專業(yè)課案例教學(xué)法應(yīng)用——以“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程為例

沈宗洋，李 愷，李潤(rùn)潤(rùn)，白明敏，田傳進(jìn)

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

一、引言

案例教學(xué)是教師根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)精選案例的方式向?qū)W生呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對(duì)案例進(jìn)行積極主動(dòng)的分析或討論，達(dá)到理解、掌握并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的目的。案例教學(xué)法是教師主導(dǎo)的以學(xué)生為主體的一種課堂教學(xué)模式，著重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的綜合能力[1-3]。實(shí)際上，案例教學(xué)可追溯到我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，許多經(jīng)典作品如《韓非子》《戰(zhàn)國(guó)策》《左傳》及各類成語(yǔ)等大量采用故事的形式來(lái)闡明事理，已經(jīng)具備了案例教學(xué)的特點(diǎn)，有些內(nèi)容目前仍被廣泛地運(yùn)用到各類教育教學(xué)當(dāng)中。近現(xiàn)代的案例教學(xué)法是由哈佛大學(xué)法學(xué)院的前院長(zhǎng)C.C.Langdell于1870年左右提出的，并在推廣應(yīng)用過(guò)程中充分展示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。與滿堂灌式的教學(xué)不同，案例教學(xué)變枯燥為生動(dòng)，不是直接告訴學(xué)生該怎么辦，而是通過(guò)案例的呈現(xiàn)讓學(xué)生自己去思考、去討論、去分析，從而提升思考、溝通和分析能力。二是能夠有力地推動(dòng)從純理論學(xué)習(xí)向理論與實(shí)踐相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。好的案例一定是來(lái)源于實(shí)踐，因此案例教學(xué)更能突出理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，培養(yǎng)的學(xué)生能夠更好地適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展需求。三是能夠很好地促進(jìn)師生雙向交流共同提高。案例教學(xué)過(guò)程中的交流討論可以促進(jìn)學(xué)生與老師之間的互動(dòng)、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)，這不僅可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，也會(huì)促使教師加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的分析思考，具有很好的雙向促進(jìn)作用[4]。

二、“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程概況

按普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程被列入材料類專業(yè)知識(shí)體系和核心課程體系建議中的重要課程之一[5]。目前，“無(wú)機(jī)材料物理性能”是我國(guó)高校陶瓷、玻璃、耐火材料、建筑材料等無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)方向的一門(mén)主干專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。該課程的主要內(nèi)容涉及到無(wú)機(jī)非金屬材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電導(dǎo)、介電、磁學(xué)等性能。這些性能基本上都是各個(gè)領(lǐng)域在研制和應(yīng)用無(wú)機(jī)非金屬材料中對(duì)它們提出的一系列技術(shù)要求，即所謂材料的本征參數(shù)。因此，該課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握各類本征參數(shù)的物理意義及其在實(shí)際問(wèn)題中所處的地位，并搞懂這些性能參數(shù)的來(lái)龍去脈，即性能的基本原理及微觀機(jī)制、性能與材料的組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系、性能之間的相互制約與變化規(guī)律等，最終為判斷材料優(yōu)劣，正確選材用材，改造材料性能，探索新材料、新工藝打下良好的理論基礎(chǔ)[6]。

三、“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程案例教學(xué)實(shí)施方法

“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程具有知識(shí)涵蓋面廣，理論公式多，物理機(jī)制抽象等特點(diǎn)，造成該課程內(nèi)容相對(duì)而言比較枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性不高，從而大大增加了該課程的教學(xué)難度。針對(duì)“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程內(nèi)容的這些特點(diǎn)，案例教學(xué)法恰好能夠彌補(bǔ)其在傳統(tǒng)教學(xué)方式中的不足，真正讓枯燥抽象的知識(shí)變得鮮活具體，滿足學(xué)生的求知欲和好奇心。本文將從結(jié)合課程思政、融入最新科研成果和體現(xiàn)學(xué)科交叉三個(gè)方面描述“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程的案例精選及其在教學(xué)過(guò)程中的具體實(shí)施方法[7-9]。

