案例教學(xué)法在“材料化學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

梁 萍，陳 巖，張 弛，何 鑫

（五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院 廣東 江門 529050）

材料化學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，該課程兼具理論性和實(shí)踐性，是前期專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，也是后續(xù)專業(yè)模塊與專業(yè)實(shí)踐課程的重要橋梁。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解不斷加深，為后續(xù)的專業(yè)模塊和實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的材料化學(xué)課程講授通常是填鴨式地灌輸課本知識(shí)，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性，也不能充分激發(fā)學(xué)生的思維。因此，有必要引入新型教學(xué)方式，使學(xué)生在材料化學(xué)課程中完成知識(shí)、能力與素養(yǎng)的培養(yǎng)。

案例教學(xué)法作為一種獨(dú)特的授課方式，通過教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)典型案例進(jìn)行分析討論，幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)去解決特定問題，改善學(xué)生死記硬背理論知識(shí)，而缺乏深入理解和分析能力的問題。19 世紀(jì)末，哈佛法學(xué)院率先使用案例教學(xué)法，在這之后，案例教學(xué)在法、醫(yī)、商、教育、公共管理等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響，掀起了案例教學(xué)法的研究浪潮[1-2]。該教學(xué)法通過向?qū)W習(xí)者提供優(yōu)質(zhì)的案例資料，為其提供研究資料的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過對(duì)資料的分析與歸納，最終解決提出的問題并得出有效結(jié)論[3]。材料化學(xué)是一門注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的跨學(xué)科課程，在該課程的教學(xué)中引入案例教學(xué)，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)生的思維。文章將選取碳材料作為案例，討論案例教學(xué)法在材料化學(xué)課程中的實(shí)踐。

1 教學(xué)目標(biāo)

本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括知識(shí)、能力與素養(yǎng)三方面：知識(shí)上，使學(xué)生理解并掌握石墨、金剛石、碳納米管在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上各自的特點(diǎn)；能力上，使學(xué)生具備采用碳材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)去分析其應(yīng)用的能力；素養(yǎng)上，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的品質(zhì)和民族自豪感，并增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2 案例資料

本課程的主要內(nèi)容是碳材料里的石墨、金剛石、碳納米管，教師在課前準(zhǔn)備工作中，針對(duì)這三種材料收集相關(guān)的案例資料，以文字、圖片、視頻等方式呈現(xiàn)。

2.1 石墨

材料1：1662 年，德國(guó)人F·卡斯特采用硫磺、銻等作為粘結(jié)劑與石墨加熱混合制造鉛芯。法國(guó)N · J ·康德首次采用水洗石墨的辦法提高石墨的純度，并用粘土將石墨粘結(jié)制成筆芯，為鉛筆工業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

材料2：石墨電極是指以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑，經(jīng)過原料煅燒、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和機(jī)械加工而制成的一種耐高溫石墨質(zhì)導(dǎo)電材料。

材料3：2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2.2 金剛石

材料1：戴比爾斯千禧之星也是一顆難得一見的巨鉆，它是一顆重達(dá)203.04cts 的梨型白鉆，同時(shí)也是在成色與凈度上達(dá)到D 級(jí)最大的一顆。原重777cts 的原石1990 年在剛果共和國(guó)的Mbuji-Mayi 地區(qū)被發(fā)現(xiàn)后，Steinmetz 集團(tuán)耗時(shí)3 年通過鐳射技術(shù)切割出3 顆鉆石，其中重量最重的即為千禧之星，并于1999 年的10 月在英國(guó)格林威治為慶祝千禧年到來而首次露臉。

材料2：海洋之心，藍(lán)色鉆石。電影《泰坦尼克號(hào)》的故事情節(jié)中，“海洋之心”項(xiàng)鏈?zhǔn)遣捎锰股Ｊ瘉磉M(jìn)行客串演繹的，坦桑石呈現(xiàn)出了海洋般的深邃與美麗，是名副其實(shí)的“海洋之心”。

2.3 碳納米管

材料1：碳納米管被譽(yù)為“二十世紀(jì)最神奇的納米材料”之一。碳納米管是由六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)十層的同軸圓管結(jié)構(gòu)，總直徑約20 納米，層與層的固定距離約為0.34 納米。碳納米管的密度只有鋼鐵的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼鐵的100 倍，因此，不少科學(xué)家認(rèn)為碳納米管是打開太空“自由行”的關(guān)鍵材料，如建造電影《流浪地球》中的太空天梯。

