案例教學模式在“鈦合金低成本加工技術”課程中的應用

董月成 王燕懷 張航 李鑫

[摘 要] 該文旨在說明，案例教學是一種將理論知識與實踐經(jīng)驗相結合的教學方式，案例教學在“鈦合金低成本加工技術”課程中的應用，通過案例材料將抽象事物具體化，使得該課程內容更加生動充實，在舉例說明的同時讓學生了解、甚至于掌握鈦合金低成本加工的相關知識。與傳統(tǒng)的教學方式相比，該教學模式更容易被學生理解與接受。運用案例教學模式，不僅達到了教學目標的要求，而且激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生善于思考、勇于探討的能力，更提升了學生的綜合能力，同時也提高了教學質量。

[關鍵詞] 案例教學;鈦合金低成本加工技術;教學目標;教學質量

[基金項目] 江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目（PPZY2015B128）;南京工業(yè)大學專業(yè)學位研究生案例教學課程建設項目;南京工業(yè)

大學專業(yè)學位研究生工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)重點案例建設項目;江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目（SJCX19_0324）

[作者簡介] 董月成（1985—），男，江蘇南京人，博士，南京工業(yè)大學材料科學與工程學院講師（通信作者），主要從事鈦合金及工程化應用研發(fā)。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0010-03? ? [收稿日期] 2019-11-13

一、引言

鈦合金具有強度高、耐腐蝕、高溫蠕變性能好等特點，是提高國防安全和國民經(jīng)濟不可或缺的戰(zhàn)略材料，廣泛地應用于石油化工、航空航天、海洋工程、生物醫(yī)療等領域，大幅提高了裝備的綜合性能，其性能優(yōu)勢也日益凸顯。但從另一方面來說，鈦合金又因其在高溫時與其他材料的化學反應性較差而不能使用傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術進行生產(chǎn)加工，導致其成本太過昂貴，進而限制了其在很多領域的應用。因此，開發(fā)高性能低成本鈦合金及其制備技術，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，對于促進鈦合金在國防和民用領域的應用具有重要意義。近年來，各國也都在積極開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進入具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領域。李海峰[1]等人以廉價Fe-Cr中間合金元素替代工業(yè)鈦合金中較貴的金屬V元素，設計出了一種新型Ti-6Al-xFe-yCr低成本合金。馮秋元[2]等人則是從鈦合金的加工技術方面著手，利用特殊的熔煉技術和及時添加返還料，來降低鈦合金的原料成本和加工成本。目前關于降低鈦合金成本的方法無外乎前面提到的兩種方法，即降低鈦合金原料成本和降低鈦合金加工成本。但由于鈦合金涉及的體系較多，內容復雜，傳統(tǒng)的教學方法受到了各方面因素的限制，不利于激發(fā)學生的學習興趣及培養(yǎng)學生的綜合能力。因而，我們需要找到一種除傳統(tǒng)教學方式之外更好的、更合適的教學方式來教授與鈦合金相關的內容。

由美國哈佛大學法學院院長克里斯托弗·哥倫姆布斯·朗道爾于1870年最先提出的案例教學方法[3]近年來引起了國內外教育者們的高度關注，也無疑是我們此次選擇教學方式的關注焦點。案例是為教學目標服務的，因此它具有典型性（即案例內容具有一定的代表性和普遍性，有助于學生從各個方面對所學理論加以驗證，從中得出正確結論），且應該與所對應的理論知識有直接的聯(lián)系，不但能引起學生的學習興趣，更能鍛煉及提升學生的創(chuàng)新思維能力，是一種很好的教學方式，目前已得到了廣泛應用。

本案例教學“鈦合金低成本加工技術”以開發(fā)鈦合金作為研究目標，從教學角度出發(fā)，將上述兩種方法應用于教學當中，是一門專門致力于開發(fā)低成本鈦合金的課程。該課程以教師本身所參加的科研項目為例，以開發(fā)低成本鈦合金作為研究目標，以“如何降低鈦合金加工成本”為問題導向，將前人有關于低成本鈦合金的研究成果與近年來國內外關于低成本鈦合金的研究趨勢相結合。通過鈦合金成分設計，優(yōu)化鈦合金的熔煉方式，縮短鈦合金產(chǎn)品的制備流程，提高鈦合金制備效率，實現(xiàn)鈦合金高均質、高潔凈、低成本、連續(xù)化制造等方面進行鈦合金低成本加工技術方案建設，系統(tǒng)地向學生展示鈦合金低成本加工方面的知識。主要從低成本鈦合金成分設計、低成本短流程鈦合金生產(chǎn)工藝的設計、鈦合金的3D打印技術設計三方面著手，啟發(fā)學生去思考，如何才能有效降低鈦合金的成本這一問題。在積極調動學生的思考能力的同時，將研究理論與教師的科研實踐相結合，講述了關于開發(fā)低成本鈦合金的主要方法及具體實施過程。這樣既有利于激發(fā)學生的學習興趣，也大幅度提高了教學質量，更能體現(xiàn)出案例教學模式的獨特價值。

