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

王燦明，馬慶超，宋強(qiáng)，崔洪芝

（1.山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)新產(chǎn)品、新技術(shù)和創(chuàng)新型人才的需求日益迫切，對(duì)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(guó)際接軌，具有工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的專業(yè)化人才。我國(guó)自2016年正式加入國(guó)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(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的理念，推行基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出（OBE）”導(dǎo)向的先進(jìn)教育模式[1,2]。以能力培養(yǎng)為中心，以學(xué)生為主體，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變成“我要學(xué)”，完成從“以內(nèi)容為中心”到“以能力培養(yǎng)為中心”的教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變[3,4]。這對(duì)高校專業(yè)課程的教學(xué)提出了更高要求，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)方式方面均應(yīng)做出相應(yīng)的變革。

傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師課堂講授為主，輔以作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)，最后采取期末考試的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取主要是被動(dòng)的灌輸，而不是通過主動(dòng)思考和探索獲取知識(shí)，對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和靈活運(yùn)用能力也缺乏必要的訓(xùn)練，實(shí)質(zhì)上是一種教師教什么、學(xué)生記什么的惰性方法[5]。針對(duì)具體的專業(yè)課程，結(jié)合工程應(yīng)用或科研工作設(shè)計(jì)教學(xué)案例，采用案例式教學(xué)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺點(diǎn)。案例式教學(xué)起源于哈佛大學(xué)的情景案例教學(xué)課，教師根據(jù)教學(xué)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)案例，組織學(xué)生針對(duì)案例內(nèi)容進(jìn)行資料查閱、思考、分析和討論，主動(dòng)獲取相關(guān)知識(shí)，并學(xué)會(huì)如何靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，從而提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力[6-9]。案例式教學(xué)的核心在于教學(xué)案例的選擇和內(nèi)容的設(shè)計(jì)，合適的教學(xué)案例會(huì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到事半功倍的效果，否則會(huì)事倍功半，甚至讓學(xué)生無所適從，無法體現(xiàn)案例式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。因此，針對(duì)具體的授課內(nèi)容，如何選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)案例以及教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)等成為廣受關(guān)注的教學(xué)改革內(nèi)容。針對(duì)該教學(xué)改革內(nèi)容，筆者結(jié)合多年的教學(xué)和科研工作，以材料表面技術(shù)類課程教學(xué)為例，探討案例式教學(xué)方法的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與實(shí)踐。

1 課程介紹與案例教學(xué)改革

材料表面工程技術(shù)是山東科技大學(xué)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(xué)習(xí)，學(xué)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(diǎn)，對(duì)表面工程技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀有初步的認(rèn)識(shí)和了解；針對(duì)典型工況環(huán)境下的機(jī)械零件，具備制定材料表面改性工藝路線、實(shí)施方案并對(duì)改性表面進(jìn)行組織成分、形貌觀察、性能測(cè)試及分析的基本能力。該課程所涉及教學(xué)內(nèi)容和工業(yè)生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，授課時(shí)間安排在大三下學(xué)期，因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)完成了對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體相變、材料分析測(cè)試技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)，掌握了基本的專業(yè)理論知識(shí)，為該課程實(shí)施案例教學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)。

該課程授課內(nèi)容和山東科技大學(xué)材料學(xué)科專業(yè)特色研究方向緊密結(jié)合，授課教師長(zhǎng)期從事該領(lǐng)域的科學(xué)研究，與海工、冶金、船舶等行業(yè)企業(yè)建有產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系。在學(xué)生已經(jīng)具備一定理論知識(shí)和實(shí)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(xué)和工程實(shí)踐課題與學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)科研工作結(jié)合，把重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容開發(fā)成教學(xué)案例，并引入課堂教學(xué)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索精神，學(xué)會(huì)把專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于工程或科研實(shí)踐，全面提升其分析問題和解決問題的能力，達(dá)成專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)[10，11]。將企業(yè)生產(chǎn)中的課題和科研項(xiàng)目開發(fā)成教學(xué)案例，并引入專業(yè)課程的教學(xué)，建設(shè)高質(zhì)量的案例庫(kù)，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)具有重要作用，也是高校課程教學(xué)改革的趨勢(shì)和重要目標(biāo)。

2 案例庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 超音速噴涂耐磨蝕陶瓷涂布刮刀技術(shù)教學(xué)案例

該案例來源于校企合作項(xiàng)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(jì)的教學(xué)案例。陶瓷涂布刮刀是造紙行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵品和易損耗品，該產(chǎn)品早期全部依賴進(jìn)口，目前在中低端產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但高端產(chǎn)品仍然被國(guó)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(xué)生的愛國(guó)心和對(duì)該產(chǎn)品的科研興趣，進(jìn)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(dǎo)學(xué)生查閱資料，對(duì)耐磨蝕材料、涂層制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)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(xué)生在掌握超音速噴涂技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過與實(shí)踐結(jié)合，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法解決生產(chǎn)中的問題，可以更好地為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

