基于實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的材料類專業(yè)課程案例式教學模式探索

王燦明，馬慶超，宋強，崔洪芝

（1.山東科技大學材料科學與工程學院，山東青島 266590；2.合鴻新材科技有限公司，山東威海 264200）

隨著時代的發(fā)展和科技的進步，社會對新產(chǎn)品、新技術(shù)和創(chuàng)新型人才的需求日益迫切，對高等教育人才培養(yǎng)提出了更高的要求。高等教育的首要任務(wù)是培養(yǎng)出與國際接軌，具有工程實踐和創(chuàng)新能力的專業(yè)化人才。我國自2016年正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織后，在高等教育中積極貫徹“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的理念，推行基于“學習產(chǎn)出（OBE）”導向的先進教育模式[1,2]。以能力培養(yǎng)為中心，以學生為主體，改變傳統(tǒng)教學模式，采用啟發(fā)式教學，激發(fā)學生的學習興趣，使學生由“要我學”轉(zhuǎn)變成“我要學”，完成從“以內(nèi)容為中心”到“以能力培養(yǎng)為中心”的教學模式的轉(zhuǎn)變[3,4]。這對高校專業(yè)課程的教學提出了更高要求，在教學內(nèi)容、教學方法和考核評價方式方面均應(yīng)做出相應(yīng)的變革。

傳統(tǒng)教學模式以教師課堂講授為主，輔以作業(yè)、實驗、實踐等教學環(huán)節(jié)，最后采取期末考試的形式進行評價[4]。學生對知識的獲取主要是被動的灌輸，而不是通過主動思考和探索獲取知識，對所學知識的理解和靈活運用能力也缺乏必要的訓練，實質(zhì)上是一種教師教什么、學生記什么的惰性方法[5]。針對具體的專業(yè)課程，結(jié)合工程應(yīng)用或科研工作設(shè)計教學案例，采用案例式教學可有效彌補傳統(tǒng)教學方法的缺點。案例式教學起源于哈佛大學的情景案例教學課，教師根據(jù)教學要求設(shè)計相應(yīng)案例，組織學生針對案例內(nèi)容進行資料查閱、思考、分析和討論，主動獲取相關(guān)知識，并學會如何靈活運用相關(guān)知識，從而提升學生分析問題、解決問題的能力[6-9]。案例式教學的核心在于教學案例的選擇和內(nèi)容的設(shè)計，合適的教學案例會提高學生的學習積極性，達到事半功倍的效果，否則會事倍功半，甚至讓學生無所適從，無法體現(xiàn)案例式教學的優(yōu)勢。因此，針對具體的授課內(nèi)容，如何選擇和設(shè)計教學案例以及教學案例庫建設(shè)等成為廣受關(guān)注的教學改革內(nèi)容。針對該教學改革內(nèi)容，筆者結(jié)合多年的教學和科研工作，以材料表面技術(shù)類課程教學為例，探討案例式教學方法的設(shè)計、應(yīng)用與實踐。

1 課程介紹與案例教學改革

材料表面工程技術(shù)是山東科技大學金屬材料工程專業(yè)的一門專業(yè)拓展課程。通過該課程的學習，學生應(yīng)掌握熱噴涂、堆焊、電鍍等典型表面處理技術(shù)的基本原理和技術(shù)手段，熟悉典型表面涂層材料的成分配比、組織結(jié)構(gòu)與性能特點，對表面工程技術(shù)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有初步的認識和了解；針對典型工況環(huán)境下的機械零件，具備制定材料表面改性工藝路線、實施方案并對改性表面進行組織成分、形貌觀察、性能測試及分析的基本能力。該課程所涉及教學內(nèi)容和工業(yè)生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)，具有較強的實踐性，授課時間安排在大三下學期，因為學生已經(jīng)完成了對材料科學基礎(chǔ)、固體相變、材料分析測試技術(shù)等課程的學習，掌握了基本的專業(yè)理論知識，為該課程實施案例教學奠定良好的基礎(chǔ)。

