案例教學法在“材料化學”課程教學中的應用與實踐

梁 萍，陳 巖，張 弛，何 鑫

（五邑大學應用物理與材料學院 廣東 江門 529050）

材料化學是材料科學與工程專業的核心課程之一，該課程兼具理論性和實踐性，是前期專業基礎理論課程，也是后續專業模塊與專業實踐課程的重要橋梁。通過對該課程的學習，學生對專業基礎理論知識的理解不斷加深，為后續的專業模塊和實踐課程的學習打下扎實的基礎。傳統的材料化學課程講授通常是填鴨式地灌輸課本知識，無法調動學生參與課堂的積極性，也不能充分激發學生的思維。因此，有必要引入新型教學方式，使學生在材料化學課程中完成知識、能力與素養的培養。

案例教學法作為一種獨特的授課方式，通過教師引導學生對典型案例進行分析討論，幫助學生運用所學理論知識去解決特定問題，改善學生死記硬背理論知識，而缺乏深入理解和分析能力的問題。19 世紀末，哈佛法學院率先使用案例教學法，在這之后，案例教學在法、醫、商、教育、公共管理等領域產生廣泛影響，掀起了案例教學法的研究浪潮[1-2]。該教學法通過向學習者提供優質的案例資料，為其提供研究資料的學習環境，通過對資料的分析與歸納，最終解決提出的問題并得出有效結論[3]。材料化學是一門注重理論與實踐相結合的跨學科課程，在該課程的教學中引入案例教學，有利于增強學生對知識的理解，提高學生的學習興趣和激發學生的思維。文章將選取碳材料作為案例，討論案例教學法在材料化學課程中的實踐。

1 教學目標

本課程的學習目標包括知識、能力與素養三方面：知識上，使學生理解并掌握石墨、金剛石、碳納米管在結構和性質上各自的特點；能力上，使學生具備采用碳材料的結構和性質去分析其應用的能力；素養上，培養學生熱愛科學的品質和民族自豪感，并增強學生的團隊協作能力。

2 案例資料

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

2.1 石墨

材料1：1662 年，德國人F·卡斯特采用硫磺、銻等作為粘結劑與石墨加熱混合制造鉛芯。法國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制成筆芯，為鉛筆工業奠定了基礎。

材料2：石墨電極是指以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結劑，經過原料煅燒、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和機械加工而制成的一種耐高溫石墨質導電材料。

材料3：2004 年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·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成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎。

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203.04cts 的梨型白鉆，同時也是在成色與凈度上達到D 級最大的一顆。原重777cts 的原石1990 年在剛果共和國的Mbuji-Mayi 地區被發現后，Steinmetz 集團耗時3 年通過鐳射技術切割出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，藍色鉆石。電影《泰坦尼克號》的故事情節中，“海洋之心”項鏈是采用坦桑石來進行客串演繹的，坦桑石呈現出了海洋般的深邃與美麗，是名副其實的“海洋之心”。

2.3 碳納米管

材料1：碳納米管被譽為“二十世紀最神奇的納米材料”之一。碳納米管是由六邊形排列的碳原子構成數十層的同軸圓管結構，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，強度卻是鋼鐵的100 倍，因此，不少科學家認為碳納米管是打開太空“自由行”的關鍵材料，如建造電影《流浪地球》中的太空天梯。

材料2：國產科幻劇《三體》中，有一種名為“納米飛刃”的納米材料。在“古箏行動”中，一根蠶絲細的納米飛刃卻成為世界上最鋒利的刀。這種無比堅韌的納米材料可應用于太空電梯的制造，使人類得以大規模進入太空，組建起了龐大的太空艦隊，正面迎戰三體文明的先遣探測器（在該材料中可附劇中關于納米飛刃的部分視頻片段）。

3 課堂設計

（1）教師提出一次課程的學習內容、學習任務與學習目標。

（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的案例激發學生學習本節課程內容的興趣，另一方面在講解案例的過程中，教師對案例中與課程內容相關度比較大的信息進行重點描述，初步引導學生對其進行思考。

（3）教師依據案例信息，提出以下問題：①根據石墨部分材料1 和材料2 的信息，思考在鉛筆和石墨電極中應用到了哪些石墨的性質，并結合石墨的結構特點分析石墨具有該性質的本質原因。②根據石墨部分材料3 和材料4，從結構方面描述石墨和石墨烯的相同點與區別。③根據金剛石部分材料1 和材料2，從寶石的特點與加工方法方面思考金剛石的性質，并從結構分析具備該性質的原因。④根據碳納米管部分材料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，并思考該類應用目前的技術瓶頸。

