案例教學在《表面與界面》研究生課程中的應用探討

王洪磊 周新貴 余金山

摘要：案例教學作為國內外高等院校研究生教育的重要教學方法，在研究生的培養過程中起著舉足輕重的作用。本文從《表面與界面》研究生課程的地位和作用出發，系統分析了案例教學在這門研究生課程中的重要性，并針對課程中各主要部分的教學內容，詳細介紹了案例教學在課堂教學中的具體應用。

關鍵詞：案例教學;表面;界面;研究生課程

中圖分類號：G643 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0181-03

一、前言

研究生教育是高等教育體系中的重要組成部分，研究生培養過程中的課程設計及教學方法直接影響著研究生的培養質量。《中國學位與研究生教育發展戰略報告》明確提出“培養一批具有創新能力、創業精神的高水平人才”是我國研究生教育的培養目標[1]。目前我國傳統的“填鴨式”研究生教學方法嚴重制約了研究生創新能力的提升，亟待采取更有效的課堂講授方式，使學生能更直觀、更生動地接受研究生課程的基礎理論知識，提高其應用基礎理論知識分析解決實際科研問題的能力。

案例教學模式作為一種互動式的教學方法，以具體案例為依托，教師引導學生圍繞案例進行充分的分析、討論和交流，從而使學生掌握課程的基本原理和方法[2]。該教學方法可以充分調動學生的學習積極性，提高其主動學習能力，培養其問題意識，強化其創新思維，因此案例教學法是對傳統研究生教育模式的重要改進，對培養具有較強創新能力和學習能力的創新型研究生具有重要作用。

本文針對《表面與界面》研究生課程教育中普遍存在的教學方法僵化、基礎理論與科研實踐脫節等問題，運用案例教學法對該門課程的課堂教育模式進行了優化，針對各章節的教學內容初步建立了相應的教學案例，有效地活躍了課堂氣氛，激發了學生的學習興趣，提高了其獨立發現問題解決問題的能力。

二、《表面與界面》研究生課程的地位及作用

《表面與界面》研究生課程是國防科技大學材料科學與工程專業研究生的學科專業課程。在材料科學與工程研究領域，材料的表面與界面對材料的性能有著非常重要的影響，在材料科學與工程專業研究生的日常科研活動中，如何應用材料表面與界面的基礎知識和基本理論對實驗現象和結果進行科學分析，是他們必須掌握的一項重要技能。

通過開設《表面與界面》研究生課程，希望使材料科學與工程專業的研究生能夠掌握材料表面與界面的基礎知識、基本理論，熟悉表面與界面現象的一般規律;了解有關表面涂層與改性的方法;理解并熟悉復合材料、納米材料及生物材料的表面界面性能特點;了解國內外在該領域的研究發展歷史、現狀與最新發展動態;初步具備開展相關專業科學研究的基本素養與能力，為今后開展材料科學與工程領域的科學研究工作奠定理論與實踐基礎[3]。

三、案例教學在《表面與界面》研究生課程中的重要性

案例教學是歐美等發達國家高等院校研究生教育的一種主流教學方法，最早由英國學者貝里斯于1829年在法學教育中進行了應用，1918年美國哈佛大學工商管理學院也將該方法運用于研究生的教學實踐過程中[4]，經過歷代教育工作者不斷地創新和完善，該教學方法已形成了一套比較系統的理論基礎和操作模式。

目前案例教學法不僅在法學和商學等社會科學研究生教學活動中得到了廣泛應用，材料、信息和能源等實踐性較強的理工科研究生教育也將該教學方法引入到平時的教學過程中，取得了較好的教學效果，該教學方法已成為國內外知名高等院校研究生教育的主要教學方法。

