材料加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程教學(xué)案例庫建設(shè)

河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018

《教育部關(guān)于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》中指出“深化專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革，提高培養(yǎng)質(zhì)量”，明確了研究生培養(yǎng)需充分認(rèn)識(shí)加強(qiáng)案例教學(xué)和基地建設(shè)的重要意義，加強(qiáng)案例教學(xué)，改革教學(xué)方式，加強(qiáng)基地建設(shè)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)結(jié)合，加大投入，完善政策配套和條件保障[1]。因此在研究生培養(yǎng)教育中，需著力建設(shè)教學(xué)案例，并將案例應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中。案例教學(xué)是采用開放式、互動(dòng)式的教學(xué)方法，將實(shí)際案例與理論知識(shí)結(jié)合，基于實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的教學(xué)方法[2]。案例教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)法充分結(jié)合的模式，是實(shí)現(xiàn)高校培養(yǎng)具有較強(qiáng)理論能力與應(yīng)用能力的材料科學(xué)專業(yè)高級(jí)人才的有效途徑之一。

從20世紀(jì)初哈佛商學(xué)院開始實(shí)施案例教學(xué)至今，我國已有部分高校和研究機(jī)構(gòu)在研究生的培養(yǎng)過程中實(shí)施了案例教學(xué)，在一些課程內(nèi)建立了一定數(shù)量和規(guī)模的教學(xué)案例庫[3]。但由于對案例教學(xué)的內(nèi)涵及作用機(jī)制缺乏準(zhǔn)確深入的了解，案例教學(xué)效果未能充分顯現(xiàn)出來[2]。案例不是例子，不是所有的教學(xué)事件都可以成為案例[4]。案例教學(xué)的目的不是簡單地傳授知識(shí)，也不是進(jìn)行一味地理論詮釋或知識(shí)深化。其教學(xué)目的不是單一的教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”，而是教師與學(xué)生，尤其是學(xué)生之間的交互式學(xué)習(xí)，是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)教學(xué)事件的真實(shí)體現(xiàn)[5]。因此，建設(shè)一個(gè)完整的案例，最重要的環(huán)節(jié)是案例教學(xué)過程合理設(shè)計(jì)。通過分析專業(yè)案例的教學(xué)目標(biāo)，采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，設(shè)計(jì)科學(xué)的思考問題，提供啟發(fā)性的分析路徑及邏輯，解決問題或得出確定的答案，最終實(shí)現(xiàn)該案例教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)[6]。

1 課程案例庫實(shí)施目的

材料科學(xué)與工程和材料工程學(xué)科及其相關(guān)技術(shù)是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國防建設(shè)的基礎(chǔ)，培養(yǎng)的專業(yè)人才在航空航天、汽車、船舶、能源、機(jī)械等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著不可替代的作用。按照現(xiàn)有課程內(nèi)容和教學(xué)模式培養(yǎng)，學(xué)生會(huì)缺乏主動(dòng)思考和創(chuàng)造的能力，不能將理論知識(shí)和專業(yè)所學(xué)擴(kuò)展應(yīng)用至科學(xué)研究和實(shí)際問題中，缺少了系統(tǒng)的教學(xué)案例和綜合實(shí)踐，限制了學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，與專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)不符[7]。

材料加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程是河北科技大學(xué)面向材料科學(xué)與工程學(xué)科的學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士研究生開設(shè)的實(shí)踐課程，目的是通過課程系統(tǒng)的案例庫教學(xué)和綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，將理論課程所學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)聯(lián)系并應(yīng)用，形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。使學(xué)生了解專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、原理及其驗(yàn)證，具備開展材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的試樣制備、性能檢測、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和先進(jìn)加工的能力，幫助學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)知理論，提高設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和開拓思維。

2 課程案例庫建設(shè)內(nèi)容

材料學(xué)科研究生開展專業(yè)研究過程，需對材料微觀組織、力學(xué)性能和制備工藝進(jìn)行檢測和分析，進(jìn)而研究材料的組成結(jié)構(gòu)、合成加工、基本性質(zhì)及使役性能等要素和它們之間相互關(guān)系的規(guī)律，并研究材料的生產(chǎn)過程及其技術(shù)[8]。材料加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程內(nèi)容主要涵蓋數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)、材料力學(xué)性能測試與分析綜合實(shí)驗(yàn)和3D數(shù)字化測量與制造綜合實(shí)驗(yàn)。因此，結(jié)合材料學(xué)科特點(diǎn)和課程目的，材料加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程案例庫主要包括典型材料檢測試樣制備、工程材料力學(xué)性能測試和數(shù)字化測量與制造等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)常規(guī)材料加工方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)掌握先進(jìn)材料加工、試樣制備、性能檢測和測量等方法及其過程，引導(dǎo)學(xué)生思考和拓展思維，通過案例的學(xué)習(xí)和實(shí)施，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，啟發(fā)學(xué)生將相關(guān)實(shí)驗(yàn)及技術(shù)應(yīng)用到具體科學(xué)問題中，具體案例庫包括以下幾方面。

2.1 應(yīng)用數(shù)控加工樣件提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量案例

通過本案例實(shí)施，使學(xué)生掌握數(shù)控線切割加工原理，熟悉編程坐標(biāo)依據(jù)、代碼組成和手工編程，能夠根據(jù)要求進(jìn)行手工編程和軟件自動(dòng)編程，根據(jù)加工試樣和制件進(jìn)行設(shè)備操作和加工，提高學(xué)生動(dòng)手能力和開拓性思維能力。并根據(jù)設(shè)備和圖紙選擇入絲點(diǎn)和加工路徑，結(jié)合尺寸要求和制件質(zhì)量對脈沖寬度、脈沖間隔、電壓等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