該課程授課內(nèi)容和山東科技大學材料學科專業(yè)特色研究方向緊密結(jié)合，授課教師長期從事該領(lǐng)域的科學研究，與海工、冶金、船舶等行業(yè)企業(yè)建有產(chǎn)學研合作關(guān)系。在學生已經(jīng)具備一定理論知識和實踐能力的基礎(chǔ)上，從能力培養(yǎng)的角度出發(fā)，將專業(yè)課程教學和工程實踐課題與學科領(lǐng)域的相關(guān)科研工作結(jié)合，把重點教學內(nèi)容開發(fā)成教學案例，并引入課堂教學，有助于激發(fā)學生的學習熱情和探索精神，學會把專業(yè)知識應(yīng)用于工程或科研實踐，全面提升其分析問題和解決問題的能力，達成專業(yè)培養(yǎng)的目標[10，11]。將企業(yè)生產(chǎn)中的課題和科研項目開發(fā)成教學案例，并引入專業(yè)課程的教學，建設(shè)高質(zhì)量的案例庫，對學生能力的培養(yǎng)具有重要作用，也是高校課程教學改革的趨勢和重要目標。

2 案例庫設(shè)計實例

2.1 超音速噴涂耐磨蝕陶瓷涂布刮刀技術(shù)教學案例

該案例來源于校企合作項目“陶瓷涂布刮刀耐磨蝕涂層技術(shù)的開發(fā)”，為熱噴涂技術(shù)章節(jié)設(shè)計的教學案例。陶瓷涂布刮刀是造紙行業(yè)的一個關(guān)鍵品和易損耗品，該產(chǎn)品早期全部依賴進口，目前在中低端產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但高端產(chǎn)品仍然被國外壟斷，屬于造紙行業(yè)的技術(shù)難題。通過該背景資料的介紹，激發(fā)學生的愛國心和對該產(chǎn)品的科研興趣，進一步提出該產(chǎn)品的服役環(huán)境和技術(shù)與性能要求，引導學生查閱資料，對耐磨蝕材料、涂層制備工藝進行設(shè)計和創(chuàng)新。該產(chǎn)品是超音速噴涂技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的典型案例，學生在掌握超音速噴涂技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過與實踐結(jié)合，學會靈活運用所學知識和方法解決生產(chǎn)中的問題，可以更好地為生產(chǎn)實踐服務(wù)。

2.2 煤氣化爐管壁防護涂層技術(shù)教學案例

該案例來源于863 研究課題“耐磨蝕組合涂層等離子熔射制備及表征技術(shù)”，為高能束熔覆技術(shù)章節(jié)設(shè)計的教學案例。煤氣化爐管壁承受高溫、高壓、煤裂解氣化催化劑沖刷和SO42-、Cl-等侵蝕，腐蝕極為嚴重，為煤氣化設(shè)備行業(yè)中的共性難題，通常采用等離子熔覆鎳基高溫合金涂層進行表面防護，高溫抗沖蝕涂層材料的設(shè)計、高性能涂層制備技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點。結(jié)合該案例教學，使學生了解材料在高溫腐蝕性氛圍下的失效機理，熟悉高溫防護涂層材料的選擇依據(jù)，適用于現(xiàn)場施工的涂層制備工藝，以及提升產(chǎn)品性能的改進措施等。在教學過程中，需要設(shè)計好明確的課題要求，合理限制查閱資料的范圍和方向，引導學生更有效率地收集資料，鼓勵學生進行大膽的創(chuàng)新，對于有價值的創(chuàng)意和思路，結(jié)合科研工作讓學生在課后進行實驗驗證。

2.3 石油行業(yè)抽油管的鍍層強化技術(shù)教學案例

該案例來源于企業(yè)合作項目“鎳碳復合表面處理技術(shù)服務(wù)合作協(xié)議”，為電鍍技術(shù)章節(jié)設(shè)計的教學案例。抽油管長度一般8-12m，內(nèi)徑φ48-100mm 等不同規(guī)格，這種細長管件的內(nèi)壁強化通常采用電鍍技術(shù)。由于原油中含有H2S、Cl-等腐蝕性介質(zhì)，原油中的沙粒等對內(nèi)壁起到?jīng)_刷作用，要求內(nèi)壁具有良好的耐磨和耐蝕性。基于工件結(jié)構(gòu)特點和成本要求，將工藝限定為電鍍技術(shù)，基于服役環(huán)境和性能要求，讓學生查閱資料進行涂鍍層結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，在應(yīng)用實踐中掌握電鍍原理、工藝特點及影響鍍層性能的因素等知識。電鍍液中含有重金屬離子，對水源有污染，目前國家制訂了嚴格的電鍍污染物排放標準，電鍍技術(shù)的發(fā)展也朝著綠色無污染方向前進。通過該案例教學的實施，讓學生一方面了解該領(lǐng)域的新技術(shù)、新發(fā)展，另一方面了解工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)遵循的法律法規(guī)、環(huán)境保護方法等。

