《材料成型與加工》研究生課程案例式教學探索

＊羅宏 李新躍 李明田 附青山 蒲澤軍 羅昌森

（四川輕化工大學材料科學與工程學院 四川 643000）

《材料成型與加工》是材料與化工專業碩士學位課程，課程主要沿用了課堂講授為主的多媒體教學方式，相對教學方法比較單一，對充分調動學生的學習積極性、主動性重視不夠，對學生創新能力和實踐能力的培養不理想。此外，教學內容與本科《材料工程基礎》等課程內容存在交叉重復，教學內容缺乏先進性，教學效果不甚理想。文獻[1-2]探討了專業學位碩士研究生的課程教學改革，實踐能力培養改革，培養模式創新等。案例教學最早在美國哈佛商學院教學中進行應用，通過對案例的分析討論，提高解決實際問題的能力[3-4]?！恫牧铣尚团c加工》是實踐性很強的一門課程,非常適合案例教學以提高學生的創新能力和實踐能力。

1.案例庫建設

案例庫建設以材料成型與加工為主線，主要包括：材料成型與加工典型案例，材料的服役與失效分析典型案例，新材料新技術新工藝案例。案例庫建設強調綜合性、創新性、實用性、趣味性。

(1)建設目標

①提高材料碩士研究生基礎理論水平

通過案例教學，掌握材料加工的原理、材料性能及制備方法，使基礎理論與應用結合。選用的案例結合企業生產實際，回歸工程教育本質。

②提升學生學習能力和推動教學方法改革

通過案例教學，一方面拓展研究生自主學習空間，改變學習模式；另一方面，提升和改變教師教學方法和方式，提高學生研究能力和實際動手能力，為研究生后續學習、研究過程打下基礎。

③提高研究生工程素養和綜合素質

通過案例教學，增強師生互動，激發學生學習熱情。加強校企聯系，推動校企合作，提高研究生工程素養和綜合素質培養對材料專業的認同感，激發研究興趣，培養實踐能力。

(2)可行性分析

案例庫建設是學生提升理論與實踐結合能力的有效載體。隨著課程案例資源的進一步豐富，案例資源整合及案例庫共享機制探索具有重要意義，以互聯網等信息化手段為媒介，結合虛擬仿真技術，各相關課程、各教學單位之間可以積極開展案例研究、開發和使用等方面的線上及線下交流與合作，建立案例研究、開發、使用和共享的公共平臺。

2.案例教學實踐

(1)案例教學設計分析

《材料成型與加工》案例庫共15個項目，涉及金屬材料成型與加工、高分子材料的成型與加工、粉末冶金成型、材料服役與失效分析等內容，部分案例教學項目見表1。

表1 部分案例教學項目一覽表

續表

案例教學主要作用是通過闡述基本概念、基本原理，選擇合適的工藝方法，達到使用性能的要求。如：《W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓模具熱處理》案例，要求學生通過查閱文獻，了解和掌握冷作模具用鋼的種類及性能要求等，掌握熱處理工藝方法對零件機械性能的影響。最終，依據材料基本原理，選擇合適的熱處理工藝方法。通過具體真實的工程案例，鞏固所學基本理論。通過案例啟發教育，使學生的理論知識得到進一步提高。這一部分，將《材料結構與性能》《材料成型與加工》等幾門課程的知識串聯起來，融會貫通材料結構與性能的關系，選擇合適的加工方法，引導學生興趣，從而達到提高基礎理論水平和創新能力、實踐能力的目的。

材料加工制備是研究生創新能力培養的必要環節。案例包括材料加工制備的新技術、新方法等。如《聚醚醚酮（PEEK）的擠出成型》，案例根據給定的PEEK原料和擠出線材目標任務，選擇適合PEEK的擠出機及螺桿、模具和輔助設備等，制定合適的擠出成型工藝，分析擠出過程中可能出現的問題及解決方案。通過查閱文獻，了解和掌握擠出機的種類、結構及基本操作，了解擠出成型的輔助設備、塑料擠出成型工藝過程，掌握PEEK擠出成型工藝特性等。

(2)高壓儲氫容器的成型與加工工藝案例教學

該案例教學方案包括教學目標、教學重點和難點及案例教學內容設計等，具體方案如下。

①教學目標：了解加氫站儲氫容器；分析加氫站儲氫容器的材料選擇與成型與加工工藝，培養學生分析解決實際問題的能力。

②教學重點：儲氫容器的材料選擇原則、成型與加工工藝制定中主要考慮的問題。

③案例教學內容設計

A.任務：高壓儲氫容器的材料選擇、制定成型與加工工藝。

B.預習

通過查閱文獻，了解和掌握以下內容：

a.什么是氫能？為什么要大力發展氫能產業？國家有哪些相關政策？

b.氫氣的制備、運輸、儲存有哪些難點及其解決方法？

c.高壓容器的材料選擇有哪些原則？有哪些成型與加工工藝？

d.加氫站儲氫容器的成型與加工工藝通常有哪些？

C.課堂討論

學生制作PPT并講解，同學討論，老師點評。

D.知識拓展

對自貢市氫能產業的發展有什么建議？

E.參考文獻

《壓力容器設計手冊》《儲氫技術與材料》《氫能汽車藍皮書》、相關學術論文等。

(3)DN50×7.5mm PEEK/碳纖維復合管擠出工藝案例教學

該案例教學方案包括教學目標、教學重點和難點及案例教學內容設計等，具體方案如下。

①教學目標：了解PEEK的基本物性參數、擠出機的基本結構，掌握高溫單螺桿擠出機及擠出模具的結構和基本操作；掌握PEEK/碳纖維復合管擠出成型工藝。針對PEEK的特性選擇擠出加工設備，制定PEEK/碳纖維復合管擠出成型的工藝過程；能分析PEEK/碳纖維復合管擠出過程中出現的各種問題，找出相應的解決方案。

