基于案例教學(xué)法的工程實踐課程教案設(shè)計研究

秦子 呂慶功 許文婧

摘要 工程實踐課程是高校以培養(yǎng)工科學(xué)生的大工程觀和實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)開設(shè)的核心課程。文章以“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實踐”課程為對象進(jìn)行教學(xué)改革研究，針對“轉(zhuǎn)爐煉鋼”核心教學(xué)內(nèi)容開展了基于案例教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計。通過引入、提問、分析、闡述、延伸和討論等教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，結(jié)合虛擬仿真教學(xué)手段，將教學(xué)案例作為主線貫穿于課程教學(xué)，專業(yè)知識與應(yīng)用場景緊密結(jié)合。探索形成的“六步法”案例教學(xué)模式，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其對專業(yè)知識、工藝原理及工程理念的理解，而且能夠傳揚(yáng)工匠精神，堅定專業(yè)自信，顯著提升實踐育人的效果。

關(guān)鍵詞 教案設(shè)計；案例教學(xué)；高等教育；工程實踐

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.7.036

“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實踐”是為工科相關(guān)專業(yè)本科三年級學(xué)生開設(shè)的工程實踐課程虛擬仿真操作實踐部分，是一門專業(yè)實踐類課程[1-2]。課程采用鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)，圍繞鋼鐵生產(chǎn)操作實踐環(huán)節(jié)的工藝計算和操控過程等進(jìn)行講解、演示和輔導(dǎo)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握特定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)設(shè)定及仿真生產(chǎn)操作，并利用自評系統(tǒng)完成課程考核。本課程旨在使學(xué)生熟悉和掌握現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程中的生產(chǎn)操作和工藝計算，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決復(fù)雜工程問題的能力[3-4]。多年來，隨著課程教學(xué)的深入實踐積累，課程教學(xué)團(tuán)隊不斷進(jìn)行教學(xué)探索和優(yōu)化[5-6]。特別是持續(xù)開展了基于案例教學(xué)法的教學(xué)模式改革探索，選取大量緊密貼合專業(yè)知識的教學(xué)案例有機(jī)融入課堂教學(xué)中，并針對課程的核心教學(xué)單元進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計研究。

1教學(xué)基本情況

1.1教學(xué)單元

本文選取“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實踐”課程中“轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度”為教學(xué)單元。重點講授轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)生產(chǎn)制度，熟悉轉(zhuǎn)爐煉鋼虛擬仿真操作流程，介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)仿真操作的參數(shù)設(shè)定方法，指導(dǎo)學(xué)生自主開展仿真操作實踐。

1.2教學(xué)目標(biāo)

第一，掌握工程實踐基礎(chǔ)知識。讓學(xué)生熟練掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)全流程、工藝原理、設(shè)備功能等基礎(chǔ)知識。第二，獲得工程實踐基本技能。通過虛擬仿真操作實踐，使學(xué)生明確工程任務(wù)，了解轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度，掌握參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化方法。第三，培養(yǎng)工程問題解決能力。學(xué)生通過在虛擬生產(chǎn)場景中自主解決原料選用、工藝設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、工序安排、安全防護(hù)、降低成本、節(jié)能環(huán)保、回收利用等問題，逐步提高解決專業(yè)工程問題的能力。第四，了解本專業(yè)工程應(yīng)用場景。通過工程實踐讓學(xué)生熟悉了解本專業(yè)實際應(yīng)用場景，更加明晰專業(yè)知識的應(yīng)用領(lǐng)域及學(xué)習(xí)價值。第五，激發(fā)家國情懷和工匠精神。在教學(xué)過程中，通過工程典型案例的引入，使學(xué)生了解我國現(xiàn)階段鋼鐵工業(yè)的輝煌成就，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和家國情懷。同時，通過自主開展生產(chǎn)仿真操作實踐，引導(dǎo)學(xué)生體會、理解和磨煉精益求精的工匠精神。

2教學(xué)重點與難點

2.1教學(xué)重點

熟知轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)流程，了解轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度，理解生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置的意義，掌握生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化的方法。

2.2教學(xué)難點

一是如何進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生深度參與工程實踐的興趣；二是如何使學(xué)生快速理解轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度及參數(shù)意義；三是如何使學(xué)生熟練掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼仿真操作參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化方法。