2.2 煤氣化爐管壁防護(hù)涂層技術(shù)教學(xué)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(jì)的教學(xué)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(yán)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(jìn)行表面防護(hù)，高溫抗沖蝕涂層材料的設(shè)計(jì)、高性能涂層制備技術(shù)的研究一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。結(jié)合該案例教學(xué)，使學(xué)生了解材料在高溫腐蝕性氛圍下的失效機(jī)理，熟悉高溫防護(hù)涂層材料的選擇依據(jù)，適用于現(xiàn)場(chǎng)施工的涂層制備工藝，以及提升產(chǎn)品性能的改進(jìn)措施等。在教學(xué)過程中，需要設(shè)計(jì)好明確的課題要求，合理限制查閱資料的范圍和方向，引導(dǎo)學(xué)生更有效率地收集資料，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行大膽的創(chuàng)新，對(duì)于有價(jià)值的創(chuàng)意和思路，結(jié)合科研工作讓學(xué)生在課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 石油行業(yè)抽油管的鍍層強(qiáng)化技術(shù)教學(xué)案例

該案例來源于企業(yè)合作項(xiàng)目“鎳碳復(fù)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(jì)的教學(xué)案例。抽油管長(zhǎng)度一般8-12m，內(nèi)徑φ48-100mm 等不同規(guī)格，這種細(xì)長(zhǎng)管件的內(nèi)壁強(qiáng)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(duì)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?；诠ぜY(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(xué)生查閱資料進(jìn)行涂鍍層結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，在應(yīng)用實(shí)踐中掌握電鍍?cè)?、工藝特點(diǎn)及影響鍍層性能的因素等知識(shí)。電鍍液中含有重金屬離子，對(duì)水源有污染，目前國(guó)家制訂了嚴(yán)格的電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，電鍍技術(shù)的發(fā)展也朝著綠色無污染方向前進(jìn)。通過該案例教學(xué)的實(shí)施，讓學(xué)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(hù)方法等。

2.4 工業(yè)鏈條銷軸表面滲鉻處理教學(xué)案例

該案例來源于企業(yè)合作項(xiàng)目“新材料、表面處理技術(shù)合作研發(fā)及相關(guān)檢測(cè)分析服務(wù)”，為表面化學(xué)熱處理章節(jié)設(shè)計(jì)的教學(xué)案例。工業(yè)鏈條是汽車、船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)用關(guān)鍵部件，隨著高速傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，齒形鏈傳動(dòng)主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速通常為5000～8000 r/min，高速傳動(dòng)甚至可達(dá)10 000 r/min，其允許磨損伸長(zhǎng)率僅為ε≤1%（ε=ΔL/L，ΔL 為鏈條磨損伸長(zhǎng)量，L 為初始鏈長(zhǎng)），對(duì)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(xué)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(dá)1 700HV0.3，是工業(yè)鏈條銷軸表面強(qiáng)化的通用技術(shù)[12-14]。通過該案例教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)滲鉻工藝、滲后熱處理工藝，探討滲層形成機(jī)理等，將材料物理性能、化學(xué)性能、固態(tài)相變等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，解決工程中的實(shí)際問題，鍛煉其實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

3 案例教學(xué)的實(shí)施與思考

在專業(yè)課程教學(xué)中，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)課題或科研項(xiàng)目將授課內(nèi)容融入案例教學(xué)中，其關(guān)鍵點(diǎn)在于教學(xué)案例的選擇和設(shè)計(jì)。案例一方面應(yīng)和教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，包含盡可能多的知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)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(jì)上應(yīng)符合學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力特點(diǎn)，既要激發(fā)學(xué)生的興趣，又能引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)思考，以點(diǎn)帶面，關(guān)聯(lián)知識(shí)，讓學(xué)生在資料查閱和思考的過程中不斷深入，主動(dòng)拓寬知識(shí)面，將所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用融會(huì)貫通，達(dá)到能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

在案例教學(xué)的過程中，由于很多學(xué)生長(zhǎng)期接受被動(dòng)的填鴨式教育，主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索的意識(shí)較弱，初次接觸到案例課題，在思路上往往會(huì)處于茫然狀態(tài)，教師應(yīng)注意在關(guān)鍵思路和知識(shí)點(diǎn)上進(jìn)行合理的引導(dǎo)和提示，讓學(xué)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(hù)涂層技術(shù)、工業(yè)鏈條滲鉻處理可以和專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生的想法通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又提高了其專業(yè)興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

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