《材料科學與工程基礎》課程案例式教學探索

陳曉宇

(金陵科技學院，江蘇 南京 211169)

《材料科學與工程基礎》是研究材料的組成、結構、制備工藝、性能及應用之間相互關聯的專業基礎課程，是相關材料類專業課程的基礎。它起著公共基礎課與專業課程之間的紐帶作用，在材料類本科專業的教學中占有重要的地用。本課程的學習內容既包含晶體結構、位錯理論、相變、擴散理論等理論性較強的內容，又包含材料加工等與工程實踐相關的內容。

1 課程教學現狀

《材料科學與工程基礎》的傳統課堂教學主要采用教師講授，多媒體輔助教學的方式進行。地方應用型院校的部分學生學習主動性不足，對抽象教學內容如材料的微觀結構等感到枯燥，沒有興趣，課程知識吸收率低；對于概念性極強、內容繁雜的知識點理解不到位，找不到知識點的聯系，死記硬背，應付考試；另外對理論知識的實際應用不清楚，缺乏分析問題解決問題的能力。

地方應用型本科院校服務于地方經濟社會發展和地方行業人才需求，培養具有較強行業背景知識、工程實踐能力、勝任行業發展需求的應用型人才[1]。《材料科學與工程基礎》課程理論性強，傳統課堂教學難以滿足地方應用型本科院校的培養要求。

教師在教學設計、講授生動性、問答互動等方面的努力，改善了學生學習的積極性，但在學生的參與度、學生綜合分析能力的培養仍然存在較大的不足。為了進一步提高教學效果，提高學生學習興趣，培養其綜合分析能力、解決問題的能力，有必要進行教學方法的探索。

2 案例教學方式

案例教學最早在美國哈佛商學院教學中進行應用，目前，已在各類教育教學得到廣泛應用[2]。案例教學法是指在教學過程中，根據教學目的與教學內容的需要，通過設置具體案例，引導學生參與分析、討論與表達等活動，讓學生積極思考，主動探索，以培養學生認識問題、分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學方法。

在課程教學中，將重要的知識點學習融入到案例教學過程中，并在實施過程中加強訓練學生們的分析問題和解決問題的能力，有利于培養富有實踐能力和行業需要的材料專業類人才[3]。《材料科學與工程基礎》課程案例教學實施過程中，具體案例教學類型可分為以下三種：①激發興趣，主動思考；②以點帶面，關聯知識；③結合應用，分析問題。

2.1 激發興趣，主動思考

課程理論知識多，學生容易感到枯燥乏味，難以掌握，單憑教師講解很難調動學生的積極性。材料廣泛地應用在人們的生活中，如果通過身邊的實際案例來講解和討論，可引起學生濃厚的興趣，吸引他們主動思考，有助于他們對基本原理和理論的理解。如案例一：古代銀子作為交易貨幣時，為了判斷銀子的成色，有的人會用牙齒咬銀子，觀察銀子上的齒痕來判斷銀子的硬度，以判斷銀子是否純。引導學生思考：銀有少量外來雜質元素會形成什么結構？硬度會發生什么變化？變化的原因？這種變化有什么應用？金屬硬度如何用儀器檢測？這個案例幫助學生理解和掌握固溶體概念和固溶強化理論，以及固溶強化理論在金屬強化中的應用，同時掌握位錯，滑移，硬度，硬度等概念。

引入新的科學進展案例也可增大課程的趣味性，提高課程教學效果。如案例二：石墨烯是世界上最薄的新材料，石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性。工廠生產石墨烯通常采用的機械剝離法。案例引導學生思考：為什么可以用機械剝離法生產石墨烯？剝離法生產的石墨烯是什么結構？與石墨結構有什么區別和聯系？