2.3對重點和難點的處理

教學(xué)中主要通過案例的融入和貫穿來對教學(xué)重點和難點加以解析和突破。一方面，結(jié)合本節(jié)課程內(nèi)容，選取學(xué)生耳熟能詳?shù)奈覈肮P尖鋼”材料攻堅克難的典型案例，以視頻和圖片的形式進(jìn)行介紹，結(jié)合問答的方式，引起學(xué)生共鳴，激發(fā)興趣，引發(fā)對轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度的探索。另一方面，通過回顧上節(jié)課所學(xué)習(xí)的煉鋼基本任務(wù)，對“筆尖鋼”案例的生產(chǎn)方法進(jìn)行回應(yīng)和分析，引導(dǎo)學(xué)生思考生產(chǎn)制度要求下所對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置的意義，并利用虛擬仿真手段，以工藝原理動畫、三維仿真視頻和生產(chǎn)現(xiàn)場視頻等相結(jié)合的方式，對生產(chǎn)目標(biāo)、生產(chǎn)制度和優(yōu)化意義進(jìn)行深入的闡述。三是通過學(xué)生互動問答的形式，圍繞“筆尖鋼”案例中的煉鋼環(huán)節(jié)展開討論，抓住學(xué)生的興趣點，活躍課堂氣氛。按照轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)步驟，講解和演示相關(guān)生產(chǎn)制度所對應(yīng)的仿真操作“參數(shù)設(shè)置”模塊，使學(xué)生快速掌握參數(shù)設(shè)置方法及優(yōu)化意義，并由學(xué)生自主完成實驗結(jié)果優(yōu)化。

3教學(xué)對象分析

3.1知識基礎(chǔ)

課程教學(xué)對象為工科相關(guān)專業(yè)三年級的學(xué)生，開課時間為夏季小學(xué)期。學(xué)生們已經(jīng)完成了大學(xué)前三年的課程學(xué)習(xí)，且在二年級完成了專業(yè)認(rèn)識實習(xí)，對本專業(yè)的工程背景有了初步了解，具備了扎實的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識。

3.2認(rèn)知特點和學(xué)習(xí)風(fēng)格

學(xué)生們接觸和掌握新生事物速度快，具備扎實的基礎(chǔ)知識，對專業(yè)知識和未來職業(yè)規(guī)劃有很強(qiáng)的渴望，學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)能力也比較強(qiáng)。綜合以上特點，教學(xué)中可結(jié)合高水平信息化教學(xué)手段，增進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)工程實踐能力。同時，充分利用案例教學(xué)法，將知識傳授與價值引領(lǐng)相結(jié)合，進(jìn)一步提高學(xué)生緣事析理、明辨是非的能力，使其成為德才兼?zhèn)?、全面發(fā)展的專業(yè)人才。

4教學(xué)基本模式

4.1教學(xué)手段

充分利用虛擬仿真實踐教學(xué)的特色和優(yōu)勢，將典型案例視頻、生產(chǎn)流程圖、三維仿真原理視頻、工程現(xiàn)場視頻、輔助影像資料以及虛擬仿真操作系統(tǒng)等教學(xué)素材有機(jī)融合，生動形象地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，并設(shè)計學(xué)生互動問答環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

4.2教學(xué)方法

重點通過基于案例教學(xué)的“六步法”，對專業(yè)典型案例進(jìn)行引入、提問、分析、闡述、延伸和討論，以“案例”這一主線將專業(yè)知識充分貫穿和融入于每個環(huán)節(jié)的教學(xué)之中。同時，專業(yè)典型案例也能將知識傳授與立德樹人相結(jié)合，引人入勝，潤物無聲，形成良好的課堂氛圍。在教學(xué)實施過程中，根據(jù)虛擬仿真實踐教學(xué)的特點，結(jié)合學(xué)生對專業(yè)知識和已授內(nèi)容的掌握情況，將教學(xué)進(jìn)程主要劃分為案例引入、問題提出、案例分析、重點闡述、操作演示和總結(jié)討論等主要教學(xué)環(huán)節(jié)。

5教學(xué)設(shè)計思路

5.1案例引入，潤物無聲

以問答形式引入“筆尖鋼”案例，讓學(xué)生進(jìn)一步理解鋼鐵生產(chǎn)的重要意義，增加學(xué)生對專業(yè)的了解和認(rèn)同感。開課伊始，以學(xué)生常用的圓珠筆筆尖材質(zhì)來提問，引入我國“筆尖鋼”攻堅克難的典型案例，結(jié)合觀看“筆尖鋼”研究現(xiàn)狀的教學(xué)視頻，不僅使學(xué)生更直觀了解這種鋼鐵材料的實際應(yīng)用，引發(fā)對研發(fā)難點的思考，而且有助于引發(fā)興趣和共鳴，為接下來的實踐任務(wù)及知識點引出做鋪墊。

5.2問題提出，明確任務(wù)

以“是否想親自冶煉一爐筆尖鋼”提問，引出本節(jié)課程的“針對給定鋼種，冶煉合格鋼水”實踐任務(wù)。利用工藝原理動畫，重點回顧轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)流程。一方面，使學(xué)生進(jìn)一步加深印象，增進(jìn)理解，查找知識遺漏點；另一方面，能夠引發(fā)學(xué)生對知識的探求和渴望，并為后續(xù)“生產(chǎn)制度”和“參數(shù)設(shè)置”的引出奠定良好的基礎(chǔ)。

