《材料科学工程四面体的应用-失效分析》

《材料科学与工程四面体的应用-失效分析》

教学设计（教案）

微课的基本信息见表1.

表1. 微课内容基本信息

教学背景

在二十世纪六十年代，材料科学与工程的四要素问世，即“成分（组织）与结构、合成与加工、使用行为、性质”这四要素，也有把“成分、制备/加工、（组织）结构、性能(性能拆解成性质+效能）”作为四要素，总体思想是一致的。

而后，从四要素推广到四面体，如下图所示，即把四要素放在四面体的四个顶点，更好地说明了四要素之间相互影响、相互联系的关系。因此该四面体是更加全面的一种表述材料科学与工程学科内涵与方法论的方式。以下我们把材料科学与工程的四要素以四面体相结合的方式简称为“材料科学与工程四面体”。

图1. 材料科学与工程四面体

“材料科学与工程四面体”高度概括了材料科学与工程学科的内涵与研究方法，因此在材料科学与工程的教育中，备受推崇，成为该学科必讲的一个知识点。

对于材料科学与工程大学课的学生而言，掌握核心方法论是重中之重，只有这样，学生才会从哲学的角度来深入理解材料学科，才能

掌握并具备开展材料相关研究和工作的能力。

在强调学生能力培养的工程教育大背景下，有必要通过比较详细的叙述、生动的案例来讲解如何利用“材料科学与工程四面体”开展相关材料研究工作，帮助学习者掌握这个非常重要的知识点，引导学习者利用这个知识点所折射出的方法论来指导未来的材料学科的学习，使学习者掌握相关的知识，具备利用“材料科学与工程四面体”开展失效分析工作的能力。

教学目标

1. 学习者能够理解“材料科学与工程四面体”中四要素之间的关系；

2. 学习者能够理解“失效分析”的基本概念；

3. 学习者能够掌握利用“材料科学与工程四面体”开展失效分析工作的方法，具备初步的失效分析能力。

教学内容及难点重点分析

教学内容：

1. “材料科学与工程四面体”的总体介绍；

2. “材料科学与工程四面体”中四要素的关系说明；

3. 失效分析的简要介绍

4. 利用“材料科学与工程四面体”开展的失效分析的案例讲解；

5. 总结知识点。

难点分析：

利用“材料科学与工程四面体”展开失效分析工作是本知识点的难点。因为要让学习者建立以“材料科学与工程四面体”为核心的方法论，从这个角度出发，去研究一个具体事物的失效原因。但是要说清楚这个过程，必须要逐条说明，并且一定要举例、案例说明，才能形象地把这个难点解释清楚。

重点分析：

重点内容包括：“材料科学与工程四面体”中四要素的关系，四要素涵盖了材料的研究内容，但是四面体体现的是四要素之间的相互联系和相互影响，从而让学习者在总体上了解材料科学与工程的四要素为何以四面体形式相连接的原因。

“材料科学与工程四面体”在材料科学与工程学科中的重要性则明确指出四面体对于材料科学与工程学科的意义，特别是材料学科的核心方法论，让学习者有个深刻的印象，帮助他们牢固抓住材料学科的重要特点。

利用“材料科学与工程四面体”可以开展的研究工作之一--失效分析，从而让学习者对于“材料科学与工程四面体”的实际应用有个直观的理解并初步掌握分析的方法、具备失效分析的能力，从而进一步加深了“材料科学与工程四面体”是材料科学与工程学科总方法论的印象。

教学活动设计和过程

1. 片头

➢写明课程及知识点；

➢背景音乐弱起，强背景音乐；

➢1张PPT；

2. 总体引出知识点“材料科学与工程四面体的应用-失效分析”。➢用一个简要的开头来点题；

➢出镜+PPT动画；

➢出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从上到下展开；

➢正式讲解期间，背景音乐全程弱音；

➢1张PPT

3. “材料科学与工程四要素”的简介。

➢引出成分、结构、制备/加工和性能这四要素，并且说明性能拆解成性质+效能。

➢出镜+PPT动画；

➢出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从上到下展开；

➢1张PPT；

4. “材料科学与工程四面体”的引出。

➢首先阐述“材料科学与工程四面体”，之后讲述为何用四面体来连接四要素，突出四要素之间相互影响、相互联系

的关系；

➢出镜+PPT动画；

➢出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧；

➢1张PPT；

5.引出“失效分析”的概念。

➢简要提出“失效分析”这个概念；

➢出镜+PPT动画；

➢出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从左向右展开“失效分析”四个字；

➢1张PPT；

6.介绍“失效分析”的具体实例。

➢通过失效的零部件的图片来介绍零部件的失效；

➢PPT图片+PPT动画+讲解；

➢4张PPT；

7.对“失效分析”进行定义。

➢给出“失效分析”的具体定义；

➢PPT流程图（动画展开，从左到右）+讲解；

➢1张PPT；

8.引出“失效分析”的案例。

➢引出案例，介绍泰坦尼克号的情况，简要论述其沉没的一些原因分析；

➢PPT动画+出镜+短片（摘自卡梅隆导演的《泰坦尼克号》）；

➢出镜部分简要叙述一些流传较广的关于泰坦尼克号失效的原因，为失效分析做好铺垫；

➢1个微视频；2张PPT；

9.利用“材料科学与工程四面体”来开展泰坦尼克号甲板材料的失效分析工作。

➢按照结构、制备/加工、成分和性能的顺序，逐一对泰坦尼克号的甲板材料进行详细分析；图片+箭头+文字，以动画

形式逐一呈现；

➢讲到硫含量影响的时候，跳转新的PPT，用定性曲线图来说明硫的影响；

➢在性能的说明部分，用示意图的动画形式，讲解韧脆转变温度的概念；

➢给出失效分析案例的答案；引导学生查看更多的泰坦尼克号材料分析数据；

➢PPT讲解（动画）+出镜（手势向下，引导出画面中的网址）；

➢8张PPT；

10.总结本知识点要点。

➢简要总结知识点；

➢出镜+PPT动画(由上到下展开)；

➢最后的字幕旋转而出；

➢4张PPT；

➢背景音乐调高再变弱收尾。