2.2 以點帶面，關聯知識

《材料科學與工程基礎》課程的知識點較多，可通過案例把一些相互關聯的知識點串聯起來，便于學生理解和掌握。如案例三：微測輻射熱計的原理是：敏感薄膜通過吸收入射輻射，導致其溫度發生很小的變化，進而導致其電阻發生變化，匹配電路后由相關設備數字化出這種變化[4]。二氧化釩(VO2)的相變溫度在 68 ℃附近，二氧化釩是否能用作微測輻射熱計的材料？引導學生分析二氧化釩的相變過程：二氧化釩發生相變過程中，從高溫的四方晶系轉變到低溫的單斜晶系，相應的發生從金屬態到半導體態的相變，晶體結構變化相應地引起能帶結構的改變，二氧化釩的電阻率發生了急劇變化[5]。通過案例串聯起晶體結構、晶系、相變、能帶、費米能級、帶隙、電阻率等概念。案例四：塑料構件如電動自行車塑料配件易受到沖擊破壞而破損。為了抵抗沖擊破壞，塑料需增韌。引導學生分析：塑料增韌有哪些方法？通過案例關聯聚合物共混的概念和方法，橡膠顆粒增韌塑料的原理，玻纖增韌塑料的原理和方法，沖擊強度的概念，沖擊強度的檢測方法等。

2.3 結合應用，分析問題

案例教學可以提高學生綜合分析解決問題的能力。傳統教學方式是以教師和教材為中心，只關注向學生灌輸知識，導致學生分析解決問題的能力不足。而案例教學讓學生將自己看作一個技術研發人員，主動對案例進行分析、判斷和歸納總結，鍛煉了其分析和解決實際問題的能力。

如案例五：某工廠倉庫積壓了許多碳鋼，由于鋼材混雜，不知道鋼的化學成分，現找出其中一根，經金相分析后，發現其組織為珠光體+鐵素體，其中珠光體占60% ，問此鋼材的含碳量大約是多少？這個案例結合實際工程應用，要求學生掌握相、相圖、珠光體、鐵素體、杠桿定律等相關概念，引導學生使用杠桿定律分析計算。

案例六：用三輥壓光機加工聚苯乙烯做板材，板材經過冷卻水冷卻。但發現做出的板材橫向彎曲沒有問題，縱向彎曲總是開裂。引導學生分析問題：加工過程中，聚苯乙烯板的結構有什么特點？橫向和縱向的性能區別是否是各向異性？高分子材料的各向異性是什么原因導致？引導學生分析加工過程中聚苯乙烯分子鏈的取向，分析取向導致的產品不同方向物理性能差異。另外引導學生解決問題。消除取向要分子鏈運動起來，如何達到這一目的？需要板材放在一個溫度高于材料玻璃化轉變溫度的烘箱進行烘烤，或者擠出的板材在常溫下進行冷卻，給分子鏈一個舒展的時間，分子取向得到緩解。

案例七：銅礦泡沫浮選法選礦。銅礦石磨礦后的礦漿加入各種浮選藥劑并攪拌調和，使浮選藥劑與銅礦物顆粒作用。調好的礦漿送入浮選槽，被攪拌充氣產生氣泡。礦漿中的銅礦物顆粒與氣泡接觸、碰撞，銅礦粒選擇性地粘附于氣泡并被攜帶上升成為氣-液-固三相組成的礦化泡沫層，經機械刮取或從礦漿面溢出，再脫水、干燥成銅精礦產品。不能粘附氣泡浮起的脈石等礦物顆粒，隨礦漿從浮選槽底部作為尾礦產品排出。引導學生分析問題：氣泡是如何產生的？藥劑在氣泡產生中起到什么作用？銅礦粒經藥劑處理后為什么能粘附于氣泡？脈石等礦物顆粒不能粘附于氣泡浮起說明脈石等表面是親水性還是疏水性？潤濕的概念？

3 結 語

案例教學在《材料科學與工程基礎》課程教學中的實施，能夠充分調動學生學習的積極性，對提高學生分析問題和解決問題的能力具有積極作用。但案例教學法對教師提出了較高的要求，既要求教師具有深入的理論知識，還應具備較豐富的工程實際經驗。教師平時要注意案例的積累，在對材料科學理論深入理解的前提下，不斷地從實際生產或生活中提煉加工出適宜教學的案例，認真選擇加工，反復推敲，以使每個案例都具有很強的針對性，用得恰到好處。