5.3案例分析，引出核心

在明確實踐任務(wù)后，對“筆尖鋼”案例進(jìn)行回應(yīng)和深入分析，引出本節(jié)課要講授的核心知識點。首先，對筆尖球座部分不銹鋼材料的極高性能要求進(jìn)行分析，闡明微量元素配比對鋼材質(zhì)量的影響，從而引出本節(jié)的主要內(nèi)容“轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度”。隨后，對轉(zhuǎn)爐爐型、設(shè)備參數(shù)、鋼種、冶煉終點控制、產(chǎn)品成分、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)時間、生產(chǎn)目標(biāo)及實驗考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確，使學(xué)習(xí)思路從基本生產(chǎn)流程深入至生產(chǎn)制度，進(jìn)一步回應(yīng)核心知識點。同時，深入分析其中包含的科學(xué)和工程問題，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活和工作中辯證地看待對與錯、利與害、得與失。

5.4重點闡述，仿真教學(xué)

利用虛擬仿真手段，結(jié)合課件要點文字，著重闡述轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)生產(chǎn)制度。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬仿真教學(xué)能夠針對鋼鐵生產(chǎn)中難看到、看不到、難做到或做不到的實踐內(nèi)容，通過三維虛擬仿真視頻的形式給予更加形象的呈現(xiàn)。特別是通過工藝原理動畫，更直觀展現(xiàn)生產(chǎn)制度的工藝原理，極大地促進(jìn)了學(xué)生們對知識點的理解。同時，仿真模型和數(shù)據(jù)均來源于生產(chǎn)和科研，保障了教學(xué)內(nèi)容的真實性和可靠性，使學(xué)生更容易理解和掌握。

5.5操作演示，虛擬生產(chǎn)

通過教學(xué)演示、自主操作、互動問答的形式，讓學(xué)生快速掌握仿真操作參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化方法。教師在仿真操作系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的操作演示，同時設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)生興趣的互動問答環(huán)節(jié)，請一個學(xué)生提出疑惑，其他同學(xué)幫忙解答，老師最后給予補(bǔ)充，從而讓學(xué)生掌握生產(chǎn)制度指導(dǎo)下的參數(shù)設(shè)置方法及優(yōu)化意義，并根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煉鋼仿真生產(chǎn)操作的最終實驗結(jié)果。

5.6總結(jié)討論，重點強(qiáng)化

結(jié)合本節(jié)課學(xué)習(xí)的裝料制度、供氧制度、造渣制度、溫度制度以及終點控制等轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)制度，進(jìn)一步討論如何通過生產(chǎn)制度指導(dǎo)生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)“筆尖鋼”的冶煉。請同學(xué)們分享通過試錯方式初步了解的不同工藝參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。隨后，結(jié)合學(xué)生對生產(chǎn)制度的掌握，布置操作任務(wù)及課后作業(yè)，指導(dǎo)學(xué)生在課后利用虛擬仿真線上教學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步鞏固轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)知識及仿真操作實踐技能，并撰寫操作實踐報告及案例學(xué)習(xí)體會。

6結(jié)語

本教案設(shè)計充分體現(xiàn)了工程實踐教學(xué)的目標(biāo)及特色。課程以具有學(xué)校歷史傳承和優(yōu)勢學(xué)科特色的鋼鐵生產(chǎn)工程領(lǐng)域作為教學(xué)背景，緊密貼合學(xué)生的專業(yè)方向，能夠極大地激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。課程重點通過“六步法”案例教學(xué)模式設(shè)計，將專業(yè)典型案例貫穿于整堂課程教學(xué)，通過對案例的引入、提問、分析、闡述、延伸和討論，將知識傳授與立德樹人相結(jié)合。該教學(xué)模式不僅可以使學(xué)生加深對專業(yè)、原理及工程理念的理解，而且能夠激發(fā)家國情懷，傳揚(yáng)工匠精神，堅定專業(yè)自信。特別是課程運用了虛擬仿真教學(xué)手段，將三維虛擬仿真視頻、生產(chǎn)現(xiàn)場視頻、工藝原理動畫、設(shè)備虛擬拆分視頻等多種教學(xué)方式融入課程中，為學(xué)生在企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的工程實踐進(jìn)行補(bǔ)充和支撐，提高了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

基金項目：北京科技大學(xué)教學(xué)改革項目“基于模擬煉鋼生產(chǎn)的項目制工程實踐教學(xué)探索”（JG2020M52）；北京科技大學(xué)課程思政特色示范課程建設(shè)項目“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實踐A”（KC2019SZ17）。

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