（一）案例教學(xué)結(jié)合課程思政

“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程中很多物理性能理論與模型、參數(shù)與單位都是采用著名的外國(guó)科學(xué)家名字命名的，如力學(xué)中的Griffith微裂紋理論和Vickers硬度，熱學(xué)中的Dulong-Petit定律和Debye比熱模型，電導(dǎo)中的Ohm定理、Hall效應(yīng)和Fermi能級(jí)，介電中的Clausius-Mossotti方程和Debye弛豫方程，磁學(xué)中的Curie常數(shù)等等。這里面有歷史原因，我們不能否認(rèn)這些外國(guó)科學(xué)家在無(wú)機(jī)材料物理性能基礎(chǔ)理論研究方面的成就，畢竟科學(xué)無(wú)國(guó)界，但這些高度頻繁出現(xiàn)的外國(guó)名字從本質(zhì)上很不利于對(duì)學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)，尤其對(duì)學(xué)生科技自信的建立存在潛在的深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。因此，已經(jīng)有專家提出：專業(yè)課程教學(xué)是落實(shí)“大思政”教育的重要陣地，專業(yè)課程思想政治教育是最為核心、最為關(guān)鍵和最難解決的部分，對(duì)專業(yè)課程進(jìn)行課程思政改革是新形式下落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的必然趨勢(shì)和要求，是實(shí)現(xiàn)思想政治教育工作貫穿育人全過(guò)程的重要途徑[10]。

筆者在“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程的具體教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，主要以“從中國(guó)古代的文化寶庫(kù)中去找尋與材料物理性能相關(guān)的認(rèn)識(shí)”和“尋找自己心目中的我國(guó)偉大材料科學(xué)家”兩個(gè)案例融入課程思政。首先，按每3-5名學(xué)生成立一個(gè)小組，確定所選案例，提交各小組成員在所選案例材料搜集整理過(guò)程中承擔(dān)的具體任務(wù)。然后，各小組開(kāi)展文獻(xiàn)調(diào)研、資料搜集整理、PPT制作等，確定最終匯報(bào)人員。最后，各小組根據(jù)所選案例進(jìn)行匯報(bào)，與大家討論并交流自己的見(jiàn)解。在整個(gè)案例教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生匯報(bào)的代表性題目有：觀象制器——材料中的力學(xué)知識(shí)、亙古之光——關(guān)于“光”物理性能典籍記載、力學(xué)大師——馬鈞、中國(guó)雷達(dá)之父——束星北、追光人——蔣筑英等。通過(guò)這種結(jié)合課程思政形式的案例教學(xué)，讓學(xué)生主動(dòng)參與、主動(dòng)思考、主動(dòng)融入，用心感受中國(guó)古代文化瑰寶的博大精深，感受我國(guó)杰出材料科學(xué)家們內(nèi)心的精神世界，并與無(wú)機(jī)材料物理性能的課程學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，不僅充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還培養(yǎng)了學(xué)生的文化自信、科技自信，讓學(xué)生在專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中樹(shù)正德、立志向?！盁o(wú)機(jī)材料物理性能”榮獲我校課程思政示范課程。

（二）案例教學(xué)融入最新科研成果

教學(xué)與科研是相輔相成、互相促進(jìn)的。我國(guó)偉大的科學(xué)家，教育家，力學(xué)奠基者之一錢(qián)偉長(zhǎng)先生曾說(shuō)過(guò)：“你不教課，就不是老師；你不搞科研，就不是好老師。大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻，教學(xué)沒(méi)有科研做底蘊(yùn)，就是一種沒(méi)有觀點(diǎn)的教育，沒(méi)有靈魂的教育?！边M(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，無(wú)機(jī)材料研究日新月異，與其息息相關(guān)的物理性能研究不斷涌現(xiàn)出新方法、新技術(shù)和新理論。因此，非常有必要將與無(wú)機(jī)材料物理性能相關(guān)的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的高水平科研成果作為案例轉(zhuǎn)化到教學(xué)實(shí)踐中，這樣不僅會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有助于引導(dǎo)學(xué)生自主分析和解決實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題。

筆者在開(kāi)展“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程的教學(xué)過(guò)程中，將承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“鉍層狀高溫壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能增強(qiáng)及漏導(dǎo)機(jī)制研究（項(xiàng)目號(hào)：61671224）”的最新科研成果轉(zhuǎn)化為講述離子電導(dǎo)理論的教學(xué)案例，把雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系形象生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，有效地提升了教學(xué)效果。如教材所述，電導(dǎo)率公式如式（1）所示，寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式如式（2）所示。

其中，σ為電導(dǎo)率，T為絕對(duì)溫度，W為活化能。從式（2）看出，以lnσ和T-1為坐標(biāo)可繪得一直線，從直線斜率可求出活化能W。以此理論為基礎(chǔ)，筆者引入鉍層狀高溫壓電陶瓷研究最新科研成果，詳細(xì)講述陶瓷電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的獲得及其數(shù)據(jù)處理，分析電導(dǎo)與溫度的關(guān)系（如圖1所示）[11]，并對(duì)鉍層狀高溫壓電陶瓷中如何通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低高溫電導(dǎo)率進(jìn)行知識(shí)拓展，促進(jìn)學(xué)生對(duì)離子電導(dǎo)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生通過(guò)實(shí)實(shí)在在的研究項(xiàng)目、研究方法和研究成果加深對(duì)課本理論概念的理解。

