《材料成型與加工》研究生課程案例式教學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川 643000）

《材料成型與加工》是材料與化工專業(yè)碩士學(xué)位課程，課程主要沿用了課堂講授為主的多媒體教學(xué)方式，相對教學(xué)方法比較單一，對充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性重視不夠，對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)不理想。此外，教學(xué)內(nèi)容與本科《材料工程基礎(chǔ)》等課程內(nèi)容存在交叉重復(fù)，教學(xué)內(nèi)容缺乏先進性，教學(xué)效果不甚理想。文獻[1-2]探討了專業(yè)學(xué)位碩士研究生的課程教學(xué)改革，實踐能力培養(yǎng)改革，培養(yǎng)模式創(chuàng)新等。案例教學(xué)最早在美國哈佛商學(xué)院教學(xué)中進行應(yīng)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(xué)以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

1.案例庫建設(shè)

案例庫建設(shè)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(shù)新工藝案例。案例庫建設(shè)強調(diào)綜合性、創(chuàng)新性、實用性、趣味性。

(1)建設(shè)目標

①提高材料碩士研究生基礎(chǔ)理論水平

通過案例教學(xué)，掌握材料加工的原理、材料性能及制備方法，使基礎(chǔ)理論與應(yīng)用結(jié)合。選用的案例結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，回歸工程教育本質(zhì)。

②提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力和推動教學(xué)方法改革

通過案例教學(xué)，一方面拓展研究生自主學(xué)習(xí)空間，改變學(xué)習(xí)模式；另一方面，提升和改變教師教學(xué)方法和方式，提高學(xué)生研究能力和實際動手能力，為研究生后續(xù)學(xué)習(xí)、研究過程打下基礎(chǔ)。

③提高研究生工程素養(yǎng)和綜合素質(zhì)

通過案例教學(xué)，增強師生互動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。加強校企聯(lián)系，推動校企合作，提高研究生工程素養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)對材料專業(yè)的認同感，激發(fā)研究興趣，培養(yǎng)實踐能力。

(2)可行性分析

案例庫建設(shè)是學(xué)生提升理論與實踐結(jié)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(lián)網(wǎng)等信息化手段為媒介，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，各相關(guān)課程、各教學(xué)單位之間可以積極開展案例研究、開發(fā)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(fā)、使用和共享的公共平臺。

2.案例教學(xué)實踐

(1)案例教學(xué)設(shè)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(nèi)容，部分案例教學(xué)項目見表1。

表1 部分案例教學(xué)項目一覽表

續(xù)表

案例教學(xué)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(xué)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(jù)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(xué)基本理論。通過案例啟發(fā)教育，使學(xué)生的理論知識得到進一步提高。這一部分，將《材料結(jié)構(gòu)與性能》《材料成型與加工》等幾門課程的知識串聯(lián)起來，融會貫通材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，選擇合適的加工方法，引導(dǎo)學(xué)生興趣，從而達到提高基礎(chǔ)理論水平和創(chuàng)新能力、實踐能力的目的。

材料加工制備是研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必要環(huán)節(jié)。案例包括材料加工制備的新技術(shù)、新方法等。如《聚醚醚酮（PEEK）的擠出成型》，案例根據(jù)給定的PEEK原料和擠出線材目標任務(wù)，選擇適合PEEK的擠出機及螺桿、模具和輔助設(shè)備等，制定合適的擠出成型工藝，分析擠出過程中可能出現(xiàn)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(jié)構(gòu)及基本操作，了解擠出成型的輔助設(shè)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(xué)

該案例教學(xué)方案包括教學(xué)目標、教學(xué)重點和難點及案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計等，具體方案如下。

①教學(xué)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(yǎng)學(xué)生分析解決實際問題的能力。

②教學(xué)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(xué)內(nèi)容設(shè)計

A.任務(wù)：高壓儲氫容器的材料選擇、制定成型與加工工藝。

B.預(yù)習(xí)

通過查閱文獻，了解和掌握以下內(nèi)容：

a.什么是氫能？為什么要大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)？國家有哪些相關(guān)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(xué)生制作PPT并講解，同學(xué)討論，老師點評。

D.知識拓展

對自貢市氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有什么建議？

E.參考文獻

《壓力容器設(shè)計手冊》《儲氫技術(shù)與材料》《氫能汽車藍皮書》、相關(guān)學(xué)術(shù)論文等。

(3)DN50×7.5mm PEEK/碳纖維復(fù)合管擠出工藝案例教學(xué)