高等院校中任何一門課程的開設，都要首先理清該課程的主要講授對象，根據講授對象自身的專業知識水平，綜合考慮課程的內容和授課形式。《表面與界面》作為一門研究生的專業課程，應從研究生自身的知識層次出發，須認識到材料科學與工程專業研究生經過本科階段的學習，初步掌握了該專業領域相關基礎理論知識和專業技能，在研究生階段的課程學習目的是加深對理論知識的理解，能夠針對自己科研工作中遇到的實際問題進行分析解決。如果在該階段的研究生課堂教育中過于大篇幅講授《表面與界面》的基本概念、原理和常見方法，缺乏具有前沿性和科學性的案例教學，勢必會降低研究生對該門課程的興趣，影響教學質量。所以在《表面與界面》研究生課程的課堂講授過程中，能夠有針對性地開展案例教學，對于激發研究生對這門課程的學習興趣，使其從被動接受轉變為主動汲取具有重要意義。

四、案例教學在《表面與界面》研究生課程中的設計與實施

案例教學在《表面與界面》研究生課程中的設計與實施，一方面要求課程主講教師具有較高的科學理論素養，另一方面對其教學組織能力也提出了更高的要求。在案例教學的設計與實施過程中，課程主講教師應在充分結合自身科研經驗及專業知識的基礎上，有意識地在平時的課堂教學中優化案例教學內容和教學模式，注重將該領域中與教學內容緊密相關的新知識和新技術轉化為教學資源，增強教學內容的前沿性和創新性，使學生能夠及時掌握《表面與界面》研究方向的最新發展動態，實現自身專業知識和科研能力的提升。

案例教學在《表面與界面》研究生課程教學中的應用，必須充分考慮該課程各章節的特點，有針對性地設計各章節的案例教學內容。目前，《表面與界面》課程的主要教學內容主要分為三部分，第一部分主要講授表面與界面的基礎理論知識，包括材料的表面結構、材料的界面結構和材料的表面與界面現象等;第二部分主要講授表面與界面的基本應用技術，包括復合材料的表面與界面、納米材料的表面與界面、生物材料的表面與界面和表面改性技術簡介等;第三部分主要講授材料的表面與界面分析測試技術，主要包括場離子顯微鏡和原子探針、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和低能電子衍射等應用較為廣泛的表面與界面分析測試設備。針對以上各章節的教學內容，本文作者分別從自身科研工作中所遇到的科學問題和平時關注的有關表面與界面的研究領域前沿性研究成果出發，有針對性地在各章節中設計了幾個典型的教學案例。

《表面與界面》課程的第一部分內容主要為該領域的基礎理論知識，該部分內容主要介紹基本概念和具體現象，內容相對比較抽象，如果采用傳統的“填鴨式”教學方法，勢必會影響學生的學習興趣，此時開展案例教學就顯得至關重要。本文作者針對該部分的具體知識點，有針對性地選擇了當前該領域較為前沿又具有啟發作用的案例引入到平時的課堂教學中，例如在講授“表面原子排列”中“表面弛豫”現象時，作者根據中科院金屬所盧柯院士于2017年在《Science》上發表的研究成果“Grain boundary stability governs hardening and softening in extremely fine nanograined metals”和學生進行了互動討論，使學生更直觀地認識到“表面弛豫”在調控納米晶金屬力學性能上的重要作用[5]。同時作者為了使學生更好地掌握“表面的組織和成分”中“金屬的表面成分”這一知識點，有針對性地讓學生在課后查閱美國太平洋西北國家實驗室Langli Luo等人在《Nature Materials》發表的最新研究結果“Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation”[6]，并在課堂上讓學生進行了分組討論，通過該教學案例的采用，使學生對金屬表面的水汽增強氧化作用有了更深刻的認識，使其在掌握基本理論的同時，對該領域的前沿性研究有了更近距離的接觸，拓展了學生的科學視野。

《表面與界面》課程的第二部分主要向學生講授表面與界面研究領域的基本應用技術，該部分內容的應用性較強，需要從大量案例中提取相關基礎理論知識。由于本文作者的科研方向包括復合材料的界面研究，所以從平時的科研工作中有針對性地篩選出了幾個典型案例和學生一起在課堂上進行分析討論，例如在介紹“陶瓷基復合材料對界面的要求”時，有意識地引入“界面的結合強度對陶瓷基復合材料力學性能的影響規律”這一科學問題，通過讓學生課后查找資料和課堂討論分析等手段，使學生更形象生動地掌握了“陶瓷基復合材料的界面設計與控制”這一重要知識點。在講授“生物材料的表面與界面”這一部分內容時，為了使學生更好地掌握“生物材料表面改性技術”這一知識要點，作者分別指定了“肝素涂層”和“尿酶”兩種物質讓學生分組進行課后文獻查閱，并在課堂上以口頭報告的形式講述兩種物質在“生物材料表面改性”上的具體應用，通過這種講述討論的方式，使學生更深刻地認識到生物材料表面改性的重要性。

