《玻璃工艺学》的教学改革与实践以讲解玻璃形成动力学这一知识点为例

㊀第１０期㊀㊀收稿日期:２０２１－０４－１５
基金项目:安徽省高等学校省级质量工程项目(ｘｊ２０２０７２)ꎬ安徽科技学院质量工程项目(ｘ２０２０６８)ꎬ安徽省省级重点教学研究项目(２０１７ｊｙｘｍ０３６６)ꎬ安徽省高等学校省级质量工程项目(２０２０ｊｙｘｍ０４１０)
作者简介:王彦平(１９９０ )ꎬ女ꎬ讲师ꎬ从事创新创业教育课程的教学工作ꎮ
«玻璃工艺学»的教学改革与实践:以讲解玻璃形成动力学这一知识点为例
王彦平ꎬ陈君华ꎬ郭雨ꎬ郭腾
(安徽科技学院化学与材料工程学院ꎬ安徽蚌埠㊀２３３０３０)
摘要:玻璃作为历史悠久和性能优异的无机非金属材料ꎬ用途广泛ꎮ只有充分理解并掌握玻璃的形成机理ꎬ才能制备出符合要求的玻璃材料ꎮ作为无机非金属材料工程专业的方向课程ꎬ«玻璃工艺学»教授学生玻璃的结构ꎬ形成规律ꎬ主要原料与辅助原料等知识点ꎮ但是学生对玻璃相关的理论知识学习的积极性不高ꎬ尤其在讲解玻璃形成动力学这一知识点时ꎬ课堂气氛不够活跃ꎬ教学效果不好ꎬ无法达到预期的教学目标ꎮ本文对«玻璃工艺学»这门课程进行教学改革ꎬ以讲解玻璃形成动力学这一知识点为例ꎬ探讨激发学生学习兴趣ꎬ提高学生学习效果的实现路径ꎬ帮助学生理解并掌握与玻璃相关的知识点ꎮ关键词:玻璃工艺ꎻ容积分率ꎻ黏度ꎻ势垒
中图分类号:Ｇ６４２㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０２１Ｘ(２０２１)１０－０１８７－０２
ＴｅａｃｈｉｎｇＲｅｆｏｒｍａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｆ"Ｇｌａｓｓ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ":ＴａｋｉｎｇｔｈｅＫｉｎｅｔｉｃｓｏｆＧｌａｓｓＦｏｒｍａｔｉｏｎａｓａｎＥｘａｍｐｌｅ
ＷａｎｇＹａｎｐｉｎｇꎬＣｈｅｎＪｕｎｈｕａꎬＧｕｏＹｕꎬＧｕｏＴｅｎｇ
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ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｎｇｂｕ㊀２３３０３０ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｓａｎｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｌｏｎｇｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｇｌａｓｓｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ.Ｏｎｌｙｂｙｆｕｌｌｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄｍａｓｔｅｒｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇｌａｓｓｃａｎｗｅｐｒｏｄｕｃｅｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｇｌａｓｓｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ａｓａｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃｏｕｒｓｅｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｏｎ－ｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍａｊｏｒꎬ"ＧｌａｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"ｔｅａｃｈｅｓｓｔｕｄｅｎｔｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｌａｓｓꎬｆｏｒｍａｔｉｏｎｌａｗꎬｍａｉｎｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄａｕｘｉｌｉａｒｙｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｏｔｈｅｒｋｎｏｗｌｅｄｇｅｐｏｉｎｔｓ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｓｔｕｄｅｎｔｓａｒｅｎｏｔａｃｔｉｖｅｉｎｌｅａｒｎｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｇｌａｓｓꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｈｅｎｅｘｐｌａｉｎｉｎｇｔｈｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅｐｏｉｎｔｏｆｇｌａｓｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓꎬｔｈｅｃｌａｓｓｒｏｏｍａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｉｓｎｏｔａｃｔｉｖｅｅｎｏｕｇｈꎬｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｓｎｏｔｇｏｏｄꎬａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｔｅａｃｈｉｎｇｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓｃａｎｎｏｔｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｆｏｒｍｏｆｔｈｅｃｏｕｒｓｅ"ＧｌａｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"ｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅｐｏｉｎｔｏｆｇｌａｓｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｐａｔｈｏｆｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｓｔｕｄｅｎｔｓ'ｌｅａｒｎｉｎｇｉｎｔｅｒｅｓｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｕｄｅｎｔｓ'ｌｅａｒｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬｓｏａｓｔｏｈｅｌｐｓｔｕｄｅｎｔｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄａｎｄｍａｓｔｅｒｔｈｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅｐｏｉｎｔｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｇｌａｓｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｌａｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｃａｐａｃｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｒａｔｅꎻｖｉｓｃｏｓｉｔｙｉｎｄｅｘꎻｐｏｔｅｎｔｉａｌｂａｒｒｉｅｒ㊀㊀«玻璃工艺学»是无机非金属材料工程专业开设的一门专业方向课程ꎬ主要讲解玻璃的结构㊁形成规律㊁成型加工等内容ꎮ在讲解知识点的过程中ꎬ发现学生对理论性强的内容理解困难ꎬ学习积极性不高ꎬ学习效果不好ꎮ因此ꎬ我们对«玻璃工艺学»的教学方式和内容进行了改革ꎬ使枯燥无味的知识点转化为生动形象的实例ꎬ帮助学生理解掌握[１]ꎮ下面ꎬ我们以玻璃形成动力学这一知识点为例ꎬ详细说明改革的具体方式和内
容ꎮ
１㊀从动力学观点来说ꎬ熔体冷却速度是玻璃形成的关键
教学改革前ꎬ我们在讲解熔体冷却速度决定了玻璃能否形成这一知识点时ꎬ是通过讲解玻璃是非晶态ꎬ所以晶核的形成和长大不利于形成玻璃ꎬ而熔体冷却速度决定了晶核能否形成和长大ꎬ因此也就决定了玻璃能否形成[２]ꎮ内容枯燥又绕口ꎬ
学生难以理解ꎬ效果不好ꎮ教学改革后ꎬ我们引入生动形象的实例ꎬ帮助学生理解ꎮ
(１)一个班级里面前排都坐女生ꎬ后排都坐男生ꎬ那么就是规则排列ꎬ好像晶体结构一样有规律ꎬ我们假设这种排列情况会形成晶体ꎻ
(２)一个班级里面男生和女生随意的选择座位坐下ꎬ没有任何规则ꎬ好像非晶体结构一样没有规律ꎬ我们假设这种排列情况会形成非晶体ꎬ也可以说是可以形成玻璃ꎻ
(３)老师在讲台上要求所有的女生都坐前排ꎬ男生坐后排ꎬ那么如果给学生们的时间足够长ꎬ学生就可以按照老师的要求坐好ꎬ也就是可以形成晶体ꎻ
(４)老师在讲台上要求所有的女生都坐前排ꎬ男生坐后排ꎬ但是却只给了一秒钟的时间ꎬ那么学生根本来不及按规则坐好ꎬ也就是说可以形成玻璃ꎻ
(５)据此实例ꎬ可以引出给学生们的排列时间足够长ꎬ也就是熔体冷却速度足够慢ꎬ更易形成晶体ꎬ相反ꎬ如果给学生们的排列时间足够短ꎬ也就是熔体冷却速度足够快ꎬ更易形成玻璃ꎬ因此ꎬ熔体冷却速度是玻璃形成的关键ꎻ
(６)另外ꎬ一个班级里如果女学生的数量很少ꎬ男学生的数
７８１ 王彦平ꎬ等:«玻璃工艺学»的教学改革与实践:以讲解玻璃形成动力学这一知识点为例
山㊀东㊀化㊀工
量也很少ꎬ那么学生们按老师的要求进行规则排列的时间相较于男女学生数量都多的班级就会缩短很多ꎬ也就是说排列时间
(熔体冷却速度)和男女学生数量(熔体数量)有很大关系ꎬ因此ꎬ从动力学的观点来研究形成玻璃所需要的冷却速度时ꎬ一定要指明对应的熔体数量ꎮ
２㊀容积分率
教学改革前ꎬ我们在解释容积分率的概念时是这么来讲解的:能测出的最小晶体体积和熔体总体积之比就是容积分率[３]ꎮ因此ꎬ学生不知道容积分率和玻璃能否形成有什么关联ꎬ更加不理解为什么要引入容积分率的概念ꎮ教学改革后ꎬ我们在讲解容积分率时用芝麻和玉米粒来比喻不同大小的晶体ꎬ帮助学生理解ꎮ
(１)如果要形成玻璃ꎬ那么熔体冷却后形成的物质中不能检测出晶体ꎬ晶体有大有小ꎬ我们假设小于芝麻粒大小的晶体就无法检测到了ꎬ那么熔体冷却后形成的物质中如果都是小于芝麻粒大小的晶体ꎬ我们就可以假定形成了玻璃ꎻ(２)熔体冷却后形成的物质中如果都是大于芝麻粒大小的晶体ꎬ比如都是玉米粒大小的晶体ꎬ那么就可以检测到ꎬ我们就可以假定没有形成玻璃ꎻ
(３)另外ꎬ如果大于芝麻粒大小的总体积ꎬ也就是能检测出的最小晶体的总体积(ＶＬ)相对于熔体的总体积(Ｖ)非常非常小ꎬ小到可以忽略(通常是小于１０－６)ꎬ那么也可以说形成了玻璃ꎻ
(４)容积分率就是ＶＬ/Ｖꎬ如果熔体冷却速度快到熔体无法形成晶体ꎬ或者形成了晶体ꎬ但是对应的容积分率足够小ꎬ那么也可以认为形成了玻璃ꎬ因此容积分率和我们判断熔体冷却后是否形成了玻璃密切相关ꎮ
３㊀三Ｔ图