2.2 萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測量材料性能案例

本案例結(jié)合典型性能測定實(shí)驗(yàn)，從材料力學(xué)性能測試方法的現(xiàn)狀入手，使學(xué)生了解材料性能測試的方法和目的，學(xué)習(xí)萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理以及操作使用方法；分析所得數(shù)據(jù)的可靠性，明確名義應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。要求學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施，能夠準(zhǔn)確使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測量材料力學(xué)性能，并對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)技術(shù)的工作基本原理，能夠了解不同的材料力學(xué)性能測試的特點(diǎn)和區(qū)別。

2.3 三坐標(biāo)測量原理及典型件測量案例

通過三坐標(biāo)掃描儀對焊接板進(jìn)行激光掃描，在逆向處理軟件中進(jìn)行點(diǎn)云的處理，處理完成后導(dǎo)出igs格式文件，并在三維建模軟件中完成與焊接板件同樣大小的板件模型，用于作為比較焊接板前后的翹曲情況研究，在質(zhì)量分析Geomagic Qualify軟件中進(jìn)行焊接板件翹曲情況的誤差分析，并生成焊接板件翹曲分析報(bào)告。通過本案例的實(shí)施，使學(xué)生了解三坐標(biāo)測量儀的應(yīng)用，能根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)和儀器設(shè)備進(jìn)行典型件的檢測和分析，能夠通過案例的啟發(fā)將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用至其他產(chǎn)品檢測分析和其他領(lǐng)域，提升學(xué)生處理數(shù)據(jù)、誤差分析、實(shí)際應(yīng)用的能力。

2.4 3D數(shù)字化技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用案例

以某螺旋槳為原型，利用研究測量和建模的技術(shù)，還原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。借此對螺旋槳逆向設(shè)計(jì)，闡述在實(shí)際產(chǎn)品中逆向工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代螺旋槳的設(shè)計(jì)與制造中，將改變螺旋槳制造的設(shè)計(jì)思想，極大縮短螺旋槳的設(shè)計(jì)周期。將其應(yīng)用到螺旋槳曲面重建的設(shè)計(jì)與制造中，完成了螺旋槳曲面數(shù)據(jù)的三維激光掃描和螺旋槳點(diǎn)云的優(yōu)化處理，重構(gòu)螺旋槳曲面，提出一套新穎的螺旋槳逆向再設(shè)計(jì)方法，為以后直升機(jī)螺旋槳的設(shè)計(jì)與制造提供了新的思維。主要使學(xué)生了解材料加工過程中逆向工程技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，掌握逆向技術(shù)在工業(yè)中的典型應(yīng)用，熟悉其軟、硬件操作過程，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)方法和技術(shù)研究各類工科及其相關(guān)學(xué)科，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.5 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)案例

本案例結(jié)合數(shù)值模擬DYNAFORM軟件對汽車覆蓋件拉延工序的仿真過程，詳細(xì)地闡述了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的整個(gè)過程，以凹模圓角半徑、沖壓速度、拉延筋、摩擦系數(shù)和壓邊力等工藝參數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，針對汽車覆蓋件成形過程可能產(chǎn)生的破裂、起皺、回彈等缺陷，選擇最佳工藝參數(shù)組合。從而對汽車覆蓋件的加工工藝起指導(dǎo)作用。有利于全面深入地了解正交實(shí)驗(yàn)對于解決多因素影響實(shí)踐的重要性，便于學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法，開拓學(xué)生的創(chuàng)新性思維，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過理論講授結(jié)合具體正交實(shí)驗(yàn)案例，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法原理，了解正交實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中的應(yīng)用，能夠根據(jù)多因素多水平實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算，達(dá)到獲取最優(yōu)或較優(yōu)方案的目的。

3 課程案例庫實(shí)施過程及效果

案例教學(xué)于2016年開始至今，在2014級(jí)和2015級(jí)研究生的材料加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程中實(shí)施。理論教學(xué)講授課程理論和原理，實(shí)踐教學(xué)講授設(shè)備操作和具體實(shí)驗(yàn)，案例部分在實(shí)踐課程中實(shí)施，學(xué)生根據(jù)具體案例進(jìn)行分組、討論和實(shí)施。通過上述案例教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的求知興趣，提高了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決科學(xué)問題的能力。通過具體問題與工程實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)分析與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將專業(yè)知識(shí)深入拓展至科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)過程中并有效開展，使學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)材料科學(xué)的知識(shí)體系和專業(yè)內(nèi)涵。

學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐后，改變了之前無教師就無法獨(dú)立開展系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，并能充分利用實(shí)驗(yàn)室資源開展創(chuàng)新活動(dòng)和科研工作。部分學(xué)生參加了2016年和2017年全國3D創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)；參加全國鍛造仿真大賽獲一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，并代表中國參加國際比賽獲第四名；獲批河北省研究生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目兩項(xiàng)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和分析解決問題能力得到明顯的提升，發(fā)表論文的水平逐年提高。

4 結(jié)論

(1)將理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)與案例教學(xué)相結(jié)合，重點(diǎn)突出學(xué)生系統(tǒng)思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，使學(xué)生理解研究生階段科學(xué)研究的重要性。通過案例教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生綜合技能應(yīng)用能力，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。

(2)合理地設(shè)計(jì)教學(xué)案例及其實(shí)施過程，將專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合，采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，設(shè)計(jì)科學(xué)的思考問題，把教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生充分融入案例實(shí)施過程，最終實(shí)現(xiàn)案例教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。

(3)通過系統(tǒng)的案例教學(xué)和綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生受到更加系統(tǒng)、完整的科研基礎(chǔ)能力訓(xùn)練，有利于提高科研水平，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生全面可持續(xù)發(fā)展，以適應(yīng)社會(huì)需求。