的描述。

而高性能合金材料通常指通过前述的固溶强化作用形成的超塑性合金、硬质合金等，因此高性能合金材料与思维导图中合金结构的金属固溶体的内容具有强关联。

通过思维导图的绘制，知识点容易形成对比，重点难点突出，有效解决了金属材料教学中结构、性质、功能知识点繁多复杂，材料形成理论理解难度大等存在的突出问题。

此外，在教学呈现的思维导图基础上，可以鼓励学生积极挖掘课外资源的知识线索，关联前沿问题将知识体系进行拓展。

4 基于思维导图教学的效果及评价
通过上述材料化学理论教学中思维导图的探索应用，梳理了金属材料的知识体系以及关联内容，深化了合金结构中间隙固溶体在固溶强化形成高性能合金以及形成储氢合金等方面的知识脉络。

通过“雨课堂”平台设置练习对相关知识进行检测，并以测试作答情况作为评价依据，线上平台的测试情况如图3所示。

课后测试题目涉及了基础知识、知识应用、拓展提升三个层次，提示学生运用课程讲解的知识点引导学生对所学知识进行活学活用。

测试题目增加了学科前沿技术，将基础知识的学习与前沿技术相结合，有利于加深学生对于知识的理解，同时有利于培养学生的创新思维能力。

线上测试完成度100 %，正确率达到98 %以上，取得了极好的教学反馈。

说明学生无论从宏观知识体系的整体把握，到微观细节知识点的理解都达到了良好的学习效果。

图3 线上平台的测试反馈情况 Fig.3 The test feedback of online platform
在材料化学理论教学中引入思维导图，有助于学生更好的完成预习、课堂学习及复习，使教与学之间的信息交流更加充分。

通过思维导图知识点的梳理可以帮助学生从整理把握教学内容，将零散知识一体化，构建知识框架，提高学习效果。

总之，思维导图的应用是材料化学教学中先进教学理念、教学模式和教学工具的探索与尝试，只有满足材料化学的教学兼顾基础理论知识和学科前沿技术的需求才能与时俱进。

(下转第257页)
学档案管理工作的信息化进行优化和完善，造成相关制度和标准的落后。

这不仅影响了教学档案管理信息化的进程，也使得教学档案管理工作效率偏低，不规范，导致问题频出。

此外，缺乏适当的制度和标准来约束规范，使地方高校教学档案管理信息化建设的系统性不强。

3.3 教学档案缺乏信息化管理
随着全面振兴本科教育和分类建设高水平大学的推进，地方高校的档案信息化建设工作已成为高水平大学建设的重要环节，但大多数地方高校二级学院的教学档案的管理目前还普遍采用纸质版[5]。

这种传统的纸质档案有很多弊端，比如纸质档案存放占地量大，需要专门档案室；相关档案查阅麻烦，在教学检查或者教学评估时需要需要人工在成千上万分材料中进行反复查询，既对纸质档案材料造成了不可避免的磨损，有耗费大量人力物力。

所以，地方高校教学档案的信息化建设不仅能保护教学档案材料不受磨损，又能简化档案归档和查询工作，但目前教学档案管理的信息化建设还没有被各地方高校所重视。

3.4 教学档案信息化建设缺乏专业技术人才
高校教学档案信息化管理工作的基础是计算机技术，要推动地方院校教学档案的信息化建设，就必须引进或培养有计算机技术背景的人才。

但由于教学档案管理工作不被重视，在档案管理人才的引进和培养方面的投入有所欠缺。

要实现地方院校的教学档案信息化建设，提高对专业人才的要求，地方高校原有的档案管理人员难以应对档案信息化管理工作中的挑战。

4 地方高校二级学院教学档案管理的完善措施
4.1 加强教学档案管理信息化建设的宣传力度
首先，在地方高校教学档案管理信息化建设中，领导人员和相关管理人员要立足于档案工作，转变原有的档案工作模式和思维理念，对地方高校二级学院教学档案管理进行合理性和信息化的管理。

其次，方高校二级学院在教学档案管理的信息化发展中，要加强宣传工作，通过宣传工作提升教育工作者对教学档案管理信息化的认知度，使教育工作者认识到教学档案管理信息化建设的重要性。

4.2 制定教学档案信息化管理质量标准
地方高校二级学院在实施教学档案信息化管理工作中要建立档案管理质量标准，这种质量标准要包括教学档案材料的归档范围、整理要求、类别划分、存储形式、立卷规则、保存年限等方面。

各地方高校应参照《高等学校教学管理要点》(高教司〔1998〕33 号)以及相关专业评估、专业认证和审核评估等文件要求，结合自身的实际情况，来确定本校教学档案的归档范围。

