案例教学法在“材料化学”课程教学中的应用与实践

梁 萍，陈 岩，张 弛，何 鑫

（五邑大学应用物理与材料学院 广东 江门 529050）

材料化学是材料科学与工程专业的核心课程之一，该课程兼具理论性和实践性，是前期专业基础理论课程，也是后续专业模块与专业实践课程的重要桥梁。通过对该课程的学习，学生对专业基础理论知识的理解不断加深，为后续的专业模块和实践课程的学习打下扎实的基础。传统的材料化学课程讲授通常是填鸭式地灌输课本知识，无法调动学生参与课堂的积极性，也不能充分激发学生的思维。因此，有必要引入新型教学方式，使学生在材料化学课程中完成知识、能力与素养的培养。

案例教学法作为一种独特的授课方式，通过教师引导学生对典型案例进行分析讨论，帮助学生运用所学理论知识去解决特定问题，改善学生死记硬背理论知识，而缺乏深入理解和分析能力的问题。19 世纪末，哈佛法学院率先使用案例教学法，在这之后，案例教学在法、医、商、教育、公共管理等领域产生广泛影响，掀起了案例教学法的研究浪潮[1-2]。该教学法通过向学习者提供优质的案例资料，为其提供研究资料的学习环境，通过对资料的分析与归纳，最终解决提出的问题并得出有效结论[3]。材料化学是一门注重理论与实践相结合的跨学科课程，在该课程的教学中引入案例教学，有利于增强学生对知识的理解，提高学生的学习兴趣和激发学生的思维。文章将选取碳材料作为案例，讨论案例教学法在材料化学课程中的实践。

1 教学目标

本课程的学习目标包括知识、能力与素养三方面：知识上，使学生理解并掌握石墨、金刚石、碳纳米管在结构和性质上各自的特点；能力上，使学生具备采用碳材料的结构和性质去分析其应用的能力；素养上，培养学生热爱科学的品质和民族自豪感，并增强学生的团队协作能力。

2 案例资料

本课程的主要内容是碳材料里的石墨、金刚石、碳纳米管，教师在课前准备工作中，针对这三种材料收集相关的案例资料，以文字、图片、视频等方式呈现。

2.1 石墨

材料1：1662 年，德国人F·卡斯特采用硫磺、锑等作为粘结剂与石墨加热混合制造铅芯。法国N · J ·康德首次采用水洗石墨的办法提高石墨的纯度，并用粘土将石墨粘结制成笔芯，为铅笔工业奠定了基础。

材料2：石墨电极是指以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂，经过原料煅烧、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化和机械加工而制成的一种耐高温石墨质导电材料。

材料3：2004 年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。他们共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。

2.2 金刚石

材料1：戴比尔斯千禧之星也是一颗难得一见的巨钻，它是一颗重达203.04cts 的梨型白钻，同时也是在成色与净度上达到D 级最大的一颗。原重777cts 的原石1990 年在刚果共和国的Mbuji-Mayi 地区被发现后，Steinmetz 集团耗时3 年通过镭射技术切割出3 颗钻石，其中重量最重的即为千禧之星，并于1999 年的10 月在英国格林威治为庆祝千禧年到来而首次露脸。

材料2：海洋之心，蓝色钻石。电影《泰坦尼克号》的故事情节中，“海洋之心”项链是采用坦桑石来进行客串演绎的，坦桑石呈现出了海洋般的深邃与美丽，是名副其实的“海洋之心”。

2.3 碳纳米管

材料1：碳纳米管被誉为“二十世纪最神奇的纳米材料”之一。碳纳米管是由六边形排列的碳原子构成数十层的同轴圆管结构，总直径约20 纳米，层与层的固定距离约为0.34 纳米。碳纳米管的密度只有钢铁的六分之一，强度却是钢铁的100 倍，因此，不少科学家认为碳纳米管是打开太空“自由行”的关键材料，如建造电影《流浪地球》中的太空天梯。

材料2：国产科幻剧《三体》中，有一种名为“纳米飞刃”的纳米材料。在“古筝行动”中，一根蚕丝细的纳米飞刃却成为世界上最锋利的刀。这种无比坚韧的纳米材料可应用于太空电梯的制造，使人类得以大规模进入太空，组建起了庞大的太空舰队，正面迎战三体文明的先遣探测器（在该材料中可附剧中关于纳米飞刃的部分视频片段）。

3 课堂设计

（1）教师提出一次课程的学习内容、学习任务与学习目标。

（2）教师引入案例，并通过多媒体以文字、图片、视频等方式展示案例。通过该过程，一方面通过有趣的、和自己生活密切相关的案例激发学生学习本节课程内容的兴趣，另一方面在讲解案例的过程中，教师对案例中与课程内容相关度比较大的信息进行重点描述，初步引导学生对其进行思考。

（3）教师依据案例信息，提出以下问题：①根据石墨部分材料1 和材料2 的信息，思考在铅笔和石墨电极中应用到了哪些石墨的性质，并结合石墨的结构特点分析石墨具有该性质的本质原因。②根据石墨部分材料3 和材料4，从结构方面描述石墨和石墨烯的相同点与区别。③根据金刚石部分材料1 和材料2，从宝石的特点与加工方法方面思考金刚石的性质，并从结构分析具备该性质的原因。④根据碳纳米管部分材料1 和材料2，分析天梯和纳米飞刃利用了碳纳米管的哪些性质，并思考该类应用目前的技术瓶颈。

