案例教學模式在《稀有金屬材料加工》課程中的應用

董月成 李峰 劉暢 李鑫

摘要：案例教學的主旨是讓學生通過對實際案例進行思考與分析，從而更加深入地了解學科內容，提高綜合分析能力。將案例教學模式應用在《稀有金屬材料加工》課程中，就是將專項研究與具體的工程實例相結合，可以讓學生更加了解稀有金屬材料加工的工程背景和實際加工過程，調動學生學習的積極性，提高教學質量。

關鍵詞：案例教學;材料加工;教學質量

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0264-02

一、引言

探究材料的加工過程是研究稀有金屬材料的一個基礎環節，稀有金屬材料通過材料加工過程來獲取最終的應用成品，因而在金屬材料專業開設稀有金屬材料加工這門課程至關重要。稀有金屬材料主要包括難熔金屬（鈦、鎢、鉬、鉭、鈮、鋯、鉿、錸）和貴金屬（釕、銠、鈀、金、銀、鉑等）兩大類共15種，這些金屬在熔點、密度、抗氧化性及變形抗力等物理性能方面有較大差別，加工技術各具特色。其中鈦合金作為應用較為廣泛的稀有金屬材料，具有強度高、耐腐蝕性能優異、無磁性等優點，在航空航天、艦船、化工、醫療等領域具有重要應用，是重要的戰略金屬材料，其性能優勢越來越被認可。

案例教學法由美國哈佛法學院前院長朗代爾于1870年最先提出[1]，之后在1986年美國卡內基小組提出《準備就緒的國家：二十一世紀的教師》的報告書中，特別提出案例教學法在教師資格培訓課程中的價值[2]。

本課程以鈦合金為探究對象，根據國內外稀有金屬材料及其制備技術發展現狀和趨勢，以教師參與的科研項目中具體的應用案例為牽引[3]，幫助學生學習了解稀有金屬材料的加工過程和制備工藝，從材料本身出發，系統地探究成分、熔煉、鍛造、軋制、熱處理等全流程加工工藝對鈦合金制品組織和性能的影響。此外，在傳統加工方式的基礎上介紹精密鑄造、超塑成形/擴散連接、粉末冶金及3D打印等鈦合金制品成型新技術，以幫助學生更好地理解傳統與新興技術的區別和聯系。稀有金屬材料加工是一門與實際工程密切關聯的課程，將案例教學法融入課程教學是一種很好的教學模式，有助于提高課程的教學效果。

二、典型案例的選擇

“興趣是最好的老師”[4]，但是學生在上專業課程的時候，常常因為沒有實踐經驗而難以理解教師所講解的理論知識，從而對課程的學習失去興趣甚至信心，因而如何提高學生的上課積極性，以及增強學習的信心是每位教師一直在追求和探索的。在工學課程中，由于課程與實際聯系緊密，因而對于這個方面的探索顯得格外重要。《稀有金屬材料加工》是結合實際工況進行研究和探索的一門課程，使用案例教學的授課模式可以很好地結合實際，通過案例教學這種特殊的授課方式彌補傳統教學的不足，讓學生不僅從理論上認知和學習課程，而且鍛煉學生將理論知識與實踐結合的能力，使得學生了解和參與到工程實踐及科研項目中來，從而進一步提高學生的綜合能力和素質[5]。因此，對于課程中案例的選擇必須具有一定的特性，通常應該具有以下幾個要求。

1.案例需要具有典型性和目標性。在實際的稀有金屬材料加工中，由于材料不同，成品性能尺寸要求不同，加工方法的選擇會大相徑庭，因此在選擇案例時，應該注重課程教學的最終目標，根據目標有針對性地選擇案例。

2.案例要具有真實可靠性。所學課程對學生而言是一個新的領域，只有常見的典型案例才能讓學生對課程有切身的體會，激起學生學習的積極性，對所學內容有更深入的了解，從而起到引導學生學習的作用。

3.案例分析討論的難度需要適中。隨著學生對課程認知的逐步深入，案例的難度不斷提高，案例的難度與學生學習的進度應保持一致，使學生逐步獲取知識，保證學生學習的積極性。

三、案例教學的具體內容

稀有金屬材料加工課程將鈦合金作為研究和建設對象的代表，從實踐出發，根據鈦合金制品的加工過程，對傳統加工流程中的熔煉與熱加工這兩種主要影響鈦合金制品組織和性能的加工流程進行相關案例分析，較為系統地向學生展示以鈦合金為代表的稀有金屬材料加工方面的知識。首先通過案例讓學生對于鈦合金制品的制備過程有整體認知，之后再布置新型鈦合金的制備任務，讓學生通過之前的認知進行分組討論并設計新型鈦合金的整個制備工藝，鞏固之前學到的知識。

1.鈦合金的熔煉。要想獲取鈦合金制品，第一個環節就是熔煉鈦合金，在整個鈦合金的制備過程中，它是保證鈦合金最終制品具有優異性能最重要、最關鍵的一環，其熔煉的優劣直接決定后續加工的成品的性能指標是否達到產品要求。主要通過防止熔煉過程中成分偏析，控制雜質含量等手段獲得高品質的均勻鑄錠。案例選擇最常用的是TC4鈦合金，向學生展示該合金的基本熔煉過程，主要包括：（1）原始物料的準備。根據最終需要的鑄錠尺寸以及成本確定所需的合金元素的添加方式，例如，鑄錠尺寸較大，如要添加Fe元素，則可以選擇純度較高的鐵釘;鑄錠尺寸較小，則可以選擇純度較高的純鐵顆粒。（2）坩堝的選擇。同樣根據鑄錠尺寸選擇坩堝的大小。（3）冷卻速度的控制。冷卻速度過快會產生缺陷。

在整個展示過程中不斷引導學生思考如何使熔煉更加均勻地進行，這樣才能減少雜質元素，例如碳氮氧氫這類元素的實際含量，從而獲取成分均勻穩定的TC4鑄錠，最后再思考這些步驟對于所有鈦合金鑄錠是否都適用。通過案例教學，讓學生對于材料的第一步制備工藝有一定的了解。

2.鈦合金的鍛造。鈦合金的熱加工是獲得合金制品的第二個環節，最常用的是鍛造工藝，它也是決定制品組織和性能的關鍵環節，細化晶粒、保證組織變形均勻以及防止加工過程裂紋生成等是這一環節的重點。同樣也從TC4合金的案例出發，具體展示的鍛造過程分為以下幾步：（1）確定鍛造的具體工藝參數。根據最終成品所需的組織與性能確定鍛造火次及鍛造溫度。（2）確定鍛造前的保溫時間。根據樣品的厚度確定一個省時省錢的保溫時間。（3）隨時觀察鍛造的樣品，如表面開裂則及時結束本火次的鍛造。