所有教学档案材料要力争实现纸质文档和电子文档同步存档。

电子文档格式要符合国家技术监督局发布的中华人民共和国国家标准GB/T18894-2002《电子文件归档与管理规范》关要求，明确档案信息化后生成的电子文档的信息标准，以及信息化档案记录的标引和检索规则方法，建立适合信息化发展的教学档案信息化标准体系。

4.3 实行二级学院教学档案管理信息化、共享化
在当今大数据、云计算和信息化时代，地方高校二级学院的教学档案管理的发展也要从学院集中统一式向新的集成化管理转型[6]。

地方高校教务部门要拿出专门经费来引进有专业背景的人员，把学校现使用的信息系统和档案管理系统结合起来，把教学活动过程中的各种数据分类保存，构建成各种类别信息集成化的信息化管理系统，实现学校内部多种信息资源可共建共享，每位教职工都能便捷地使用这种信息化的集成管理模式，提高高校信息资源的利用率。

地方高校还要加大教学档案管理信息化的基础设施和设备的投入，使用先进的信息化管理系统，加强地方高校二级学院的教学档案信息化管理建设。

4.4 提高教学档案管理人员专业综合素质
地方高校的二级学院大都没有专职从事教学档案管理人员，该工作往往由教务秘书来兼职，故此地方高校应加强教学档案管理人员的专业化建设，引进专业化的档案管理人才，特别是具有相关档案管理专业背景的人才，以满足教学档案信息化管理建设的基本需求。

此外，地方高校还要组织专业人员对各二级学院的教务管理人员和各系(教研室)主任进行教学档案信息化管理方面的培训，例如举办讲座、参加集中培训等，注重对以上人员的档案管理、计算机技能、教学管理三方面的综合素质的提升。

各地方高校还可以定期组织相关档案工作人员到其他单位交流学习档案管理信息化知识，还可以制定明确的奖赏制度，每年要对从事档案管理工作的人员进行考核，以激发他们业务学习积极性。

综上，地方高校二级学院教学档案管理的信息化建设，对地方高校教育教学质量的提升具有重要意义，以此来加强档案信息化管理工作质量。

基于地方高校二级学院教学档案信息化管理工作的重要性，需要由专业的档案管理人员来担任此类工作，为高校相关部门档案资源提供科学性和便捷性服务，提供精准化的档案，提升工作效率，进而提升高校档案管理服务效度。

参考文献
[1]王晓燕，王新华．信息化视阈下高校教学档案管理方式的转变[J]．科教导刊，2016(2)：9-10．
[2]宋慧颖，李晔．高校二级学院教学管理模式创新研究[J]．上海教育评估研究，201423(12)：56-59．
[3]许珍花．高校二级学院教学档案材料的收集与管理[J]．黑龙江档案，2017(3)：65-66．
[4]王爽．高校教学档案管理存在的问题及对策[J]．兰台内外，2019(4)：55-56．
[5]徐春晓．高校二级学院教育教学档案管理模式分析与探索[J]．教育文化，2018(31)：91-92．
[6]陈海燕，闫旭．高等院校教学档案管理现状与模式创新探索[J]．教育教学论坛，2018(7)：6-7．
(本文文献格式：魏标，张琳，白翠冰，等．信息化和本科教学评估的背景下二级学院教学档案管理信息化建设[J]．广东化工，2021，48(2)：256-257)
(上接第255页)
参考文献
[1]廖烜逸．关于材料科学与工程的学科发展现状及人才培养的探究[J]．中国化工贸易，2017(6)：199．
[2]吴俊明，钱秋萍．化学的物质结构思维与教学[J]．化学教学，2018(11)：7-16．
[3]李奇．材料化学精品课程建设的实践与思考[J]．化学教育，2012，33(9)：74-77．
[4]禹新良．材料化学课程教学内容的改革与优化[J]．广东化工，2016，43(1)：174-175．[5]曹淑清．金属的强化[J]．机械管理开发，2011(5)：77-78．
[6]东尼·博赞．思维导图使用手册[M]．北京：化学工业出版社，2011．
[7]蒋诗，文春玲，潘权富．以“四个回归”引领高校创新创业教育的路径探索[J]．理论观察，2018(11)：79-81．
[8]王飞，张艳．大学生学习力培养路径研究[J]．西部素质教育，2018，4(22)：65-66．
[9]李兵．新型能源材料--储氢合金[J]．金属世界，2004(6)：43-43．(本文文献格式：马雪璐，王启宝．思维导图在材料化学理论教学中的应用与探索[J]．广东化工，2021，48(2)：254-255)。