該案例教學(xué)方案包括教學(xué)目標、教學(xué)重點和難點及案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計等，具體方案如下。

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

②教學(xué)重點：針對性的制定PEEK/碳纖維復(fù)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(xiàn)的問題。

③案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

A.任務(wù)

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(nèi)部油氣的高壓和外部環(huán)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(jù)給定的PEEK原料和擠出管材目標任務(wù)，選擇適合PEEK的擠出機及螺桿、模具和輔助設(shè)備等，制定合適的PEEK/碳纖維復(fù)合管材擠出成型工藝，分析PEEK/碳纖維復(fù)合管材擠出過程中可能出現(xiàn)的問題及解決方案。

B.預(yù)習(xí)

通過查閱文獻，了解和掌握以下內(nèi)容：

a.什么是PEEK？其具有哪些優(yōu)異的性能？PEEK與碳纖維制備復(fù)合管材的優(yōu)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(fù)合管材擠出成型的輔助設(shè)備有哪些？

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

e.PEEK/碳纖維復(fù)合管材擠出有哪些難點及其解決方法？

C.課堂討論

學(xué)生制作PPT并講解，同學(xué)討論，老師點評。

D.知識拓展

擠出機的結(jié)構(gòu)及其對制品性能的影響，怎樣制定高性能的PEEK/碳纖維復(fù)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(guān)學(xué)術(shù)論文等。

3.教學(xué)效果及存在的問題和改進措施

(1)教學(xué)效果

《高壓儲氫容器的成型與加工工藝》案例教學(xué)和《油氣輸送用碳纖維/PEEK復(fù)合管材擠出成型工藝》案例教學(xué)在材料與化工專業(yè)研究生中實施，進行了課堂討論，學(xué)生就案例教學(xué)的要求提交了設(shè)計方案?！陡邏簝淙萜鞯某尚团c加工工藝》部分學(xué)生提交的作業(yè)，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(fù)合管材擠出成型工藝》案例分析，學(xué)生的作業(yè)主要包括以下內(nèi)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(zhuǎn)速控制：對于PEEK/碳纖維復(fù)合材料加工過程中，盡量保證螺桿轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，避免螺桿轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，導(dǎo)致碳纖維在PEEK中的分布不均勻，影響擠出管材性能的穩(wěn)定；③油氣輸送用碳纖維/PEEK復(fù)合管材設(shè)計，滿足《SY/T 6662.2柔性復(fù)合高壓輸送管行業(yè)標準》要求。

(2)存在的問題和改進措施

①案例教學(xué)內(nèi)容的選取

案例教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，案例的選擇必須結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實際工作經(jīng)驗不足等因素綜合考慮[5]。現(xiàn)有的教學(xué)案例少而分散，部分案例缺乏行業(yè)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(xiàn)通用性、科學(xué)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(chǎn)實際。案例教學(xué)內(nèi)容的選取既要考慮教學(xué)內(nèi)容的先進性、創(chuàng)新性，又要考慮學(xué)生的理論知識水平和橫向拓展的知識面，同時學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗，因此教學(xué)內(nèi)容的選取和設(shè)計都要兼顧這些基本情況，既要達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程能力的目的，又要切合實際。

②教學(xué)手段多樣化

目前的案例教學(xué)大多根據(jù)《案例教學(xué)任務(wù)書》完成設(shè)計方案，略顯單一?？梢耘c現(xiàn)場教學(xué)項結(jié)合，或采用多媒體手段，或線上線下混合教學(xué)等手段進行互動，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到更好的教學(xué)效果。

③教師工程實踐能力的培養(yǎng)與提高

實施案例教學(xué)的教師首先要具備豐富的理論知識和工程經(jīng)驗，具有相關(guān)企業(yè)工作經(jīng)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(yè)從事材料成型與加工相關(guān)工作經(jīng)歷。隨著材料成型與加工技術(shù)的不斷進展，新材料新技術(shù)的不斷應(yīng)用，對教師也提出了更高的要求，需要通過從事科研或企業(yè)掛職等方式不斷地學(xué)習(xí)和提高工程教學(xué)能力。

4.結(jié)束語

案例教學(xué)有助于促進學(xué)生創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)，可以充分利用線上線下的教學(xué)資源，值得大力推廣。但案例教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)效果評價與反饋等方面都需要同步設(shè)計，教學(xué)手段多樣化，才能取得更好的教學(xué)效果。