教学改革前ꎬ我们在讲解如何通过三Ｔ图(Ｔ－Ｔ－Ｔ:温度－时间－转变)来确定物质能否形成玻璃时ꎬ是通过讲解二氧化硅的三Ｔ图ꎬ由横坐标是时间ꎬ纵坐标是温度ꎬ得出斜率是熔体冷却速度ꎬ因此求得二氧化硅的三Ｔ图的 鼻尖 斜率就可以得到形成玻璃时需要的熔体冷却速度[４]ꎮ学生不理解为什么是求得 鼻尖 的斜率ꎬ而不是求得曲线其它点的斜率ꎮ另外ꎬ为什么在做三Ｔ图曲线时必须要选定三Ｔ图对应的容积分率ꎮ教学改革后ꎬ我们依照前面讲解熔体冷却速度和容积分率的例子进一步讲解三Ｔ图ꎬ帮助学生理解ꎮ
(１)熔体的容积分率和单位体积结晶频率ꎬ晶体生长速度以及时间有关ꎬ而单位体积结晶频率和晶体生长速度又与温度有关ꎬ因此ꎬ熔体的容积分率和温度ꎬ时间有关ꎻ(２)如果指定容积分率的数值ꎬ那么可以确定出物质在某一温度形成指定容积分率所需的时间ꎬ对应的可以得出在指定容积分率条件下ꎬ一系列温度所对应的时间ꎬ从而得到三Ｔ图ꎻ(３)容积分率 鼻尖 点的斜率最大ꎬ对应的冷却速度最快ꎬ因此也就是临介冷却速度ꎬ高于这个冷却速度(给学生们按规则坐好的时间更短)ꎬ可以形成玻璃ꎬ低于这个冷却速度(给学生们按规则坐好的时间更长)ꎬ无法形成玻璃ꎮ
４㊀玻璃生成的动力学观点
教学改革前ꎬ我们在讲解玻璃生成的动力学观点时ꎬ主要是讲了玻璃生成和粘度的关系以及温度和黏度的关系ꎬ只是结合教材上的一些化合物的理化性能和这些化合物生成玻璃所需要的冷却速度来进行讲解[５]ꎮ教学改革后ꎬ我们通过比拟ꎬ详细解释了黏度的大小和形成玻璃之间的关系ꎬ帮助学生理解玻璃生成的动力学观点ꎮ
(１)如果越过一定的势垒(山坡高度)就能结晶ꎬ无法形成玻璃ꎬ因此ꎬ如果增加势垒(增加山坡高度)有助于玻璃的形成ꎻ(２)黏度就相当于是你在爬山时有人在后面拉扯着你不让你往上爬ꎬ因此ꎬ如果山坡高度不变(势垒不变)那么有人在后面拉扯要比没有人在后面拉扯更难越过山顶(越过势垒)ꎻ(３)黏度越大(后面人拉扯的力气越大)ꎬ越难越过一定的势垒(越难越过山顶)ꎬ也就容易形成玻璃ꎬ因此ꎬ粘度的大小也是决定玻璃能否生成的因素ꎻ
(４)如果后面拉扯的人的力气足够大(黏度足够大)ꎬ那么即使给你很长的爬山时间(熔体冷却速度很慢)ꎬ还是无法到达山顶(无法越过势垒形成结晶)ꎬ因此ꎬ如果黏度增加ꎬ即使冷却速度减小也还是可以形成玻璃ꎮ
５㊀知识点梳理
教学改革前ꎬ我们是直接进行玻璃生成动力学观点这一知识点的讲解ꎬ在讲解完这一知识点后ꎬ只是通过几个判断题和填空题帮助学生巩固知识点ꎬ学习效果不好ꎮ教学改革后ꎬ我们在讲解知识点前ꎬ先播放关于玻璃特性的视频ꎬ帮助学生理解玻璃是非晶态这一特性ꎬ然后再引入要讲解的知识点ꎬ提升学生的学习积极性[６]ꎮ在讲解完玻璃生成动力学观点这一知识点后ꎬ除了通过题目帮助学生巩固知识点外ꎬ还增加了讨论环节ꎮ和学生一起讨论玻璃生成动力学观点的主要内容ꎬ使学生在讨论中对知识点的理解更加透彻ꎬ记忆更加深刻ꎬ达到最好的课堂讲授效果ꎮ另外ꎬ要求学生在课下梳理玻璃生成动力学观点的主要内容ꎬ作为课后作业ꎬ通过作业完成情况判断学生的学习效果ꎮ
６㊀总结
综上所述ꎬ我们在讲解熔体冷却速度ꎬ容积分率ꎬ三Ｔ图ꎬ黏度和玻璃形成的关系等知识点时采用形象的比拟进行讲授ꎬ提升学生的学习效果ꎮ在讲授玻璃形成动力学这一知识点前先播放与玻璃特性相关的视频ꎬ激发学生的学习兴趣ꎮ知识点讲授结束后ꎬ增加讨论环节和知识点梳理任务ꎬ帮助学生掌握知识点ꎮ通过教学改革ꎬ改观了学生对枯燥理论知识的学习印象ꎬ增强了学生对玻璃形成动力学这一知识点的理解ꎬ提高了学生对«玻璃工艺学»这门课的学习兴趣ꎮ
参考文献
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(本文文献格式:王彦平ꎬ陈君华ꎬ郭雨ꎬ等.«玻璃工艺学»的教学改革与实践:以讲解玻璃形成动力学这一知识点为例[Ｊ].山东化工ꎬ２０２１ꎬ５０(１０):１８７－１８８.)
８８１ ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年第５０卷。