二、案例教學模式

（一）特點

杜威說過，最好的一種教學，就是牢牢記住學校教材和實際經(jīng)驗二者相互聯(lián)系的接觸點[4]。而案例教學模式正好抓住了這一點，將尋找理論和實踐恰當結合點的作用發(fā)揮得十分有效。案例教學最大的特點就是具有案例型、主體性、互動性、問題性以及實踐性。“鈦合金低成本加工技術”這門課程就是僅僅抓住了案例教學的這些典型特性，教學過程中更加注重培養(yǎng)學生分析和解決問題、全面學習、人際交往以及其他方面的能力[5]。這也進一步說明了案例教學與其他傳統(tǒng)教學模式的區(qū)別，不僅教學材料從傳統(tǒng)的教科書轉化成了典型的案例材料，而且教學過程也不單單只是教師全程講授，反而是學生與學生之間、學生與教師之間的討論和辯論。就連教學目的也發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的教學主要是為了向學生傳授知識，而案例教學更注重培養(yǎng)學生方方面面的綜合能力。

（二）典型案例的選取

教學案例的質量高低，選用案例與教學目標、教學條件和學生自身情況的切合程度，都將直接影響案例教學的成敗[6]。所以怎樣選擇案例，才能更確切明了地說明問題且不失代表性與目的性，需要遵循以下幾個案例選取原則：

第一，需注重案例的真實性[6]。案例教學過程中所選的案例材料必須是真實發(fā)生過的，有理有據(jù)，有完整的過程記錄等等。這樣更容易使學生融入當時的情景，從自身真實感受出發(fā)，做出理性的分析與判斷。

第二，需注重案例的典型性[6-7]。所選案例要與教學內容與教學目的有高度關聯(lián)性，這樣更容易激發(fā)學生的思維和應變能力，達到真正的教學目的。

第三，選取的案例難度要適中[8]。選取案例的難易水平應該與學生的真實水平相輔相成，同步提升，保證每個學生都能參與其中，積極探討學習。

三、案例教學的具體內容

該案例教學以開發(fā)低成本鈦合金為主要目標，主要從鈦合金特點、成分設計、熔煉方式、制備流程等方面向學生介紹有關低成本鈦合金開發(fā)的相關知識，先讓學生初步了解有關低成本鈦合金相關的知識。進而成立案例討論小組，通過典型案例的講解、學生之間的互動、探討解決方案、學生動手實踐等，對之前學習的知識加以應用，以達到最終想要的教學效果。

（一）低成本鈦合金成分設計

想要得到低成本高性能的鈦合金，首先考慮的應該是其成分問題，這也是從降低鈦合金原材料成本來得到低成本鈦合金的一種方法。該方法應用已經(jīng)比較成熟，案例選取就拿大家最熟悉的Ti-6Al-4V來說，主要包括以下幾個方面：（1）采用相對廉價的元素進行鈦合金成分設計，如采用Fe、Nb等廉價元素代替V等昂貴元素，用O、N等元素代替Al元素，設計出一種新型鈦合金Ti-6Al-xFe/Ti-6Al-xNb，在保證鈦合金優(yōu)良綜合性能的前提下降低原料成本;（2）返回料回收利用，鈦合金生產(chǎn)過程中，由于切頭、切邊、表面車削清理等加工需要，會產(chǎn)生大量的鈦合金返回料，而返回料重復利用的成本只有海綿鈦原料的30%～40%。因此在熔煉合金鑄錠時大量添加返回料，可起到顯著降低原料成本的作用。（3）利用元素合金化原理，改善鈦合金的冷熱變形性能，降低變形抗力，從而降低鈦合金的加工成本。這不僅可以讓學生了解到鈦合金本來的面貌，還可以更深入的吸引學生，使其能夠在日后的學習當中找準思路，明確目標。

（二）低成本短流程鈦合金生產(chǎn)工藝的設計

目前最主流的生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠方法為真空自耗電弧爐（VAR），然而VAR技術不可避免的會出現(xiàn)宏觀和微觀偏析，殘鈦利用率低，不能有效去除高、低密度夾雜等，限制了其在熔煉高質量鈦合金中的應用。

