“材料选择与设计”课程中案例教学创新实践

［摘 要］ “材料选择与设计”课程旨在使学生利用材料选择和设计的基本原则，通过实际工程案例学习，掌握工程应用中材料合理选择与设计的能力。然而，在实际教学过程中，它存在理论与实践相脱节、实践教学条件有限等问题，影响了教学效果。建立一套科学有序、教学实效性强的案例库，并不断丰富教学手段，改进案例教学中理论与实践相结合的教学方法，以提高案例教学中学生的参与度，以期为社会培养扎实理论功底和实践操作能力兼具的应用创新型人才，为材料领域应用型创新型人才培养提供借鉴。

［关键词］ 材料选择与设计；案例教学；网络教学平台；教学改革

［基金项目］ 2021年度上海理工大学校级虚拟仿真实验教学课程培育项目“‘A Fan Blade for An Aircraft Turbine Engine’在线仿真教学实验”

［作者简介］ 彭成信（1976—），男，湖北随州人，博士，上海理工大学材料与化学学院副教授（通信作者），主要从事电化学储能材料及器件研究；杨光智（1978—），男，陕西渭南人，博士，上海理工大学材料与化学学院副教授，主要从事新型碳材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）03-0129-04 ［收稿日期］ 2022-11-01

引言

随着现代社会科技发展，新材料的突飞猛进催生了一系列新产品的突破，带来了经济和新的社会生产力的变革［1-2］。近十年来，世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长，现有材料数量已经超过220 000种，并且随着科技的进步，新型材料不断涌现［3］。2017年4月，科技部出台了《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，指导我国材料领域科技创新和产业化发展战略。材料是人类生产和生活的物质基础，而新材料的研究和开发不仅推动了社会的发展，也促进了技术的发展和产业的升级，材料发展的技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力及国际竞争力的重要标志。

面临如此众多的材料，根据工程实际需求，正确选择合适的材料并设计出高效的产品显得尤为重要。在选择和设计时，需要考虑到以下几个方面：（1）产品的功能使用要求，是在产品设计中需要首要考虑的。材料能否满足产品功能使用的要求，直接关系到产品的品质好坏，甚至成败。（2）工艺要求，这主要体现产品工艺对材料的限制上。产品设计中，需要对产品的材料进行加工处理，以达到预想的效果。（3）经济性要求，这主要体现在材料价格、加工费用、材料利用率等影响生产成本的因素对材料的限制上。（4）绿色环保要求，这是企业和设计人员都应自觉遵循的原则。应该在产品设计中充分考虑环保要求，尽可能选用无污染、利用率高、可回收的材料，促进产品的可持续利用，表现出对环境的友好性。如何合理选择产品所使用的材料和最优的加工工艺以满足产品的设计要求，就需要学生在系统学习材料选择与设计基本原则的基础上，通过大量的案例教学理论结合实践，掌握产品材料选择与设计的能力。

为了培养新时代创新型材料学专业人才，上海理工大学材料学院根据新材料和新产品的发展形势，结合国家重大战略需求，开设了由美国工程院院士、英国皇家工程院院士、剑桥大学工程材料学教授Michael Ashby编撰的“材料选择与设计”（Materials Selection and Design）全英文课程。通过材料和工艺等选择及设计原理的系统理论讲授，并结合CES（Cambridge Engineering Selector）教学和数据库软件平台，以及各种丰富的产品设计实践案例，使学生理解和掌握材料选择基本原则及产品设计的工艺优化，增强将材料运用于产品设计中的实践技能和创新能力。

一、“材料选择与设计”课程的教学内容及存在的主要问题

“材料选择与设计”（Materials Selection and Design）是一门涉及材料性能、加工处理方法、工程产品设计等综合性知识的课程，主要内容包括材料性能与工程应用之间的内在联系、工程产品的工艺设计过程，以及相应材料处理方法的选择标准。课程学习的目的是使学生在掌握材料科学、材料工程以及材料分析方法等材料学科相关知识的基础上，通过了解实际工程应用中对产品的需求，根据图、表、手册和软件等进行数据分析，学会合理应用所学材料选择和工艺设计的基本原则进行选择与设计，培养将材料学基础理论知识与工程实际应用相结合的能力；通过编写规范的技术报告呈现结果，以及口头表述阐述产品设计的技术参数和图表，使学生具备一定的专业英语听、说、读、写的能力。此外，学生利用CES教学和数据库软件所包含的材料性质（如基本性质，以及机械、热、电、光、磁等性质）与各种工艺特点，对大量工程实际应用案例中的产品进行选择和设计。课程包括48学时的全英文理论课学习及16学时的全英文课程设计。