2.4 工業(yè)鏈條銷軸表面滲鉻處理教學案例

該案例來源于企業(yè)合作項目“新材料、表面處理技術(shù)合作研發(fā)及相關(guān)檢測分析服務(wù)”，為表面化學熱處理章節(jié)設(shè)計的教學案例。工業(yè)鏈條是汽車、船舶等發(fā)動機傳動用關(guān)鍵部件，隨著高速傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，齒形鏈傳動主動鏈輪的轉(zhuǎn)速通常為5000～8000 r/min，高速傳動甚至可達10 000 r/min，其允許磨損伸長率僅為ε≤1%（ε=ΔL/L，ΔL 為鏈條磨損伸長量，L 為初始鏈長），對鏈板和銷軸的耐磨性能提出了極高的要求。銷軸通常采用表面化學熱處理，包括滲氮、滲碳、碳氮共滲、滲金屬等。其中，滲鉻處理后表面生成一層碳化鉻層，顯微硬度可達1 700HV0.3，是工業(yè)鏈條銷軸表面強化的通用技術(shù)[12-14]。通過該案例教學，讓學生學會設(shè)計滲鉻工藝、滲后熱處理工藝，探討滲層形成機理等，將材料物理性能、化學性能、固態(tài)相變等多學科知識有機融合，解決工程中的實際問題，鍛煉其實踐和創(chuàng)新能力。

3 案例教學的實施與思考

在專業(yè)課程教學中，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)課題或科研項目將授課內(nèi)容融入案例教學中，其關(guān)鍵點在于教學案例的選擇和設(shè)計。案例一方面應(yīng)和教學內(nèi)容密切相關(guān)，包含盡可能多的知識點，為學生提供足夠的研討與思維空間。另一方面，案例在內(nèi)容和結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)符合學生的知識結(jié)構(gòu)和能力特點，既要激發(fā)學生的興趣，又能引領(lǐng)學生主動思考，以點帶面，關(guān)聯(lián)知識，讓學生在資料查閱和思考的過程中不斷深入，主動拓寬知識面，將所學知識和實踐應(yīng)用融會貫通，達到能力培養(yǎng)的目標。

在案例教學的過程中，由于很多學生長期接受被動的填鴨式教育，主動學習和探索的意識較弱，初次接觸到案例課題，在思路上往往會處于茫然狀態(tài)，教師應(yīng)注意在關(guān)鍵思路和知識點上進行合理的引導和提示，讓學生有的放矢，通過資料查閱逐漸形成解決問題的思路。另外，部分案例如煤氣化爐管壁防護涂層技術(shù)、工業(yè)鏈條滲鉻處理可以和專業(yè)實驗相結(jié)合，讓學生的想法通過實驗結(jié)果得到驗證，既鍛煉了學生的動手能力，又提高了其專業(yè)興趣。

4 結(jié)語

把企業(yè)課題、科研項目和材料表面技術(shù)類課程教學相結(jié)合，將案例教學法引入專業(yè)課程教學，縮短了教學與工程實踐的距離，理論聯(lián)系實際，有助于激發(fā)學生的主體意識，提高學生學習的興趣和主動性，提高學生的實踐和創(chuàng)新能力。同時案例教學法要求教師既應(yīng)具備深入的理論知識，還應(yīng)具備豐富的工程實踐經(jīng)驗，在對專業(yè)理論深入理解的前提下，不斷地從生產(chǎn)實踐或科研工作中提煉加工出適合教學的案例，實現(xiàn)教學內(nèi)容和教學案例的有機融合。專業(yè)課程教學案例庫的建設(shè)改變了原有教學模式，將案例教學與實踐教學相結(jié)合，全面提升了學生的培養(yǎng)質(zhì)量，本案例庫的建設(shè)也可以為材料表面與界面、材料腐蝕與防護等課程教學提供有力的支撐。