（4）教師組織學生分組，3—4 人一組，學生結合課本內容及網絡資源，對以上問題進行分組討論，并通過學習通由組長提交討論結果。

（5）教師實時監測學生提交的結果，并對其進行梳理匯總，整理其中存在的問題。

（6）討論結束后，教師結合本節課程內容，帶領學生分析以上四個問題的答案，并針對學生討論結果中存在的問題進行重點解讀。在該階段，教師要緊扣教學目標，從知識、能力和素養方面對學生進行培養。在知識方面，重點講授基礎知識，包括三種材料的結構以及性質，并基于結構分析材料的性質；在能力方面，基于材料中的應用場景，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要求等，引導學生結合材料的結構，分析以上應用中對材料的性能需求，培養學生的分析能力與解決問題的能力；在核心素養方面，以《三體》為媒介，講述中國科幻題材書籍、電影及電視劇的蓬勃發展，培養學生的文化自信和民族自豪感，并在納米飛刃部分講述中國清華大學某團隊在碳納米管量產中的研究成果，培養學生熱愛科學的品質。

（7）通過課堂測試的方式對本次課程的案例教學方式進行教學效果評價。測試如下：①從軌道雜化角度，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構類型有哪些？不同結構類型在性質上的區別是什么？③描述碳納米管與石墨烯的結構相關性，并從結構和性質上分析兩者的區別。

（8）教師通過學習通實時監測學生的答題情況，再次對學生在回答過程中遇到的問題進行重點強調和解析。

4 教學成果評價

教師結合教學過程中學生的課堂參與積極性、討論分析結果、測試題的作答情況以及調查問卷，綜合評估本次課程案例教學設計實施的成效。

在實際教學實施中發現，采用案例教學法時學生學習的積極性得到了極大的提高，有趣的案例材料在吸引學生注意力方面起到了很大的作用，如鉛筆是學生日常學習經常用到的工具，尤其是一些重要考試中學生涂答題卡用到的2B 鉛筆，在該案例中學生不僅思考鉛筆可以用來寫字的原因，也引發了對不同型號鉛筆的思考；在金剛石的案例中，熠熠發光的漂亮寶石受到大家的喜愛和關注，在討論過程中也涉及對寶石光學性質的探討以及寶石呈現不同顏色的結構基礎；在碳納米管的案例資料部分，近期SpaceX 新發射了可回收火箭，而《流浪地球》是中國今年新上映的優質科幻電影，大部分同學均觀看過，因此針對“太空天梯”方面的討論非常感興趣，并能從力學性質、成本、產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，其小說在大學生群體中也有很好的群眾基礎，在對納米飛刃的材料選擇中學生也進行了積極的討論。

在討論過程中，學生結合案例資料，通過查閱課本及各種網絡資源對案例中的材料進行分析。結果發現，學生課堂參與度高，分析能切中案例所反應的本質，能多角度有深度地對相關問題進行分析，并用規范且有邏輯的語言表達討論結果。另外，基于學習通的分組任務功能，教師可實時看到學生提交的討論結果并有針對性地提出問題，引導學生對討論結果進行再次編輯和優化，如在課堂實施中某一組同學在討論金剛石相關問題時，未涉及光學性質方面的描述，此時對教師可從鉆石的特點入手，引導學生增加對金剛石光學方面的討論。值得注意的是，在討論過程中團隊成員合理分工，相互協作，出色地完成了學習任務。在該過程中，學生的團隊協作能力得到了有效的培養。

因前期的案例分析與討論，學生對相關知識有了深入的理解，在課堂測試中，回答問題的正確率得到有效的提升。

課后調查問卷主要從以上角度評價教學效果。相關問題主要包含以下幾方面：①該課程中所呈現出的案例是否清晰聚焦相關的課程目標和教學內容？②采用的案例是否與時俱進，真實客觀以及與學生身邊的生活和學習相關？③案例是否具有趣味性，能否引起學生閱讀和討論的興趣？④案例教學法是否有利于學生全方位的成長，增強對知識的理解與掌握，提高對問題的分析與解決能力，及核心素養（如文化自信、團隊協作等）的培養？

5 總結

在工科課程中，無趣性以及晦澀難懂是學生在學習中面臨的主要問題。采用案例教學，將課堂的主動權交于學生，教師在課堂中主要起輔助、引導和把控節奏的作用。在這種教學模式下，以學習任務為驅動力，以豐富的案例資料為媒介，積極調動學生的參與熱情，發揮學生的主觀能動性，從知識、能力、素養等方面全方位地培養學生。本文對工科課程案例教學法的推廣具有一定的啟發作用。在后續教學中，課程組應致力于豐富、優化和實時更新案例庫，使其兼具實時性、趣味性、全息性和一定的張力[4]，提高教學質量。