本案例設計了一種開發(fā)鈦合金短流程連鑄連軋新型工藝技術。采用自主設計的連續(xù)進料系統(tǒng)、等離子槍冷床熔煉系統(tǒng)和管棒材一體化結晶器系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了鈦合金低成本短流程的制備工藝。相比較傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐（VAR）熔煉方式，該工藝省去了壓制電極，焊接電極等復雜工序，已逐步開展鈦合金熔體提純、鈦合金凝固等關鍵工藝技術方面的研究工作。本案例建設還是選取Ti-6Al-4V鈦合金棒材連鑄技術為對象，使學生更加深刻的了解，相比較傳統(tǒng)技術，通過短流程加工，如何將生產(chǎn)成本降低30%以上，從而引導學生進行更深入的思考。

（三）鈦合金的3D打印技術設計

3D打印技術集概念設計、技術驗證與生產(chǎn)制造于一體，可快速實現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時間。通過3D打印某些零件，可節(jié)約材料，3D打印所特有的增材制造技術能使原材料利用率高達90%，降低生產(chǎn)成本，沒有復雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時間，且可制造出形狀復雜的零部件?；谡n題組現(xiàn)有的研究成果及研究內容，也考慮到教師本身的教學目標。針對鈦合金3D打印技術在航空航天領域的廣泛應用背景，對實現(xiàn)薄壁、復雜鈦合金產(chǎn)品的整體化制造上的成本優(yōu)勢進行重點案例教學。這一重點案例教學，利于學生對比傳統(tǒng)工藝與新型工藝之間的優(yōu)缺點，在這里除了突出3D打印這一熱門技術的先進性，更多的是想呈現(xiàn)其局限性，以及傳統(tǒng)加工工藝的優(yōu)點，使學生了解到，傳統(tǒng)并不意味著落后，新型也并不意味著萬能，引發(fā)學生對研究方向的思考。

四、結束語

在“鈦合金低成本加工技術”的教學過程中，通過采用案例教學模式，讓學生了解低成本鈦合金生產(chǎn)過程，包括成分設計、加工方法選擇以及加工流程等。通過對傳統(tǒng)加工方法與新型加工工藝的對比，拿大家熟悉的案例作為教學材料，巧妙的將理論與實際結合起來，將學生置身于整個教學情境當中，使得學生能積極參加討論交流，并且能很好的理解并掌握一些比較抽象的理論知識，鍛煉了學生獨自思考的能力，提高了學生的學習熱情，同時也提高了整個課程的教學質量，達到了教學目標。

參考文獻

[1]李海峰，董福宇，張悅，等.低成本Ti-Al-Fe-Cr合金的組織與性能研究[J].熱加工工藝，2017（04）：73-75+79.

[2]馮秋元，佟學文，王儉，等.低成本鈦合金研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].材料導報，2017（5）.

[3]曹鍵財，謝東瑩.共探職業(yè)指導課程設計與案例的融合[J].課程教育研究，2013（7）：35-35.

[4]關秋，陳梅.案例教學的理論研究綜述[J].教育與職業(yè)，2011（20）：147-148.

[5]魏可媛，趙勇.普通高校教學質量評價體系建設-基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的視角[M].南昌：江西人民出版社，2018.9.

[6]鄧秀煥，方紅.案例教學綜述[J].連鎖與特許：管理工程師（11期）：44-45.

[7]辛立軍，陳明華，周岐，等.案例教學法在焊接結構課程教學中的應用[J].遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2019，21（01）：124-126.

[8]孫汝杰.基于情景案例的文獻檢索課程設計[J].上海高校圖書情報工作研究，2014（02）：24-26.

Application of Case Teaching Model in Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy

DONG Yue-cheng，WANG Yan-huai，ZHANG Hang，LI Xin

（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing，Jiangsu 211816，China）

Abstract：Case teaching is a teaching method that combines theoretical knowledge with practical experience.Case teaching is applied in the course on Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy.The case material is used to embody the abstract things，making the content of the course more vivid and fulfilling.At the same time，the students can understand and master the knowledge about low-cost processing of titanium alloy.Compared with traditional teaching methods，case teaching method makes the relevant knowledge? more easily understood and accepted by students.The use of the case teaching model not only meets the requirements of the teaching objectives，but also stimulates students' interest in learning，cultivates their ability to think and explore，enhances their comprehensive ability，and improves the teaching quality.

Key words：case teaching;Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy;teaching objectives;teaching quality