王國星 王佳杰 楊闖

[摘 要]以工程教育專業(yè)認證為出發(fā)點，對“材料力學性能”課程進行案例教學改革。首先闡明教學目標、案例教學達成方式、案例的設(shè)計及選擇原則，然后分別從日常生活生產(chǎn)案例、重大歷史事件案例、紅色案例、藍色案例、理論發(fā)展史等案例類型角度，詳細闡述進行案例教學的改革過程和意義。

[中圖分類號] G642 ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2022） 01-0086-03

一、工程教育專業(yè)認證背景下的課程教學

工程推動社會進步，工程教育決定人類未來。工程教育專業(yè)認證起源于美國，是目前世界上在教育領(lǐng)域比較成熟的認證機制。[1]為提高我國工程教育質(zhì)量，為工程教育適應(yīng)政府、行業(yè)和社會需求服務(wù)，我國加入《華盛頓協(xié)議》。[2]進行專業(yè)認證的主旨是提高大學生工程實踐能力，進而提高本科專業(yè)建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，從而實現(xiàn)國家本科教育國際化，提升中國工程教育國際競爭力。本校材料科學與工程專業(yè)于2017年6月通過材料類專業(yè)認證委員會認證。

“材料力學性能”課程是材料類、機械類專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課，特點是概念多、機理多、實驗多、內(nèi)容繁雜、知識點分散，是一門集理論與實踐性較強的課程。[3]傳統(tǒng)的教學模式難以達到較好的教學效果。同時，隨著科技的進步，新理論、新技術(shù)不斷推出并被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，對課程教學提出了更高的要求，傳統(tǒng)的教學模式更難以實現(xiàn)教學目的。[4]

工程教育認證通用標準中針對畢業(yè)要求有明確的闡述：“能夠應(yīng)用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結(jié)論?！睆闹锌梢钥闯鰧I(yè)認證對學生綜合、系統(tǒng)知識運用能力提出很高、很全面的要求。因此，課程教學上必須采用恰當?shù)慕虒W手段和方式強化教學效果，提升學生的知識運用能力。

案例教學法20世紀由哈佛大學蘭德爾提出，后來廣泛地應(yīng)用于普通教育領(lǐng)域。案例教學以學生在課堂內(nèi)外對真實事件和情境的分析、思辨為重點，使學生自主開展討論、質(zhì)疑和反思，達到培養(yǎng)學生綜合運用知識解決實際問題或復雜工程問題的能力的目的，對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高具有重要意義。[5-7]

課程教學團隊在進行工程教育專業(yè)認證背景下進行多輪次課程案例教學改革嘗試，從中積累了豐富的案例和教學經(jīng)驗。

二、教學案例的設(shè)計

（一）課程教學目標

支撐本門課程的工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求，指標點對應(yīng)的課程教學目標可描述為：“能夠利用材料力學性能基本原理，結(jié)合查閱文獻資料，在教師指導下通過案例分析討論等形式，針對材料復雜工程問題中涉及的力學性能內(nèi)容，進行識別、表達?！睆闹锌梢钥闯?，課程教學團隊將案例輔助教學深入到課程教學目標。

（二）課程目標案例達成方式

本課程的教學目標設(shè)置三個，具體的課程目標通過案例達成（見表1）。

從上表可以看出，課程教學目標一、二都通過教學案例、實驗和考試實現(xiàn)，教學目標三通過教學案例、案例分析作業(yè)和考試等途徑達到。可見案例教學滲透到教學過程的每個環(huán)節(jié)之中，有益于課程教學實施。

案例教學開展的效果最終可以通過期末考試進行評定。特別是區(qū)別于傳統(tǒng)的試卷，都是基礎(chǔ)知識相關(guān)題型。在試卷中增加實際工程案例分析主觀題型，可以綜合考查學生對專業(yè)知識的綜合運用、分析、思辨等能力。