材料2：國(guó)產(chǎn)科幻劇《三體》中，有一種名為“納米飛刃”的納米材料。在“古箏行動(dòng)”中，一根蠶絲細(xì)的納米飛刃卻成為世界上最鋒利的刀。這種無比堅(jiān)韌的納米材料可應(yīng)用于太空電梯的制造，使人類得以大規(guī)模進(jìn)入太空，組建起了龐大的太空艦隊(duì)，正面迎戰(zhàn)三體文明的先遣探測(cè)器（在該材料中可附劇中關(guān)于納米飛刃的部分視頻片段）。

3 課堂設(shè)計(jì)

（1）教師提出一次課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（2）教師引入案例，并通過多媒體以文字、圖片、視頻等方式展示案例。通過該過程，一方面通過有趣的、和自己生活密切相關(guān)的案例激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課程內(nèi)容的興趣，另一方面在講解案例的過程中，教師對(duì)案例中與課程內(nèi)容相關(guān)度比較大的信息進(jìn)行重點(diǎn)描述，初步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行思考。

（3）教師依據(jù)案例信息，提出以下問題：①根據(jù)石墨部分材料1 和材料2 的信息，思考在鉛筆和石墨電極中應(yīng)用到了哪些石墨的性質(zhì)，并結(jié)合石墨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析石墨具有該性質(zhì)的本質(zhì)原因。②根據(jù)石墨部分材料3 和材料4，從結(jié)構(gòu)方面描述石墨和石墨烯的相同點(diǎn)與區(qū)別。③根據(jù)金剛石部分材料1 和材料2，從寶石的特點(diǎn)與加工方法方面思考金剛石的性質(zhì)，并從結(jié)構(gòu)分析具備該性質(zhì)的原因。④根據(jù)碳納米管部分材料1 和材料2，分析天梯和納米飛刃利用了碳納米管的哪些性質(zhì)，并思考該類應(yīng)用目前的技術(shù)瓶頸。

（4）教師組織學(xué)生分組，3—4 人一組，學(xué)生結(jié)合課本內(nèi)容及網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)以上問題進(jìn)行分組討論，并通過學(xué)習(xí)通由組長(zhǎng)提交討論結(jié)果。

（5）教師實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生提交的結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行梳理匯總，整理其中存在的問題。

（6）討論結(jié)束后，教師結(jié)合本節(jié)課程內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生分析以上四個(gè)問題的答案，并針對(duì)學(xué)生討論結(jié)果中存在的問題進(jìn)行重點(diǎn)解讀。在該階段，教師要緊扣教學(xué)目標(biāo)，從知識(shí)、能力和素養(yǎng)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)。在知識(shí)方面，重點(diǎn)講授基礎(chǔ)知識(shí)，包括三種材料的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)，并基于結(jié)構(gòu)分析材料的性質(zhì)；在能力方面，基于材料中的應(yīng)用場(chǎng)景，如鉛筆的使用條件、鉆石的光澤、太空天梯與納米飛刃的力學(xué)要求等，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合材料的結(jié)構(gòu)，分析以上應(yīng)用中對(duì)材料的性能需求，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力與解決問題的能力；在核心素養(yǎng)方面，以《三體》為媒介，講述中國(guó)科幻題材書籍、電影及電視劇的蓬勃發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的文化自信和民族自豪感，并在納米飛刃部分講述中國(guó)清華大學(xué)某團(tuán)隊(duì)在碳納米管量產(chǎn)中的研究成果，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的品質(zhì)。

（7）通過課堂測(cè)試的方式對(duì)本次課程的案例教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)。測(cè)試如下：①?gòu)能壍离s化角度，分別說明石墨、金剛石、碳納米管存在的雜化形式。②石墨和金剛石存在的結(jié)構(gòu)類型有哪些？不同結(jié)構(gòu)類型在性質(zhì)上的區(qū)別是什么？③描述碳納米管與石墨烯的結(jié)構(gòu)相關(guān)性，并從結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上分析兩者的區(qū)別。

（8）教師通過學(xué)習(xí)通實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的答題情況，再次對(duì)學(xué)生在回答過程中遇到的問題進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)和解析。

4 教學(xué)成果評(píng)價(jià)

教師結(jié)合教學(xué)過程中學(xué)生的課堂參與積極性、討論分析結(jié)果、測(cè)試題的作答情況以及調(diào)查問卷，綜合評(píng)估本次課程案例教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施的成效。

