沈宗洋，李 愷，李潤潤，白明敏，田傳進

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

一、引言

案例教學是教師根據(jù)課程教學目標，通過精選案例的方式向?qū)W生呈現(xiàn)教學內(nèi)容，學生在教師的引導下對案例進行積極主動的分析或討論，達到理解、掌握并能夠運用所學知識的目的。案例教學法是教師主導的以學生為主體的一種課堂教學模式，著重培養(yǎng)學生分析、解決問題的綜合能力[1-3]。實際上，案例教學可追溯到我國春秋戰(zhàn)國時期，許多經(jīng)典作品如《韓非子》《戰(zhàn)國策》《左傳》及各類成語等大量采用故事的形式來闡明事理，已經(jīng)具備了案例教學的特點，有些內(nèi)容目前仍被廣泛地運用到各類教育教學當中。近現(xiàn)代的案例教學法是由哈佛大學法學院的前院長C.C.Langdell于1870年左右提出的，并在推廣應用過程中充分展示出其獨特的優(yōu)點：一是能夠有效地培養(yǎng)學生獨立思考的能力。與滿堂灌式的教學不同，案例教學變枯燥為生動，不是直接告訴學生該怎么辦，而是通過案例的呈現(xiàn)讓學生自己去思考、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從純理論學習向理論與實踐相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。好的案例一定是來源于實踐，因此案例教學更能突出理論與實踐的緊密結(jié)合，培養(yǎng)的學生能夠更好地適應未來社會發(fā)展需求。三是能夠很好地促進師生雙向交流共同提高。案例教學過程中的交流討論可以促進學生與老師之間的互動、學生與學生之間的互動，這不僅可以增強學生學習的主動性，也會促使教師加深對教學內(nèi)容的分析思考，具有很好的雙向促進作用[4]。

二、“無機材料物理性能”課程概況

按普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準，“無機材料物理性能”課程被列入材料類專業(yè)知識體系和核心課程體系建議中的重要課程之一[5]。目前，“無機材料物理性能”是我國高校陶瓷、玻璃、耐火材料、建筑材料等無機非金屬材料專業(yè)方向的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。該課程的主要內(nèi)容涉及到無機非金屬材料的力學、熱學、光學、電導、介電、磁學等性能。這些性能基本上都是各個領(lǐng)域在研制和應用無機非金屬材料中對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，該課程的教學目的是讓學生掌握各類本征參數(shù)的物理意義及其在實際問題中所處的地位，并搞懂這些性能參數(shù)的來龍去脈，即性能的基本原理及微觀機制、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、“無機材料物理性能”課程案例教學實施方法

“無機材料物理性能”課程具有知識涵蓋面廣，理論公式多，物理機制抽象等特點，造成該課程內(nèi)容相對而言比較枯燥，學生學習的積極性和主動性不高，從而大大增加了該課程的教學難度。針對“無機材料物理性能”課程內(nèi)容的這些特點，案例教學法恰好能夠彌補其在傳統(tǒng)教學方式中的不足，真正讓枯燥抽象的知識變得鮮活具體，滿足學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)學科交叉三個方面描述“無機材料物理性能”課程的案例精選及其在教學過程中的具體實施方法[7-9]。

（一）案例教學結(jié)合課程思政

“無機材料物理性能”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科學家名字命名的，如力學中的Griffith微裂紋理論和Vickers硬度，熱學中的Dulong-Petit定律和Debye比熱模型，電導中的Ohm定理、Hall效應和Fermi能級，介電中的Clausius-Mossotti方程和Debye弛豫方程，磁學中的Curie常數(shù)等等。這里面有歷史原因，我們不能否認這些外國科學家在無機材料物理性能基礎(chǔ)理論研究方面的成就，畢竟科學無國界，但這些高度頻繁出現(xiàn)的外國名字從本質(zhì)上很不利于對學生的價值引領(lǐng)，尤其對學生科技自信的建立存在潛在的深遠的負面影響。因此，已經(jīng)有專家提出：專業(yè)課程教學是落實“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，對專業(yè)課程進行課程思政改革是新形式下落實立德樹人根本任務的必然趨勢和要求，是實現(xiàn)思想政治教育工作貫穿育人全過程的重要途徑[10]。

