四维立体双向科学教学法

四维立体双向科学教学法

众所周知，材料科学基础是一门概念多、抽象、难学的科目之一。为了让学生们更快掌握到材料科学的一些核心问题。本书提出了一种科学的、有效的——四维立体双向教学法。

四维立体双向科学教学法，是一种很奇妙的方法。我是在我导师的教导下来浅谈一下它的妙处。“四”代表了有四个关键点即以相为核心体、界、变和图。“立体”指的是“正四面体”因为正四面体的四个顶点是等效点，所以都很重要。“双向”指的是老师在课堂上讲理论知识，学生在课下准备一些应用的PPT从而构成了师生共同合作的氛围。“科学”是它结合中国的国情——美国的学生从小在哪里动手拥有很强的动手和创造的能力，而中国的学生很多都是由表到内、由浅到深。正是由于这个原因，导师把课程给调换了一下。

上面已经从表面上介绍了一下四维立体双向科学教学法，那么我们想不想看一下实践呢？

第一讲相科学

相包括相的结构和成分。在介绍相的过程中，首先从形即晶体介绍起。晶体是离子、原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而晶体具有规则的外形。那么结晶学所选取的单元满足的条件是：（1）晶体的对称性（2）相交边的棱尽可能相等，或相等的数目尽可能多(3)夹角尽可能是直角（4）体积最小根据布拉菲点阵可以划分为7大晶系、14种点阵。即三斜、单斜、斜方（正交）、三方（菱方）、四方（正方）、六方、立方等。

上面是从定性的角度学习了相的结构。那么相的定量分析是什么呢？

为了更加深入地了解相科学，我们对相结构做了定量分析。创造了晶面指数、晶向指数。晶面和晶向的关系、晶带轴定理。

上面介绍了相的结构，但是相是通过什么结合在一起的？

力是原子和原子之间紧密的结合在一起的。那么力的类型有几种呢？

按照力的性质不同可以离子键、共价键、金属键、范德华力和氢键。结合力有吸引力和排斥力两种。吸引作用来源于异性电荷之间的库仑引力，排斥作用来源有二：一是同性电荷之间的库仑力，二是泡利原理所引起的排斥力。

上面介绍了结合力，那么有了结合力，晶体是怎么堆积起来的呢？

根据能量最低原理提出了最紧密堆积。最紧密堆积的方式有两种一是六方最紧密堆积（ABABAB）二是面心立方最紧密堆积（ABCABCABC）。

上面介绍的是等径球的堆积方式，那么非等径球的堆积方式呢？

也就是化学组成对晶体结构有什么关系呢？主要有哥希密特离子半径、鲍林离子半径、察哈利阿森离子半径和谢农的有效离子半径。除此之外温度升高时，质点间距离增大，故离子半径会增大；压力增大时，离子间距离会缩小，离子间半径也会减小。

晶体结构中的正、负离子的配位数的大小由结构中正、负离子半径比决定的。上面介绍了结构和成分对相的影响。那么存不存在极化呢？极化是怎么影响相的结构的呢？

在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引和排斥作用，使之发生变形，这种现象称为极化。极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低；同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价

键过渡。最终导致了晶体结构类型发生变化。

刚刚介绍了内在因素对晶体结构的影响，那么下面介绍一下外在因素对晶体结构的影响——同质多晶与类质同晶及晶型转变

化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象，称为同质多晶现象，化学组成相同但结构不同的晶体称为变体。

化学组成相似或相近的物质，在相同的热力学条件下，形成的晶体具有相同的结构，这种现象称为类质同晶现象。

上面介绍了同质多晶和类质同晶现象，那么它们是怎样转变的呢？

有位移性转变和重建性转变两种。位移性转变仅仅是结构畸变，转变前后结构差异小，转变时并不打开任何键或改变最近邻的配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变；重建性转变不能简单地通过位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。

相科学介绍基本就到这了，下面我们来看一些实例。

结构决定性质，那么生活中都有哪些类型的晶体呢？他们又有什么样的性质呢？

1单质晶体结构

单质晶体包括金属晶体、共价晶体和分子晶体。

金属晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种。

面心立方一般是由半径大小比较接近的离子组成，体心立方一般是由半径相差比较大的离子组成。密排六方一般由一些副族的元素构成。主要有最外层电子和键的一些性质决定。高温下A1较A3稳定。

2 非金属元素单质的晶体结构

3 无机化合物结构

1AX型结构

主要有CsCl、NaCL等类型的结构。

上面介绍了A2X3型结构等等。不在介绍了。

综上所诉，我是按照课本上的来的，感觉很累，还是很没有条理性，记不住。下面我给大家介绍一下四维立体双向科学模型。

它就是建立相科学和相工程之间的联系。相科学是以相为核心，以体、界、变和图为指导的模型；相工程是以相为核心，以材料、工艺、表征和工程为指导的模型。相科学可以用来指导相工程；相工程可以反馈相科学。两者是紧密联系的，相生相克、共同促进的作用。如果没有相科学的指导一定会使产品变的没质量、不稳定、没效益等等问题。如果只有相科学没有相工程那么就会使你的创新得不到应用，没有利益、自然而然就会衰败。没有经济基础的支柱，上层建筑迟早会崩坍的。

当然，我们不排除有一些人会选择考研的道路，走上科学家的道路。为祖国的明天的建设贡献自己的力量。这种模型可以帮助你更加有效地学习。俗话说：“工欲善其事，必先利其器。”这里的“器”就是“道”即方法。

首先是3维：就是在相科学、体、界、变为顶点的正四面体中。接着在2维：在相科学、相体和相变所组成的平面中，可以用来制备一些多晶材料，那个面发生的是多晶转变，可以用相变和相图的知识去解释；在相科学、相变和相界的理论知识可以制备一些复合材料等等。那个面发生的烧结和相变，可以用相变、烧结和界面的知识去了解它。在相科学、相体和相界的理论知识可以制备一些纳米材料，那个面发生的是固态反应、相变和晶体长大等等；最后一个面是以相体、相