在實(shí)際教學(xué)實(shí)施中發(fā)現(xiàn)，采用案例教學(xué)法時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到了極大的提高，有趣的案例材料在吸引學(xué)生注意力方面起到了很大的作用，如鉛筆是學(xué)生日常學(xué)習(xí)經(jīng)常用到的工具，尤其是一些重要考試中學(xué)生涂答題卡用到的2B 鉛筆，在該案例中學(xué)生不僅思考鉛筆可以用來寫字的原因，也引發(fā)了對(duì)不同型號(hào)鉛筆的思考；在金剛石的案例中，熠熠發(fā)光的漂亮寶石受到大家的喜愛和關(guān)注，在討論過程中也涉及對(duì)寶石光學(xué)性質(zhì)的探討以及寶石呈現(xiàn)不同顏色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；在碳納米管的案例資料部分，近期SpaceX 新發(fā)射了可回收火箭，而《流浪地球》是中國(guó)今年新上映的優(yōu)質(zhì)科幻電影，大部分同學(xué)均觀看過，因此針對(duì)“太空天梯”方面的討論非常感興趣，并能從力學(xué)性質(zhì)、成本、產(chǎn)量等角度綜合分析天梯的材料需求及可行性，另外《三體》是近期熱播的科幻電視劇，其小說在大學(xué)生群體中也有很好的群眾基礎(chǔ)，在對(duì)納米飛刃的材料選擇中學(xué)生也進(jìn)行了積極的討論。

在討論過程中，學(xué)生結(jié)合案例資料，通過查閱課本及各種網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)案例中的材料進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生課堂參與度高，分析能切中案例所反應(yīng)的本質(zhì)，能多角度有深度地對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行分析，并用規(guī)范且有邏輯的語(yǔ)言表達(dá)討論結(jié)果。另外，基于學(xué)習(xí)通的分組任務(wù)功能，教師可實(shí)時(shí)看到學(xué)生提交的討論結(jié)果并有針對(duì)性地提出問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)討論結(jié)果進(jìn)行再次編輯和優(yōu)化，如在課堂實(shí)施中某一組同學(xué)在討論金剛石相關(guān)問題時(shí)，未涉及光學(xué)性質(zhì)方面的描述，此時(shí)對(duì)教師可從鉆石的特點(diǎn)入手，引導(dǎo)學(xué)生增加對(duì)金剛石光學(xué)方面的討論。值得注意的是，在討論過程中團(tuán)隊(duì)成員合理分工，相互協(xié)作，出色地完成了學(xué)習(xí)任務(wù)。在該過程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到了有效的培養(yǎng)。

因前期的案例分析與討論，學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)有了深入的理解，在課堂測(cè)試中，回答問題的正確率得到有效的提升。

課后調(diào)查問卷主要從以上角度評(píng)價(jià)教學(xué)效果。相關(guān)問題主要包含以下幾方面：①該課程中所呈現(xiàn)出的案例是否清晰聚焦相關(guān)的課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容？②采用的案例是否與時(shí)俱進(jìn)，真實(shí)客觀以及與學(xué)生身邊的生活和學(xué)習(xí)相關(guān)？③案例是否具有趣味性，能否引起學(xué)生閱讀和討論的興趣？④案例教學(xué)法是否有利于學(xué)生全方位的成長(zhǎng)，增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解與掌握，提高對(duì)問題的分析與解決能力，及核心素養(yǎng)（如文化自信、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等）的培養(yǎng)？

5 總結(jié)

在工科課程中，無趣性以及晦澀難懂是學(xué)生在學(xué)習(xí)中面臨的主要問題。采用案例教學(xué)，將課堂的主動(dòng)權(quán)交于學(xué)生，教師在課堂中主要起輔助、引導(dǎo)和把控節(jié)奏的作用。在這種教學(xué)模式下，以學(xué)習(xí)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)力，以豐富的案例資料為媒介，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與熱情，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從知識(shí)、能力、素養(yǎng)等方面全方位地培養(yǎng)學(xué)生。本文對(duì)工科課程案例教學(xué)法的推廣具有一定的啟發(fā)作用。在后續(xù)教學(xué)中，課程組應(yīng)致力于豐富、優(yōu)化和實(shí)時(shí)更新案例庫(kù)，使其兼具實(shí)時(shí)性、趣味性、全息性和一定的張力[4]，提高教學(xué)質(zhì)量。