基于項目驅動法的“摩擦學基礎”教學改革探索

康嘉杰，岳 文，王成彪，楊義勇，付志強，朱麗娜

中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083

教學方法

基于項目驅動法的“摩擦學基礎”教學改革探索

康嘉杰，岳 文，王成彪，楊義勇，付志強，朱麗娜

中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083

本文將項目驅動教學法應用于專業(yè)課程“摩擦學基礎”的教學改革，重點介紹了在“摩擦學基礎”教學中實施項目驅動法的具體過程，包括項目計劃擬定、項目的實施、項目的結果評價等。實踐表明，基于項目驅動法的“摩擦學基礎”教學模式發(fā)揮了學生的主動性，取得了良好的教學效果。

摩擦學基礎；項目驅動教學法；教學改革

fundamentals of Tribology; project driving teaching method; teaching reform

一、課程特點

“摩擦學基礎”課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)本科生的一門專業(yè)課，旨在培養(yǎng)學生的機械設計基本技能，提高學生機械學的理論水平。課程教學著重于基本摩擦學理論，使學生了解材料摩擦和磨損的基本原理，以及典型零部件的失效特征與基本分析方法，掌握耐磨材料選擇的原則；在實踐方面，著重于使學生掌握先進的表面工程技術和防護方法。最終使學生具有運用摩擦學基本理論，基于先進表面工程技術，解決典型易損機械零部件的磨損防護與摩擦學設計的能力。

摩擦學是一門實踐性很強的技術基礎學科，它的形成和發(fā)展與社會生產要求和科學技術的進步密切相關[1]。早在春秋時期，魯、齊國宮中都設有官員專門負責掌管車子的安全與潤滑，詩經中“爾之安行，跡不遑舍，爾之亟行，遑脂爾車”就描繪了給車子加油潤滑的場景；公元前1880年，古埃及人使用滑橇搬運巨大雕像時，也有奴隸專門負責在滑橇上添加潤滑劑。1965年，英國教育科學研究部發(fā)表《關于摩擦學教育和研究報告》，首次提出Tribology(摩擦學)一詞，此后，摩擦學作為一門獨立的學科受到世界各國工業(yè)界和教育研究部門的普遍重視。隨著研究模式和研究范疇的不斷發(fā)展，摩擦學成為一門涉及機械學、力學、材料學、物理學和物理化學等的交叉學科，從而開創(chuàng)了多學科綜合研究的模式[2]。

中國科學院咨詢研究項目《摩擦學科學及工程應用現狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡稱“咨詢項目”）報告中統計得出，2006年全國消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金估計為9500億元，其中如果正確運用摩擦學知識可以節(jié)省的人民幣估計可達3270億元，占國內生產總值GDP的1.55%，由于摩擦學在國家工業(yè)和高新技術、軍事裝備中的巨大潛力，咨詢項目向教育部提出以下重要建議：（1）加強摩擦學的學歷教育和繼續(xù)教育，培養(yǎng)層次合理的摩擦學專門人才；（2）選定若干所大學設立摩擦學繼續(xù)教育中心，定期對企業(yè)中的各級管理、技術人員和技工進行繼續(xù)教育和崗位培訓，以普及和更新摩擦學知識，強化摩擦學意識；（3）將摩擦學列為大專院校機械類和材料類專業(yè)的必修課（專業(yè)基礎課），引導和鼓勵某些非機械類專業(yè)（如生物、醫(yī)學、環(huán)境、化工等專業(yè)）學生選修摩擦學課程，將摩擦學設為“機械工程”一級學科中的二級學科[3]。

目前，包括中國地質大學（北京）在內的多所高校將“摩擦學基礎”等相關課程設置為專業(yè)基礎課或專業(yè)選修課，對培養(yǎng)掌握摩擦學理論與技術的優(yōu)秀人才起到了積極的作用。但是，縱觀全國，熟練掌握摩擦學理論和相關技術，并能解決摩擦學方面問題的專門人才數量還不能滿足工業(yè)部門的需要。因此，對于機械等專業(yè)本科生開展摩擦學理論與技術的教育還需繼續(xù)加強。

二、傳統教學方法的局限性

目前，我校“摩擦學基礎”專業(yè)課基本還停留在傳統的“講授+實驗”教學模式。教師通過多媒體教學，借助圖片和視頻向學生講授摩擦學的基本理論，包括固體表面特性、固體的摩擦、潤滑原理和磨損機理等，然后基于典型零部件失效特征與分析，引出耐磨材料的選擇和各種先進的表面工程技術。并通過實驗課，基于機械工程實驗教學中心的表面強化設備（如離子硫化和氮化設備、多弧離子鍍和磁控濺射設備等）以及摩擦學試驗機，使學生通過親自動手和觀摩等形式掌握數種常用的表面強化技術，以及材料的摩擦學性能測試方法。目前，傳統的授課模式下學生對于摩擦學基礎理論知識和相關技術有了較好的了解和掌握，但是也表現出理論與實踐的聯系不夠緊密，對于摩擦學理論與表面工程技術綜合運用存在缺陷的問題。由于摩擦學具有實踐性強和多學科交叉的特點，筆者基于項目驅動教學法對“摩擦學基礎”課程的教學模式進行了探索和改革。