②教學重點：針對性的制定PEEK/碳纖維復合管材擠出成型工藝，如何分析并解決擠出成型過程中出現的問題。

③案例教學內容設計

A.任務

在海底和深層地下采油的過程中，油氣輸送管道需要承受內部油氣的高壓和外部環境的腐蝕，這就要求管材有強大的抗壓能力和良好的耐腐蝕能力。因此，根據給定的PEEK原料和擠出管材目標任務，選擇適合PEEK的擠出機及螺桿、模具和輔助設備等，制定合適的PEEK/碳纖維復合管材擠出成型工藝，分析PEEK/碳纖維復合管材擠出過程中可能出現的問題及解決方案。

B.預習

通過查閱文獻，了解和掌握以下內容：

a.什么是PEEK？其具有哪些優異的性能？PEEK與碳纖維制備復合管材的優勢何在？

b.了解擠出機的種類及基本操作過程；

c.了解PEEK/碳纖維復合管材擠出成型的輔助設備有哪些？

d.了解塑料擠出成型工藝過程，掌握PEEK/碳纖維復合管材擠出成型工藝特性；

e.PEEK/碳纖維復合管材擠出有哪些難點及其解決方法？

C.課堂討論

學生制作PPT并講解，同學討論，老師點評。

D.知識拓展

擠出機的結構及其對制品性能的影響，怎樣制定高性能的PEEK/碳纖維復合管材擠出成型工藝。

E.參考文獻

《塑料擠出成型工藝員手冊》、聚醚醚酮相關學術論文等。

3.教學效果及存在的問題和改進措施

(1)教學效果

《高壓儲氫容器的成型與加工工藝》案例教學和《油氣輸送用碳纖維/PEEK復合管材擠出成型工藝》案例教學在材料與化工專業研究生中實施，進行了課堂討論，學生就案例教學的要求提交了設計方案。《高壓儲氫容器的成型與加工工藝》部分學生提交的作業，見表2。

表2 高壓儲氫容器的成型與加工工藝

《油氣輸送用碳纖維/PEEK復合管材擠出成型工藝》案例分析，學生的作業主要包括以下內容：①溫度控制：PEEK的擠出成型溫度包括料筒、機頭和口模等溫度控制；②轉速控制：對于PEEK/碳纖維復合材料加工過程中，盡量保證螺桿轉速的穩定，避免螺桿轉速的不穩定，導致碳纖維在PEEK中的分布不均勻，影響擠出管材性能的穩定；③油氣輸送用碳纖維/PEEK復合管材設計，滿足《SY/T 6662.2柔性復合高壓輸送管行業標準》要求。

(2)存在的問題和改進措施

①案例教學內容的選取

案例教學目的是培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，案例的選擇必須結合課程教學內容和學生實際工作經驗不足等因素綜合考慮[5]?，F有的教學案例少而分散，部分案例缺乏行業背景的依托，另有部分案例脫離實際，制定出的案例還會出現通用性、科學共性較差的問題。由于缺乏校企長效合作，部分案例理論性太強，不能反映生產實際。案例教學內容的選取既要考慮教學內容的先進性、創新性，又要考慮學生的理論知識水平和橫向拓展的知識面，同時學生缺乏工程經驗，因此教學內容的選取和設計都要兼顧這些基本情況，既要達到培養學生創新能力和工程能力的目的，又要切合實際。

②教學手段多樣化

目前的案例教學大多根據《案例教學任務書》完成設計方案，略顯單一?？梢耘c現場教學項結合，或采用多媒體手段，或線上線下混合教學等手段進行互動，豐富教學內容，提高學生的學習興趣，達到更好的教學效果。

③教師工程實踐能力的培養與提高

實施案例教學的教師首先要具備豐富的理論知識和工程經驗，具有相關企業工作經歷。《材料成型與加工》課題組共有教師5人，都具有教授職稱，其中3人具有10多年在企業從事材料成型與加工相關工作經歷。隨著材料成型與加工技術的不斷進展，新材料新技術的不斷應用，對教師也提出了更高的要求，需要通過從事科研或企業掛職等方式不斷地學習和提高工程教學能力。

4.結束語

案例教學有助于促進學生創新能力和工程能力的培養，可以充分利用線上線下的教學資源，值得大力推廣。但案例教學的內容設計、教學效果評價與反饋等方面都需要同步設計，教學手段多樣化，才能取得更好的教學效果。