材料工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)案例庫的構(gòu)建與實(shí)踐

段廣彬，趙蔚琳，趙德剛，亓濱，范德華，劉宗明

（濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

材料工程測(cè)試技術(shù)作為一門學(xué)位課程，在材料與化工專業(yè)學(xué)位研究生課程體系中起著舉足輕重的作用。一方面，該課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生需要具有良好的流體力學(xué)、傳熱學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論知識(shí)；另一方面，課程所講授的儀器儀表在材料工程中廣泛應(yīng)用，實(shí)踐性較強(qiáng)。傳統(tǒng)的以課堂講授為主的教學(xué)方法是以教師為中心，以教材為工具[1]，不能很好地適應(yīng)信息傳輸快速、方便的特點(diǎn)。為此，教研組對(duì)該課程案例教學(xué)模式進(jìn)行了積極的探索和應(yīng)用。

案例教學(xué)法是以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力為主要目的，通過實(shí)際情景案例的呈現(xiàn)，踐行以學(xué)生為中心的理念，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用的教學(xué)方法[2-5]。這一教學(xué)方法對(duì)實(shí)踐性強(qiáng)、需要增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的課程來說，教學(xué)效果較好。案例教學(xué)的基礎(chǔ)是教學(xué)案例庫的建設(shè)，即通過將現(xiàn)有理論知識(shí)進(jìn)行重組，結(jié)合工程案例形成理論知識(shí)+實(shí)踐知識(shí)的案例庫，為課程的案例教學(xué)提供有效支撐[6]。

1 課程教學(xué)案例庫建設(shè)原則

案例教學(xué)法起源于19 世紀(jì)70 年代哈佛大學(xué)法學(xué)院對(duì)高等人才的培養(yǎng)，如今已經(jīng)成為大學(xué)教學(xué)育人的重要方法[7-9]。我國從20 世紀(jì)90 年代開始開展相關(guān)研究工作，2015 年5 月，教育部印發(fā)《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》，特別強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)案例教學(xué)，是強(qiáng)化專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力培養(yǎng)，推進(jìn)教學(xué)改革，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)融合的重要途徑，是推動(dòng)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段。”[3，10]

考慮到材料工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的綜合性、實(shí)用性和前沿性，制定了該課程教學(xué)案例庫建設(shè)的基本原則，具體如下。

1.1 案例具有較好的規(guī)范性和邏輯性

案例的設(shè)置要以基本知識(shí)點(diǎn)和要點(diǎn)為核心，要重點(diǎn)突出，準(zhǔn)確透徹，邏輯性強(qiáng)[11]。同時(shí)，案例的設(shè)置要具有較好的傳承性，這就需要將理論知識(shí)點(diǎn)合理重組，建立脈絡(luò)清晰的知識(shí)體系，同時(shí)要適當(dāng)關(guān)聯(lián)案例，能夠?qū)⑵溥M(jìn)行區(qū)別和聯(lián)系[12]。

1.2 案例具有較好的實(shí)踐性和啟發(fā)性

教學(xué)案例設(shè)計(jì)要遵循由淺入深的原則，內(nèi)容要能反映工程實(shí)踐，立足某一特定工程背景，具有較好的啟發(fā)性[13]。同時(shí)，要注重將科學(xué)研究、工程案例、生活實(shí)踐多維結(jié)合，以感知代替講授，強(qiáng)化學(xué)生的代入感。

1.3 案例具有較好的時(shí)代性和發(fā)展性

在教學(xué)案例庫建設(shè)的過程中，融入思政理念，注重學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、大國工匠意識(shí)、社會(huì)主義核心價(jià)值觀的培養(yǎng)，在對(duì)學(xué)生價(jià)值引領(lǐng)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)[14]。

2 課程典型教學(xué)案例庫建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)需要，將材料工程測(cè)試技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)重新梳理，結(jié)合工程案例和教師科研項(xiàng)目，將主要內(nèi)容分為6 大模塊案例庫，每個(gè)案例庫包含3～4 個(gè)案例，有效案例共計(jì)18 個(gè)，案例庫案例分解如表1 所示，案例既相互獨(dú)立，又有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

表1 案例庫案例分解

案例1 電阻式傳感器：主要講述了電阻式傳感器的特點(diǎn)、分類、工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生制備常見薄膜式壓力傳感器，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

案例2 電容式傳感器：主要講述了電容式傳感器的特點(diǎn)、分類、工作原理及其應(yīng)用領(lǐng)域。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生采用創(chuàng)新改變電容間距、面積及電解質(zhì)的方法，制作電容傳感器，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)業(yè)教育。

案例3 電感式傳感器：主要講述了電感式傳感器的特點(diǎn)、分類、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。借助液體表面張力測(cè)試儀器訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力與工程意識(shí)。

案例4 壓電式傳感器：主要講述了壓電式傳感器的特點(diǎn)、分類、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。通過該案例，鼓勵(lì)學(xué)生探索壓力傳感器探測(cè)流體漏點(diǎn)的方法，增強(qiáng)他們解決實(shí)際問題的能力。