目前，该课程已经培养了大量具有初步创新能力和实际操作经验的学生，但仍存在两个典型问题制约着本课程教学效果的提高：（1）“材料选择与设计”课程教学主要停留在理论教学阶段，其内容主要涉及简易模型结构的案例分析和讨论、材料选择与设计基本原理的推导，强调材料的传统基础理论知识之间的相互联系以及影响规律，缺乏与实际产品选择、设计加工以及工程应用等直接关联的内容，这直接导致学生无法清楚直观地了解材料在工程实际中的应用，理论知识和实践应用脱节，难以获得从材料理论选择、设计到实际工程产品应用的能力；同时，阻碍了在实践中验证材料选择与设计效果，进一步迭代优化产品设计的步伐。这显然与开设课程的初衷以及课程培养目标相悖。（2）“材料选择与设计”课程虽然加入了基于CES教学和数据库软件的实践教学，通过数据库进行案例分析，在计算机模拟仿真软件上进行材料和工艺的选择及优化，但在实践环节受到实验条件、实验场地、实操限制等问题，缺乏选择与设计在实践中验证结果和应用的环节。因此，急需一种既能够让学生尽可能多地了解实际工程应用中材料选择和设计的相关知识，同时又易于实现的教学手段。

二、“材料选择与设计”课程中的案例教学创新

案例教学法又称“苏格拉底式教学法”，始于古希腊哲学家苏格拉底。不同于传统教育教学方法，它是一种以开放式、互动式等为主的新型教学方法。这种方法以学生为中心为出发点和落脚点，通过案例结合情境再现激发学生发现问题、分析问题和解决问题的兴趣，形成自己的观点。这种将理论与实践紧密结合的方法，提高了学生的学习能力。利用先进网络教学平台，模拟材料工程实际应用设计过程和选择标准，让学生直观地学习从材料的基础理论知识到工程实际产品应用的过程，不仅可以提升教学效果，还可以促使教学方法紧跟国际先进水平［4-5］。

（一）利用丰富的国内外网络资源和生活中的实际产品信息，建立了一套科学有序、教学实效性强的案例库

“材料选择与设计”课程的案例教学主要通过计算机模拟软件包CES EduPack，模拟实际工程应用的设计过程和选择标准，让学生直观地学习与掌握材料基础理论知识、材料选择与产品设计及应用的过程。该软件允许学生自定义材料模型、结构模型、特性参数和其他函数，方便学生进行工艺参数定义，且前处理及后处理的结果数据分析简单易行。该教学平台不仅可使学生尽可能地了解实际工程应用中的设计过程和选择标准，同时又能让学生将所学的基础理论知识应用到工程实际中。

首先，需要建立“材料选择与设计”核心案例数据库。从生活实践中筛选与课程基本内容紧密联系的产品设计案例，如考虑产品使用机械性能要求的案例、考虑产品外形设计的案例、考虑产品加工工艺影响性能的案例，以及满足经济、环保、成本等设计要求的案例，还有从考虑单一约束条件到多重约束条件、从考虑一个产品设计目标到产品多个功能要求的案例等。案例要贴近实际生活实践，同时能够巩固课程基础理论内容，促使学生通过循序渐进的案例学习，为产品的材料选择和设计打好基础。其次，要利用不断变化的市场产品，对数据库进行不间断优化升级，更新案例教学内容。此外，在案例教学中加入一些特色功能环节，比如增加案例内容的搜索、师生交流互动及教学效果的检验环节等。同时，在“材料选择与设计”课程群中跟其他课程教师实现在线案例教学共享，组织大家积极参与案例征集、评审，补充数据库，实现数据库案例的不断更新，依据新的案例教学数据库促进教师对案例教学内容的编排改进，相互学习。在每个教学案例设计环节中加入一些探索性问题，为学生自主学习创造条件；吸收一些具有丰富工程经验的人员共同参与教学案例和教学内容的编写，使教学案例既能结合工程实际，也能符合教育教学规律，促进学生知识应用和能力的提升。在案例教学过程中，选取产品材料选择与设计的典型案例，结合材料选择与设计相关理论内容，包括材料指标的选择、工艺选择等方面，借助材料选择与设计软件，让学生熟悉并融入产品设计的角色中；运用在线案例库和设计软件，结合理论课程知识，让学生学会解决问题的方法，在案例中得到实践经验。在案例教学过程中，通过对在线平台上的师生互动数据库分析及评价，以及学生对案例材料的完成度评价和反馈，对现有案例内容进行持续改进。通过对案例的不断筛选、优化、完善，使案例内容知识点突出，情境描述更加具体，逻辑清晰，并与相关教学内容相匹配。