圖1 鉍層狀高溫壓電陶瓷的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系圖[11]

（三）案例教學(xué)體現(xiàn)學(xué)科交叉

學(xué)科是系統(tǒng)集成化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，交叉學(xué)科是通過(guò)集合多學(xué)科或多領(lǐng)域知識(shí)來(lái)共同解決一個(gè)問(wèn)題，并據(jù)此構(gòu)建新的研究視角和框架。我校材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科是江西省“十三五”一流學(xué)科，覆蓋的無(wú)機(jī)非金屬材料工程、材料化學(xué)兩個(gè)專業(yè)是國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。材料科學(xué)與工程是研究材料合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效果四者關(guān)系的學(xué)科，“無(wú)機(jī)材料物理性能”作為專業(yè)核心課程，以無(wú)機(jī)材料為研究對(duì)象，在課程內(nèi)容上雖然按照力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電導(dǎo)、介電、磁學(xué)等性能進(jìn)行章節(jié)劃分，但實(shí)際上有著很強(qiáng)的材料學(xué)科、化學(xué)學(xué)科、物理學(xué)科等學(xué)科之間的交叉特性，材料的性能研究不是孤立的，而是和材料的組成、結(jié)構(gòu)、合成制備等密切相關(guān)的，并決定了其使用效果。在傳統(tǒng)的授課過(guò)程中，教師往往是針對(duì)某個(gè)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行講解，難以做到多學(xué)科知識(shí)的融通，不利于工科學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)。筆者在“無(wú)機(jī)材料物理性能”授課過(guò)程中，根據(jù)授課內(nèi)容合理地設(shè)計(jì)案例，體現(xiàn)學(xué)科交叉融合，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能。如在無(wú)機(jī)材料的介電性能章節(jié)中，教材給出了正壓電效應(yīng)的基本原理：電荷與應(yīng)力成正比，用介質(zhì)電位移D和應(yīng)力T表達(dá)如式（3）所示，其中d是反映電學(xué)量D和力學(xué)量T比例關(guān)系的物理量，稱為壓電常數(shù)。

筆者就此引入壓電陶瓷案例，先從壓電效應(yīng)本身涉及到的力學(xué)和電學(xué)兩個(gè)學(xué)科的交叉特性去講解其基本原理，然后從晶體結(jié)構(gòu)方面講述材料要獲得壓電效應(yīng)的基本條件 （涉及結(jié)晶化學(xué)學(xué)科方向），再以最典型的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷為例講述其壓電性能和組成（Zr:Ti比值）、微觀結(jié)構(gòu)（晶粒大小和分布）、摻雜改性（施主摻雜或受主摻雜，涉及到缺陷化學(xué)學(xué)科方向）等之間的關(guān)系，最后總結(jié)各學(xué)科交叉融合在壓電陶瓷組成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能改善和提升使用效能方面的作用，促進(jìn)學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握壓電效應(yīng)相關(guān)理論知識(shí)[12]。另外，針對(duì)該案例教學(xué)布置相關(guān)的課后作業(yè)，讓學(xué)生去進(jìn)行壓電陶瓷改性研究相關(guān)的調(diào)研，并就以下三個(gè)方面提交調(diào)研材料供老師批閱打分：①所調(diào)研材料體系的組成和結(jié)構(gòu)；②文獻(xiàn)所采用的改性研究方法，提高的性能指標(biāo)及相關(guān)機(jī)制；③總結(jié)調(diào)研體系的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，就文獻(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)提出自己的見(jiàn)解。

四、“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程案例教學(xué)的作用

（一）有利于提升學(xué)生的思想境界

結(jié)合課程思政的案例教學(xué)能在潛移默化中讓學(xué)生感受到家國(guó)情懷，提升思想境界，尤其是在討論環(huán)節(jié)，學(xué)生積極發(fā)表見(jiàn)解，從中能感受到他們對(duì)當(dāng)今時(shí)代、對(duì)自身發(fā)展、對(duì)如何實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的思考。如2018級(jí)材料化學(xué)專業(yè)“中國(guó)古代熱學(xué)知識(shí)”調(diào)研團(tuán)隊(duì)通過(guò)查閱資料，講到東漢著名唯物主義哲學(xué)家王充在《論衡·寒溫》中認(rèn)為“夫近水則寒，近火則溫。何則？氣之所加，遠(yuǎn)近之差也?！眳R報(bào)人羅金海同學(xué)就此發(fā)表自己的見(jiàn)解：熱傳導(dǎo)的概念是當(dāng)固體材料一端溫度比另一端高時(shí)，熱量會(huì)從熱端自動(dòng)地傳向冷端，而王充早在近2000年前就提出了該觀點(diǎn)，實(shí)在太了不起了，為我們古人的智慧感到驕傲和自豪。2018級(jí)材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生閆立松在分享“追光人”蔣筑英的故事之后感嘆：他為人正直，工作勤勤懇懇，把對(duì)祖國(guó)、對(duì)黨的愛(ài)都融入到自己的工作中，積勞成疾，最終因工作太忙耽誤了病情，獻(xiàn)出了年輕的生命。我們作為當(dāng)代的年輕一輩，應(yīng)該學(xué)習(xí)并發(fā)揚(yáng)他那種攻堅(jiān)克難的科學(xué)精神，展現(xiàn)當(dāng)代大學(xué)生的精神風(fēng)貌，為我國(guó)的材料事業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