（三）案例的選擇與設(shè)計

案例的內(nèi)容是提高案例教學有效性的關(guān)鍵， 應(yīng)根據(jù)教學需要選擇案例內(nèi)容。[8]因此，要根據(jù)教學內(nèi)容中重難點選擇切合度和緊密度高的案例。根據(jù)案例內(nèi)容繁雜程度可以將本門課程使用的案例分為兩類，第一類是簡單的案例，如一個實物、一個故事、一個歷史人物等。第二類是較為復雜、系統(tǒng)的案例，如構(gòu)件使用時發(fā)生斷裂，對構(gòu)件進行失效分析就包括了取樣、宏觀分析、微觀分析、性能檢測等。然后根據(jù)結(jié)果綜合分析，包括的內(nèi)容較多，訓練同學們綜合運用專業(yè)知識體系的能力。案例還可以根據(jù)相關(guān)內(nèi)容性質(zhì)分類，包括日常生活、生產(chǎn)的案例、重大歷史事件案例、紅色案例、藍色案例、理論發(fā)展史案例、復雜系統(tǒng)的綜合案例。

三、案例教學實施

（一）日常生活、生產(chǎn)型案例

工程教育專業(yè)認證從工程實際應(yīng)用出發(fā)進行課程體系和內(nèi)容設(shè)計，這有利于受教者對知識的獲得、加工和“反芻”。案例教學可以將很多知識點溶入一個應(yīng)用里，啟發(fā)學生綜合應(yīng)用所學知識體系去分析、解決問題。

如在緒論內(nèi)容性能部分講解工藝性能時，引入東北寒冷地區(qū)供暖需要采用高壓鍋爐。鍋爐加工通常采用最多的工藝為焊接，焊接就是一種工藝性能。比如采用埋弧焊工藝，焊接時要考慮電流、電壓等工藝參數(shù)，二者實際是獲得穩(wěn)定電弧和能量密度，那么材料的傳熱、膨脹就是其物理性能;焊接后的器件要注意防腐，這是化學性能;焊接后的構(gòu)件屬于正壓設(shè)備受到工作壓力，這就是力學性能?？紤]鍋爐生產(chǎn)時采用材料、工藝、用電、人工等生產(chǎn)成本問題就關(guān)乎經(jīng)濟性問題。這樣通過一個鍋爐的案例就將金屬材料的物、化、力、工藝、經(jīng)濟性能全都囊括其中，便于同學們?nèi)嬲莆铡?/p>

（二）重大歷史事件案例

此類案例是大學生較為感興趣的一類案例，這些案例基本均與材料的力學性能有關(guān)，在講述中以學生感興趣的事件為切入點，引導學生進入課程知識領(lǐng)域，使學生更深刻地掌握事件背后的知識奧秘。

如在講解到金屬低溫脆性問題時，涉及一個跨越百年的歷史大事件，就是拿破侖與錫的故事。1812年5月，拿破侖率領(lǐng)57萬大軍遠征俄國，一路高歌猛進，直抵莫斯科，最終卻遇到了莫斯科的大火和俄國的嚴寒，57萬大軍只剩下3萬人逃回。拿破侖夢斷俄國暴風雪，讓多少人扼腕長嘆。其主要原因有人“考證”出拿破侖竟然是敗于錫元素。原來，法軍士兵的紐扣都是用錫做的，錫在室溫保持常見的金屬狀態(tài);但在低溫時，錫會產(chǎn)生“錫瘟”現(xiàn)象完全變成粉末狀。所以，法軍在寒風暴雪中如同敞胸露懷，非戰(zhàn)斗減員就是不可避免的了。從中可以得出就是金屬錫的低溫晶格轉(zhuǎn)變變脆問題。

（三）紅色案例

紅色案例也是思政案例。如于2017年10月建成通車的港珠澳大橋，目前創(chuàng)多項世界之最。這個世紀偉大工程充分體現(xiàn)出我國工程建設(shè)者的智慧和偉大，增強大學生的民族自豪感和歷史使命感，激勵學生加倍努力學習，未來成為行業(yè)中的佼佼者。再如在講授到硬度知識點時，采用中國傳統(tǒng)文化案例，以中國古話“沒有金剛鉆就不要攬瓷器活”，引出中國過去的一種 “鋦碗匠”職業(yè)，匠人從事的技藝出現(xiàn)在《清明上河圖》上，現(xiàn)在這種技藝多出現(xiàn)在考古修復方面。從而最終引出硬度的概念。讓同學們從中體會中國古代勞動人民的偉大。