筆者在“無機材料物理性能”課程的具體教學過程當中，主要以“從中國古代的文化寶庫中去找尋與材料物理性能相關(guān)的認識”和“尋找自己心目中的我國偉大材料科學家”兩個案例融入課程思政。首先，按每3-5名學生成立一個小組，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程中承擔的具體任務。然后，各小組開展文獻調(diào)研、資料搜集整理、PPT制作等，確定最終匯報人員。最后，各小組根據(jù)所選案例進行匯報，與大家討論并交流自己的見解。在整個案例教學過程中，學生匯報的代表性題目有：觀象制器——材料中的力學知識、亙古之光——關(guān)于“光”物理性能典籍記載、力學大師——馬鈞、中國雷達之父——束星北、追光人——蔣筑英等。通過這種結(jié)合課程思政形式的案例教學，讓學生主動參與、主動思考、主動融入，用心感受中國古代文化瑰寶的博大精深，感受我國杰出材料科學家們內(nèi)心的精神世界，并與無機材料物理性能的課程學習緊密結(jié)合，不僅充分激發(fā)了學生的學習積極性，還培養(yǎng)了學生的文化自信、科技自信，讓學生在專業(yè)知識的學習過程中樹正德、立志向?！盁o機材料物理性能”榮獲我校課程思政示范課程。

（二）案例教學融入最新科研成果

教學與科研是相輔相成、互相促進的。我國偉大的科學家，教育家，力學奠基者之一錢偉長先生曾說過：“你不教課，就不是老師；你不搞科研，就不是好老師。大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育。”進入二十一世紀以來，無機材料研究日新月異，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，非常有必要將與無機材料物理性能相關(guān)的具有實際應用價值的高水平科研成果作為案例轉(zhuǎn)化到教學實踐中，這樣不僅會激發(fā)學生的學習興趣，還有助于引導學生自主分析和解決實際工程應用問題。

筆者在開展“無機材料物理性能”課程的教學過程中，將承擔的國家自然科學基金面上項目“鉍層狀高溫壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能增強及漏導機制研究（項目號：61671224）”的最新科研成果轉(zhuǎn)化為講述離子電導理論的教學案例，把雜質(zhì)離子電導與溫度的關(guān)系形象生動地展現(xiàn)出來，有效地提升了教學效果。如教材所述，電導率公式如式（1）所示，寫成對數(shù)形式如式（2）所示。

其中，σ為電導率，T為絕對溫度，W為活化能。從式（2）看出，以lnσ和T-1為坐標可繪得一直線，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，詳細講述陶瓷電導率數(shù)據(jù)的獲得及其數(shù)據(jù)處理，分析電導與溫度的關(guān)系（如圖1所示）[11]，并對鉍層狀高溫壓電陶瓷中如何通過缺陷結(jié)構(gòu)設計來降低高溫電導率進行知識拓展，促進學生對離子電導等相關(guān)知識點的掌握，結(jié)合實際應用，使學生通過實實在在的研究項目、研究方法和研究成果加深對課本理論概念的理解。

圖1 鉍層狀高溫壓電陶瓷的電導率與溫度關(guān)系圖[11]

（三）案例教學體現(xiàn)學科交叉

學科是系統(tǒng)集成化的知識結(jié)構(gòu)，交叉學科是通過集合多學科或多領(lǐng)域知識來共同解決一個問題，并據(jù)此構(gòu)建新的研究視角和框架。我校材料科學與工程一級學科是江西省“十三五”一流學科，覆蓋的無機非金屬材料工程、材料化學兩個專業(yè)是國家一流專業(yè)建設點。材料科學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)系的學科，“無機材料物理性能”作為專業(yè)核心課程，以無機材料為研究對象，在課程內(nèi)容上雖然按照力學、熱學、光學、電導、介電、磁學等性能進行章節(jié)劃分，但實際上有著很強的材料學科、化學學科、物理學科等學科之間的交叉特性，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)的授課過程中，教師往往是針對某個章節(jié)的內(nèi)容進行講解，難以做到多學科知識的融通，不利于工科學生解決實際工程問題的能力培養(yǎng)。筆者在“無機材料物理性能”授課過程中，根據(jù)授課內(nèi)容合理地設計案例，體現(xiàn)學科交叉融合，激發(fā)學生創(chuàng)新潛能。如在無機材料的介電性能章節(jié)中，教材給出了正壓電效應的基本原理：電荷與應力成正比，用介質(zhì)電位移D和應力T表達如式（3）所示，其中d是反映電學量D和力學量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，先從壓電效應本身涉及到的力學和電學兩個學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的基本條件 （涉及結(jié)晶化學學科方向），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，涉及到缺陷化學學科方向）等之間的關(guān)系，最后總結(jié)各學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，促進學生全面系統(tǒng)地掌握壓電效應相關(guān)理論知識[12]。另外，針對該案例教學布置相關(guān)的課后作業(yè)，讓學生去進行壓電陶瓷改性研究相關(guān)的調(diào)研，并就以下三個方面提交調(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文獻所采用的改性研究方法，提高的性能指標及相關(guān)機制；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，就文獻的創(chuàng)新點提出自己的見解。