三、項目驅動法在課程教學中的實踐探索

項目驅動教學法是基于CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate，即構思、設計、實現、運行）理念的當代教學模式[4]。項目驅動教學法是以一個完整的項目任務為主線貫穿整個教學過程，以實現項目為目標，主要包括項目計劃擬定、項目的實施、項目的結果評價等幾個重要部分[5]?；陧椖框寗咏虒W法進行的課程設置，是以項目為主線，以學生為中心，教師主要負責項目任務的分配，以及項目實施過程中的指導和監(jiān)督，最終和學生們一起進行項目結果的評價。從而最大限度地發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，實現陶行知先生所倡導的“教學做合一”。由于摩擦學具有實踐性強和理論與實際聯系緊密的特點，使得項目驅動教學法可望在“摩擦學基礎”的教學過程中取得令人滿意的教學效果。下面以教學改革實施過程中一個典型項目為例，來說明基于項目驅動教學法的“摩擦學基礎”課程教學實踐探索情況。

1. 項目計劃擬定

根據我國各行業(yè)中（冶金、鐵道、汽車、能源化工、地質裝備、農業(yè)裝備、船舶、軍事裝備、航空航天等）存在的與摩擦、磨損和潤滑相關的實際問題，由教師提出若干項目。如內燃機車活塞—氣缸摩擦副的抗磨強化處理技術方案及經濟性分析；重型汽車變速箱齒輪表面強化和潤滑油添加劑綜合技術方案；收割機刀片的磨損失效分析和強化技術；石油鉆桿的失效機制和表面耐磨耐蝕強化技術方案；等。

下面以具有能源和地質特色的項目—石油鉆桿的失效機制和表面耐磨耐蝕強化技術方案為例，展示學生在項目具體實施中的學習情況和教學效果。

2. 項目的實施

經分組，石油鉆桿的失效機制和表面耐磨耐蝕強化技術方案項目由4人小組承擔，在小組成員的自主學習和教師的積極指導下，共同完成本項目的實施。

（1）項目的任務分析。

由于本項目具有鮮明的地質和能源背景，組內學生通過查閱相關文獻、著作和標準，整理出本項目需要完成的任務：了解和掌握石油鉆桿的機械結構；明確鉆桿材料的化學成分和理化性能；分析鉆桿在服役過程中的受力狀態(tài)和腐蝕介質作用；基于服役環(huán)境擬定鉆桿的表面強化方法并設計評價方案。本項目涉及機械學、材料學、力學、化學和表面工程等多個學科。

（2）項目的分工。

通過對項目任務的分析，4人小組在教師的監(jiān)督和指導下進行了項目分工，具體分工情況如下：① 明確典型石油鉆桿的形狀參數和材料，查詢鉆桿的化學成分和主要機械性能參數（硬度、強度、彈性模量、泊松比等），并利用有限元模擬軟件建立模型。② 分析鉆桿在鉆進和提鉆過程中的載荷譜，將其施加在有限元模型中，分析應力集中區(qū)域的分布規(guī)律以及磨損失效機制，并明確鉆桿服役時鉆井液的主要成分和腐蝕介質指標；③ 針對鉆桿服役中承受的力學和化學破壞過程，選定合適的表面強化技術和強化層材料體系，④ 基于實驗室設備儀器，擬定強化層的摩擦學性能評價方案并進行模擬實驗。在本項目中，小組的4位同學分工明確，并在項目實施過程中互相探討，全組同學齊心協力完成整個項目，并各有側重點。

（3）項目的具體實施。

本項目以學生為主體，以教師為主導，項目的具體實施過程為教學的主要階段，實現“教學做合一”。

項目分工①：學生選取常用鉆桿材料34CrMo4鋼，并通過查閱文獻資料，確定石油鉆桿的形狀參數和硬度、強度等主要機械性能指標，基于有限元模擬軟件完成鉆桿零部件的建模。

項目分工②：基于項目分工①的工作，進行鉆桿的有限元分析，發(fā)現在鉆進和提鉆過程中，鉆桿的接頭部位會承受拉應力或壓應力，而鉆桿表面會與鉆屑發(fā)生磨粒磨損，并在堿性飽和鹽水鉆井液中腐蝕介質的作用下發(fā)生腐蝕磨損。