（四）藍色案例

藍色案例即為科技前沿型案例，代表著知識的創(chuàng)新和科技的進步。如在講述到塑性指標這個知識點時提到了我國最年輕的院士盧柯。2000年盧柯院士團隊發(fā)表于Science上的題為“Super plastic extensility of nanocrystalline copper at room temperature”文章，文中提道：團隊制備的納米銅的塑性斷后伸長率可以達到5100%。通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000% ，個別的可達6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。

還有涉及到的低溫脆性的新研究成果：北京科技大學張勇課題組在 2019 年Science China Materials 雜志上發(fā)表了名為“Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures”的論文，發(fā)現(xiàn)某高熵合金在4.2K極低溫環(huán)境下，仍然能夠保持高強度和極優(yōu)異的塑性，低溫脆性不明顯。[9]從中可以得出某一科學理論在某一時間段可能是正確的，但是隨著研究者的前赴后繼的鉆研，理論可能就會被推翻。所以說科學是沒有定論的東西。今天發(fā)現(xiàn)了真理，到明天又發(fā)現(xiàn)新的，就又推翻了原來的，它是個未定數(shù)。通過案例培養(yǎng)同學們實事求是積極探索的精神。其中還要說的是盧柯院士是“中國制造”，從本科到博士研究生，一直都在國內(nèi)接受教育，是地地道道由中國本土培養(yǎng)出來的世界頂級科學家。這就更加堅定同學們追求科學真理的信心和勇氣。

（五）理論發(fā)展史

在材料力學性能課程中涉及很多力學理論和力學方面的科學家。如斷裂力學之父Griffth，27歲在玻璃斷裂研究中就提出了斷裂力學的概念。如中科院金屬所創(chuàng)始人李薰院士，1937年在謝菲爾德大學求學期間針對英國“噴火”戰(zhàn)機訓練時機毀人亡事故，研究飛機主軸時研制了一套定氫設(shè)備，做第一個吃螃蟹的人，發(fā)現(xiàn)“氫脆”現(xiàn)象。從中同學們可以認識到科學無國界，科學面前不分膚色、不分民族。同時，通過前輩的事跡案例將科學精神傳承給年輕學子，教育大學生尊重科學、追求真理，成為實事求是、開拓進取、團結(jié)協(xié)作、為國爭光的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)人才。[10]

綜上，教學有法，教無定法，貴在得法。案例教學是一種高效的教學方法，其同樣也不是千篇一律的，具體實施方法可以多樣化。 授課教師對課程知識關(guān)聯(lián)的案例進行搜集、歸類、篩選，最終確定適合課程的各類案例。經(jīng)過幾個學期的案例教學運行，學生的整體完成情況較好，教學效果較好，三個課程目標達成度基本呈逐年上升的趨勢。如工程教育專業(yè)認證中畢業(yè)要求通用標準里描述的關(guān)鍵詞那樣：案例教學是工程教育中培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的較為有效的手段。當然，在案例教學過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題影響教學效果，如過多的案例占用教學資源，案例的性質(zhì)、案例的時效性等，所以教師應(yīng)與時俱進，緊密關(guān)注新科技、新材料發(fā)展，對案例進行持續(xù)更新，這都是應(yīng)該在后續(xù)案例教學中關(guān)注的問題。

參考文獻：

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[9]LIU J，GUO X.，LIN Q，Z，et al.Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures. Science China Materials 2019，62：853-863.

[10]吳傳棟，甘章華，劉靜，等.從材料力學性能特色案例談民族自豪感和歷史使命感[J].中國冶金教育，2020（5）：86-89.

（責任編輯： 王義祥）