（4）教师组织学生分组，3—4 人一组，学生结合课本内容及网络资源，对以上问题进行分组讨论，并通过学习通由组长提交讨论结果。

（5）教师实时监测学生提交的结果，并对其进行梳理汇总，整理其中存在的问题。

（6）讨论结束后，教师结合本节课程内容，带领学生分析以上四个问题的答案，并针对学生讨论结果中存在的问题进行重点解读。在该阶段，教师要紧扣教学目标，从知识、能力和素养方面对学生进行培养。在知识方面，重点讲授基础知识，包括三种材料的结构以及性质，并基于结构分析材料的性质；在能力方面，基于材料中的应用场景，如铅笔的使用条件、钻石的光泽、太空天梯与纳米飞刃的力学要求等，引导学生结合材料的结构，分析以上应用中对材料的性能需求，培养学生的分析能力与解决问题的能力；在核心素养方面，以《三体》为媒介，讲述中国科幻题材书籍、电影及电视剧的蓬勃发展，培养学生的文化自信和民族自豪感，并在纳米飞刃部分讲述中国清华大学某团队在碳纳米管量产中的研究成果，培养学生热爱科学的品质。

（7）通过课堂测试的方式对本次课程的案例教学方式进行教学效果评价。测试如下：①从轨道杂化角度，分别说明石墨、金刚石、碳纳米管存在的杂化形式。②石墨和金刚石存在的结构类型有哪些？不同结构类型在性质上的区别是什么？③描述碳纳米管与石墨烯的结构相关性，并从结构和性质上分析两者的区别。

（8）教师通过学习通实时监测学生的答题情况，再次对学生在回答过程中遇到的问题进行重点强调和解析。

4 教学成果评价

教师结合教学过程中学生的课堂参与积极性、讨论分析结果、测试题的作答情况以及调查问卷，综合评估本次课程案例教学设计实施的成效。

在实际教学实施中发现，采用案例教学法时学生学习的积极性得到了极大的提高，有趣的案例材料在吸引学生注意力方面起到了很大的作用，如铅笔是学生日常学习经常用到的工具，尤其是一些重要考试中学生涂答题卡用到的2B 铅笔，在该案例中学生不仅思考铅笔可以用来写字的原因，也引发了对不同型号铅笔的思考；在金刚石的案例中，熠熠发光的漂亮宝石受到大家的喜爱和关注，在讨论过程中也涉及对宝石光学性质的探讨以及宝石呈现不同颜色的结构基础；在碳纳米管的案例资料部分，近期SpaceX 新发射了可回收火箭，而《流浪地球》是中国今年新上映的优质科幻电影，大部分同学均观看过，因此针对“太空天梯”方面的讨论非常感兴趣，并能从力学性质、成本、产量等角度综合分析天梯的材料需求及可行性，另外《三体》是近期热播的科幻电视剧，其小说在大学生群体中也有很好的群众基础，在对纳米飞刃的材料选择中学生也进行了积极的讨论。

在讨论过程中，学生结合案例资料，通过查阅课本及各种网络资源对案例中的材料进行分析。结果发现，学生课堂参与度高，分析能切中案例所反应的本质，能多角度有深度地对相关问题进行分析，并用规范且有逻辑的语言表达讨论结果。另外，基于学习通的分组任务功能，教师可实时看到学生提交的讨论结果并有针对性地提出问题，引导学生对讨论结果进行再次编辑和优化，如在课堂实施中某一组同学在讨论金刚石相关问题时，未涉及光学性质方面的描述，此时对教师可从钻石的特点入手，引导学生增加对金刚石光学方面的讨论。值得注意的是，在讨论过程中团队成员合理分工，相互协作，出色地完成了学习任务。在该过程中，学生的团队协作能力得到了有效的培养。

因前期的案例分析与讨论，学生对相关知识有了深入的理解，在课堂测试中，回答问题的正确率得到有效的提升。

课后调查问卷主要从以上角度评价教学效果。相关问题主要包含以下几方面：①该课程中所呈现出的案例是否清晰聚焦相关的课程目标和教学内容？②采用的案例是否与时俱进，真实客观以及与学生身边的生活和学习相关？③案例是否具有趣味性，能否引起学生阅读和讨论的兴趣？④案例教学法是否有利于学生全方位的成长，增强对知识的理解与掌握，提高对问题的分析与解决能力，及核心素养（如文化自信、团队协作等）的培养？

5 总结

在工科课程中，无趣性以及晦涩难懂是学生在学习中面临的主要问题。采用案例教学，将课堂的主动权交于学生，教师在课堂中主要起辅助、引导和把控节奏的作用。在这种教学模式下，以学习任务为驱动力，以丰富的案例资料为媒介，积极调动学生的参与热情，发挥学生的主观能动性，从知识、能力、素养等方面全方位地培养学生。本文对工科课程案例教学法的推广具有一定的启发作用。在后续教学中，课程组应致力于丰富、优化和实时更新案例库，使其兼具实时性、趣味性、全息性和一定的张力[4]，提高教学质量。