項目分工③：基于項目分工②對鉆桿在服役工況中典型磨損機制的分析，通過調研資料，確定以熱噴涂的方式對鉆桿易損表面進行強化，選擇超音速火焰噴涂技術在34CrMo4鋼鉆桿表面制備WC-CoCr涂層，發(fā)揮超音速火焰噴涂技術涂層結合力高、孔隙和微缺陷少的優(yōu)勢，結合WCCoCr金屬陶瓷涂層兼顧韌性、耐磨性和耐蝕性的特點，全面提升石油鉆桿的耐磨耐蝕性能。

項目分工④：基于機械工程實驗教學中心的摩擦學實驗機，針對制備有WC-CoCr涂層的試樣進行模擬摩擦磨損實驗，考察和評價強化后試樣的摩擦學性能。

在整個項目實施過程中，學生遇到了各種問題和困難，通過自主學習和教師的指導，均圓滿完成了項目分工。在各分工階段，采取1個學生負責，其他學生參與討論，教師進行監(jiān)督指導的模式。在交流和討論的過程中，激發(fā)了學生的主動性和積極性，通過互相的質疑和討論，不但全方面多角度地學習了知識，還鍛煉了學生發(fā)現問題和團隊協作的能力。

3. 項目的結果評價

在小組4位學生的分工協作下，項目圓滿完成。對于項目結果的評價，采取學生自評與互評，以及教師評價相結合。各位同學針對自己所完成的分工撰寫分工階段報告，整個小組一起撰寫一份項目結題報告，基于“評價+報告”這種開放多元的考核方式，較為全面準確地評價各位學生對摩擦學理論知識和相關技術的掌握程度，給出合理的評分。

四、項目驅動法在課程教學中的難點和關鍵點

項目驅動教學法應用于“摩擦學基礎”課程教學中的難點包括以下兩點。(1) 項目任務難度和量的合理性。項目任務的難度和所涉及的專業(yè)知識量應較為合理，避免需要學習過多的新知識而消耗過多的時間和精力，使學生無法在固定的課時內完成任務，使教學效果大打折扣。(2) 項目小組組員貢獻的合理評價：雖然分工不同，但是項目還是在全體組員的共同努力下完成的，需要注意到不同個體付出的時間、精力和對結果的貢獻程度也不盡相同，因此在驗收項目時需依據組員的貢獻程度給出合理成績，以免打消同學們的積極性。可見項目驅動法在“摩擦學基礎”課程教學中成功應用的關鍵點在于保證項目任務的合理性和評價驗收環(huán)節(jié)的公平準確。

五、結束語

與傳統“講授+實驗”的教學方法相比，將項目驅動教學法應用于“摩擦學基礎”的教學過程中取得了可喜的效果，項目驅動教學法體現出了以下優(yōu)點。(1) 實踐性強：給出的項目面向各工業(yè)部門中“看得見、摸得著”的典型易損機械零部件，便于學生在實踐中掌握理論知識和相關技術。(2) 主動性強：學生拿到項目任務后，成為教學過程的主體，需要主動查閱資料，在教師的指導下學習理論知識，并將理論與實踐結合起來，以完成項目提出的任務。(3) 綜合性強：在自主完成項目的過程中，需要將不同學科的知識綜合運用，包括機械學、材料學、力學、化學等，具有很強的學科綜合性和交叉性。(4) 評價合理：由于整個教學過程是以某個項目為主線，在項目的任務分析、計劃擬定和分工以及項目實施過程中，每個學生的任務都是較為明確的。在最終評價時能很好地反映學生在整個項目實施過程中的學習能力和學習態(tài)度，結合平時的項目不同分工階段的報告和最終的項目結題報告，可以使評分更為合理地反映學生對摩擦學理論知識和相關技術的掌握程度。

[1] 劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性[M].北京：清華大學出版社，1993.

[2] 溫詩鑄，黃平.摩擦學原理[M]. 北京：清華大學出版社，2002.

[3] 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2011-2020)[M].北京：科學出版社，2010.

[4] 俞國燕，王貴，劉煥牢,等.機械類專業(yè)項目驅動式實踐教學模式的探索與實踐[J].中國大學教學，2014(12)：79-80.

[5] 馮冬菊，王丹虹，徐占國.基于項目驅動的機械制圖教學改革[J].實驗室科學，2012，15(3)：25-27.

G642

A

1006-9372（2016）03-0032-03

2016-03-10。

中國地質大學（北京）教學改革項目《機械工程實踐教學體系的改革和創(chuàng)新》（JGYB201404）。

康嘉杰，男，講師，主要從事機械工程的教學和研究工作。

投稿網址： www.chinageoeducation.net.cn 聯系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

康嘉杰, 岳文, 王成彪, 等.基于項目驅動法的“摩擦學基礎”教學改革探索[J].中國地質教育，2016，25（3）：32-34.

Title: Reform on the Course of Fundamentals of Tribology Based on Project Driving Method

Author(s): KANG Jia-jie, YUE Wen, WANG Cheng-biao, YANG Yi-yong, FU Zhi-qiang, ZHU Li-na