將最新的科研成果轉(zhuǎn)化為典型教學(xué)案例不僅能夠提升教學(xué)質(zhì)量，還能將科學(xué)研究過(guò)程中的創(chuàng)新思維方法傳授給學(xué)生，進(jìn)而開(kāi)發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。在傳統(tǒng)的灌輸式課程教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生很難有理論與實(shí)踐相結(jié)合的有效獲得途徑。筆者將科研成果中與課程相關(guān)的內(nèi)容凝練成教學(xué)案例作為教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)術(shù)性和前沿性，并采用啟發(fā)式、探究式教學(xué)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌輸式教學(xué)模式，讓學(xué)生成為知識(shí)的探索者，從而極大程度地提升學(xué)生的科研興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。2018級(jí)無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)學(xué)生高鳳婷表示：老師將雜質(zhì)離子電導(dǎo)理論結(jié)合鉍層狀高溫壓電陶瓷研究實(shí)例，詳細(xì)講述了如何利用缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低高溫電導(dǎo)率，這種授課方式讓我覺(jué)得非常有意思，一下子感覺(jué)學(xué)的理論知識(shí)很有用，課后我在中國(guó)知網(wǎng)上查閱了一些與之相關(guān)的文獻(xiàn)資料，遇到不懂的地方向老師請(qǐng)教，和同學(xué)討論，逐漸對(duì)高溫壓電陶瓷研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。

（三）有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面

現(xiàn)代科技發(fā)展越來(lái)越清晰地表明：學(xué)科間的交叉融合是推動(dòng)科技創(chuàng)新發(fā)展、催生重大原創(chuàng)性成果的主要驅(qū)動(dòng)力。更重要的是，學(xué)科之間的相互滲透、交叉融合已經(jīng)成為當(dāng)今學(xué)科發(fā)展的主要趨勢(shì)，在教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展學(xué)科交叉是當(dāng)代大學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中備受關(guān)注的一個(gè)重要方向。筆者在“無(wú)機(jī)材料物理性能”課程教學(xué)過(guò)程中通過(guò)精選壓電陶瓷案例，把案例中涉及到的研究及應(yīng)用中的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行歸納，在講解的時(shí)候，從基本原理到組成結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再到性能提升等方面對(duì)案例進(jìn)行逐層剖析，由淺入深，層層遞進(jìn)，大大拓展了學(xué)生的知識(shí)面。課后讓學(xué)生去進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，讓學(xué)生了解所學(xué)知識(shí)在解決實(shí)際研究問(wèn)題中的運(yùn)用過(guò)程，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，為今后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2018級(jí)材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生曾梓欣表示：課本上的壓電效應(yīng)章節(jié)只有基礎(chǔ)理論，比較枯燥，而老師結(jié)合壓電陶瓷的具體例子進(jìn)行講述則比較生動(dòng)，讓我明白了陶瓷組成、工藝和性能是密切相關(guān)的，并且了解到壓電陶瓷的諸多應(yīng)用對(duì)其性能的不同要求，既讓我掌握了壓電效應(yīng)的基本原理，又拓寬了我的知識(shí)面。

五、結(jié)語(yǔ)

“無(wú)機(jī)材料物理性能”是一門(mén)理論性相對(duì)較強(qiáng)的課程，但又緊密聯(lián)系實(shí)際，案例教學(xué)法的運(yùn)用是把該課程理論與實(shí)踐進(jìn)行緊密結(jié)合的有效方法。本文分別從結(jié)合課程思政、融入最新科研成果和體現(xiàn)學(xué)科交叉三個(gè)方面描述了該課程的案例精選及其在教學(xué)過(guò)程中的具體實(shí)施方法。從學(xué)生的反饋表明，該課程案例教學(xué)法的實(shí)施在提升學(xué)生思想境界、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和拓寬學(xué)生知識(shí)面等三個(gè)方面取得了較好的效果，為實(shí)現(xiàn)我校無(wú)機(jī)非金屬材料工程和材料化學(xué)兩個(gè)國(guó)家一流建設(shè)專業(yè)的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了有力的支撐。