（二）丰富多种教学手段，提高学生在案例教学中的参与度

课前，在网上提前发布需要学习的案例内容，并提出主要学习内容。学生依照学习的目标任务，熟悉案例库网页的PPT课件内容以及辅助的微视频说明，包括案例文字、案例图片、过程动画等，充分利用网络相关资源并结合案例实际内容等多种方式，熟悉分析数据库案例所涉及的知识点，提炼案例中涉及的关键要点。课中，利用仿真教学软件包CES EduPack，结合案例要点进行完成仿真学习。同时，建立教学案例资源库，设计学生个性化学习环境，包括线下小组讨论、虚拟实验室会议及线上云会议空间，利用师生思想交流、问题讨论的方式，激发学生学习兴趣，引导其深入思考并独立完成案例的学习内容。课后，通过线下在线评议方式，围绕案例进行问答交流，鼓励学生提出不同的解决方案，通过师生互动，不断质疑，逐渐深入探究，直到问题解决。同时，教师鼓励学生积极探索，案例分析紧贴课程内容和策略，培养学生知识迁移和创新的能力。师生可以采用线上平台的问题讨论留言、现场语音交流、完成的图片或文字拍照上传等方式进行互动，系统会将学生的互动情况实时反馈给教师，便于教师在线解答和点评，加深学生对理论知识的理解，进而引导学生深入分析和解决案例，从而提升学生的情感和行为参与度，激发学生的学习积极性，实现自我价值。不断激发学生兴趣使其主动参与探索研究的过程，不仅可以让学生体验案例学习中的乐趣，也可以让学生感受主动学习、以我为主的重要性。最后，通过师生共同分析讨论和总结，学生以口头报告的形式呈现案例的设计方案。

此外，案例库要紧密结合网络教学平台，不仅要利用校内在线教学平台，如一网畅学、WeLink等，还可以灵活运用网络平台，如腾讯会议课堂、钉钉、微信、抖音等。对案例教学内容进行视频直播或录播，并与网络软件App或校内教学平台进行对接，方便“材料选择与设计”案例教学内容的动画、视频等传播，帮助学生完成全部学习任务，从而实现在线案例教学目标。国内外各大学的MOOC、SPOC、TED内容，以及超星、学习通等网络App，也为在线教学提供了更多的选择与实践平台。

（三）案例教学中理论与实践相结合的教学方法

“材料选择与设计”课程采用理论结合实践的教学方式。在教学过程中，教师先将案例教学中涉及的工程问题，通过文字解读、图片示例，并结合案例在现实应用中的视频、动画、图片等信息，让案例更加生动、具体，激发学生的求知欲；再以产品设计案例为基础，让学生多角度分析和解决工程问题，调动学生学习案例的主观能动性，鼓励学生利用理论课程知识，联系实际问题进行探究，找到案例的解决方法，有效提高案例教学效果，促使学生实现理论知识的转化、迁移与实际应用。要做到案例教学中的理论与实践相结合，可以有以下几种途径：（1）为了使案例教学的理论与实践相结合，可以利用虚拟仿真教学软件平台进行案例解决方案的验证。通过教师的组织和指导，学生可以通过计算机模拟软件包CES EduPack进行材料选择与提出设计方案，然后再利用虚拟仿真教学软件平台进行实际工况的验证。通过虚拟空间学习，可以让学生全程参与实际工程问题的解决，获得工程决策的能力。同时，也可以突破实践环节受限于实验条件、实验场地、实操环节等问题，成为特殊情况下开展线上教学的主要方式。（2）结合学校和学院开放式实验平台，学生可以运用计算机模拟软件包CES EduPack进行材料选择与提出设计方案，通过实际实验进行验证，将案例教学的理论与实践相结合，对案例的材料选择和方案设计进行验证。同时，在实验过程中可以进一步优化案例的材料选择，迭代升级设计方案，从而获得最优的案例设计方案。在实际操作中，学生主动参与实践，体验了学习的乐趣，具备了理论联系实际的思维方式。