四、“無機材料物理性能”課程案例教學的作用

（一）有利于提升學生的思想境界

結(jié)合課程思政的案例教學能在潛移默化中讓學生感受到家國情懷，提升思想境界，尤其是在討論環(huán)節(jié)，學生積極發(fā)表見解，從中能感受到他們對當今時代、對自身發(fā)展、對如何實現(xiàn)中華民族偉大復興的思考。如2018級材料化學專業(yè)“中國古代熱學知識”調(diào)研團隊通過查閱資料，講到東漢著名唯物主義哲學家王充在《論衡·寒溫》中認為“夫近水則寒，近火則溫。何則？氣之所加，遠近之差也?！眳R報人羅金海同學就此發(fā)表自己的見解：熱傳導的概念是當固體材料一端溫度比另一端高時，熱量會從熱端自動地傳向冷端，而王充早在近2000年前就提出了該觀點，實在太了不起了，為我們古人的智慧感到驕傲和自豪。2018級材料化學專業(yè)學生閆立松在分享“追光人”蔣筑英的故事之后感嘆：他為人正直，工作勤勤懇懇，把對祖國、對黨的愛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，獻出了年輕的生命。我們作為當代的年輕一輩，應該學習并發(fā)揚他那種攻堅克難的科學精神，展現(xiàn)當代大學生的精神風貌，為我國的材料事業(yè)發(fā)展貢獻自己的力量。

（二）有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

將最新的科研成果轉(zhuǎn)化為典型教學案例不僅能夠提升教學質(zhì)量，還能將科學研究過程中的創(chuàng)新思維方法傳授給學生，進而開發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。在傳統(tǒng)的灌輸式課程教學過程中，學生很難有理論與實踐相結(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)容凝練成教學案例作為教學內(nèi)容的補充，增強教學內(nèi)容的學術(shù)性和前沿性，并采用啟發(fā)式、探究式教學模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌輸式教學模式，讓學生成為知識的探索者，從而極大程度地提升學生的科研興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。2018級無機非金屬材料工程專業(yè)學生高鳳婷表示：老師將雜質(zhì)離子電導理論結(jié)合鉍層狀高溫壓電陶瓷研究實例，詳細講述了如何利用缺陷結(jié)構(gòu)設計來降低高溫電導率，這種授課方式讓我覺得非常有意思，一下子感覺學的理論知識很有用，課后我在中國知網(wǎng)上查閱了一些與之相關(guān)的文獻資料，遇到不懂的地方向老師請教，和同學討論，逐漸對高溫壓電陶瓷研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。

（三）有利于拓寬學生的知識面

現(xiàn)代科技發(fā)展越來越清晰地表明：學科間的交叉融合是推動科技創(chuàng)新發(fā)展、催生重大原創(chuàng)性成果的主要驅(qū)動力。更重要的是，學科之間的相互滲透、交叉融合已經(jīng)成為當今學科發(fā)展的主要趨勢，在教學過程中開展學科交叉是當代大學生培養(yǎng)過程中備受關(guān)注的一個重要方向。筆者在“無機材料物理性能”課程教學過程中通過精選壓電陶瓷案例，把案例中涉及到的研究及應用中的科學問題進行歸納，在講解的時候，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案例進行逐層剖析，由淺入深，層層遞進，大大拓展了學生的知識面。課后讓學生去進行文獻調(diào)研，讓學生了解所學知識在解決實際研究問題中的運用過程，加深對所學知識的理解，為今后運用所學知識解決實際工作中遇到的問題打下堅實的基礎(chǔ)。2018級材料化學專業(yè)學生曾梓欣表示：課本上的壓電效應章節(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行講述則比較生動，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用對其性能的不同要求，既讓我掌握了壓電效應的基本原理，又拓寬了我的知識面。

五、結(jié)語

“無機材料物理性能”是一門理論性相對較強的課程，但又緊密聯(lián)系實際，案例教學法的運用是把該課程理論與實踐進行緊密結(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)學科交叉三個方面描述了該課程的案例精選及其在教學過程中的具體實施方法。從學生的反饋表明，該課程案例教學法的實施在提升學生思想境界、培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和拓寬學生知識面等三個方面取得了較好的效果，為實現(xiàn)我校無機非金屬材料工程和材料化學兩個國家一流建設專業(yè)的創(chuàng)新型應用型人才培養(yǎng)提供了有力的支撐。