“表面與界面的分析測試技術”是《表面與界面》課程中和學生平時科研工作聯系最緊密的一個章節。雖然研究生已在本科階段初步接觸了部分材料分析測試技術，具有一定的知識基礎，但是關于表面與界面方向分析測試技術的了解還有一定欠缺，特別是該領域專業技術在前沿科學研究中的應用更需重點介紹，因此本文作者針對該章節的知識要點，引導學生開展了“表面與界面分析測試技術在電池、催化、電子和生物等前沿交叉學科中的應用”為主題的交流討論。在該案例教學過程中，師生們對以下幾個表面與界面分析測試技術的典型應用進行了深入而廣泛的討論，例如由斯坦福大學崔屹教授和1997年諾貝爾物理學獎得主朱棣文等人組成的研究團隊，通過冷凍電子顯微鏡觀察到了首張原子級鋰金屬枝晶的圖片，首次從原子結構層面觀察到了鋰電池爆炸的原因，為解決該問題提供了科學依據，該研究成果發表在國際學術期刊《Science》上[7]。另外針對掃描隧道顯微鏡的應用，師生們以中科院物理所的兩項研究成果“利用低溫掃描隧道顯微鏡對吸附在氧化鋁薄膜上的單個萘酞菁內部不同振動模式的空間分布規律研究”和“利用掃描隧道針尖發射的電子束精確操縱Ni-Al襯底表面的金原子與分子中的硫原子進行解離和焊接，實現在復雜大分子中選鍵操控”為案例[8，9]，重點探討了掃描隧道顯微鏡的工作原理和工作特點，使學生對掃描隧道顯微鏡在前沿科學研究中的應用有了更直觀的認識。

五、結語

本文從《表面與界面》研究生課程的地位和作用出發，系統分析了案例教學法在該門研究生課程中的重要性，有針對性地對《表面與界面》各章節內容的教學案例進行了詳細說明，初步探討了案例教學在這門課程中的應用效果，驗證了案例教學在《表面與界面》研究生課程中的重要性。但是由于表面與界面研究方向更新發展較快，新研究新發現層出不窮，尤其是在這個信息爆炸的時代，急需針對該課程的主要知識點建立完善的案例庫，滿足研究生對前沿知識的需求，這是以后該門課程在案例教學中的工作重點。

參考文獻：

[1]謝桂華，許放.研究生教育與國家創新體系[M].北京：光明日報出版社，2010：108.

[2]王振飛.案例教學在工科研究生教學中的應用研究[J].科教文匯：中旬刊，2017，（9）：35-36.

[3]余金山，劉東青，王洪磊，周新貴.《表面與界面》研究生課程教學探討[J].教育教學論壇，2018，（26）：183-184.

[4]董文軍.專業學位研究生案例教學的困境及優化策略[J].陜西理工大學學報：社會科學版，2018，36（4）：31-36.

[5]J.Hu，Y.N.Shi，X.Sauvage，K.Lu.Grain boundary stability governs hardening and softening in extremely fine nanograined metals[J].Science，2017，355 （2）：1292-1296.

[6]Langli Luo，Mao Su，Pengfei Yan，et al.Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation[J].Nature Materials，2018，（17）：514-518.

[7]Yuzhang Li，Yanbin Li，Allen Pei，et al.Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo–electron microscopy[J].Science，358（6362）：506-510.

[8]Qing Huan，Ying Jiang，et al.Spatial imaging of individual vibronic states in the interior of single molecules[J].The Journal of Chemical Physics，2011，（135）：014705-014509.

[9]Ying Jiang，Qing Huan，Laura Fabris，Bazan，et al.Submolecular control，spectroscopy and imaging of bond-selective chemistry in single functionalized molecules[J].Nature Chemistry，2013，（5）：36-41.