案例5 熱電偶測(cè)溫：主要講述了熱電偶測(cè)溫的原理、基本定律、結(jié)構(gòu)與分類、設(shè)備研制與應(yīng)用等方面的內(nèi)容。通過引導(dǎo)學(xué)生思考采用開路熱電偶測(cè)量液態(tài)金屬溫度的案例，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力及開發(fā)相關(guān)設(shè)備的意識(shí)。

案例6 熱電阻測(cè)溫：主要講述了熱電阻測(cè)溫的原理、基本定律、結(jié)構(gòu)與分類、設(shè)備研制與應(yīng)用等方面的內(nèi)容。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)熱敏電阻，形成合理的熱敏電阻開發(fā)方案，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

案例7 非接觸式溫度測(cè)量?jī)x：主要講述了光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)、工作原理與應(yīng)用范疇。通過對(duì)知識(shí)的講授引導(dǎo)學(xué)生利用輻射換熱的方式設(shè)計(jì)開發(fā)不同類型的高溫計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生通過創(chuàng)新提升測(cè)溫儀表的精度。

案例8 液柱式測(cè)壓計(jì)：主要講述了液柱式測(cè)壓儀器的測(cè)量原理、測(cè)壓原理、安裝使用等方面的知識(shí)。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微壓力、負(fù)壓力測(cè)試原理探索，進(jìn)而開發(fā)出適用的液體壓力計(jì)。

案例9 彈性壓力測(cè)試儀：主要講述了儀器的構(gòu)造、工作原理、分類及使用等知識(shí)點(diǎn)。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行膜盒或膜片式壓力計(jì)的集成與應(yīng)用，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)制作科研儀器的能力。

案例10 遠(yuǎn)傳壓力變送器：主要講述了壓力遠(yuǎn)傳變送器的類型、分類標(biāo)準(zhǔn)、工作原理、結(jié)構(gòu)特性等方面的知識(shí)。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生利用評(píng)測(cè)差動(dòng)壓力變送器的結(jié)構(gòu)與工作原理設(shè)計(jì)開發(fā)互感式壓力變送器，創(chuàng)新工作機(jī)制。

案例11 容積式流量測(cè)量?jī)x：主要講述了容積式流量測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)、工作原理、種類及使用范疇等內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

案例12 速度式流量測(cè)量?jī)x：主要講述了速度式流量測(cè)量?jī)x的分類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及安裝使用等方面的內(nèi)容。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并開發(fā)震動(dòng)式流量傳感器，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

案例13 超聲波流量測(cè)量?jī)x：主要講述了超聲波流量測(cè)量?jī)x的工作原理、組成安裝及使用方面的內(nèi)容。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)超聲波流量測(cè)量?jī)x測(cè)試原理設(shè)計(jì)并開發(fā)新型的用于兩相流動(dòng)的測(cè)試裝置，形成創(chuàng)新方案。

案例14 節(jié)流式流量測(cè)量?jī)x：主要講述了節(jié)流式流量測(cè)量?jī)x的組成、結(jié)構(gòu)原理、分類及代表性流量測(cè)量?jī)x的安裝要求與選用方法。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并開發(fā)基于文丘里管式的流量測(cè)量?jī)x，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

案例15 液位測(cè)量?jī)x：主要講述了液位測(cè)量?jī)x的分類、工作原理、應(yīng)用范圍及選用原則。通過該案例，激勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)并開發(fā)壓差式液位測(cè)量?jī)x，學(xué)會(huì)利用基礎(chǔ)知識(shí)、原理進(jìn)行設(shè)備開發(fā)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)。

案例16 固體料位儀：主要講述了固體料位儀的類型、工作原理，接觸式料位儀與非接觸式料位儀的組成、性能指標(biāo)及工作過程。通過該案例，激發(fā)學(xué)生利用非接觸式料位儀的工作原理進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的開發(fā)。

案例17 奧氏氣體分析儀：主要講述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、測(cè)試方案與參數(shù)等內(nèi)容。通過該案例，鼓勵(lì)學(xué)生探索制作煙氣測(cè)試動(dòng)態(tài)設(shè)備，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的興趣。

案例18 紅外線氣體分析儀：主要介紹了儀器的結(jié)構(gòu)、工作原理、使用方法及其適用范圍。通過該案例，鼓勵(lì)學(xué)生利用紅外線熱技術(shù)開發(fā)新型測(cè)溫、氣體成分分析技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)新型測(cè)試裝置。

3 典型案例教學(xué)實(shí)踐：熱電偶測(cè)溫

本文以一個(gè)實(shí)際教學(xué)案例進(jìn)行說明。

該節(jié)的教學(xué)目標(biāo)為掌握熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、結(jié)構(gòu)、分類等理論知識(shí)，學(xué)會(huì)利用熱電偶的測(cè)溫原理設(shè)計(jì)與開發(fā)新型熱電偶傳感器。

工程案例：目前大量熱工窯爐使用的測(cè)溫儀器是熱電偶，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解熱電偶的工作原理及使用方法，如圖1 所示。

圖1 常用熱電偶

教學(xué)實(shí)施過程：首先給出一個(gè)教學(xué)案例，讓學(xué)生先通過查閱文獻(xiàn)或視頻對(duì)熱電偶有初步認(rèn)識(shí)，也即了解熱電偶的測(cè)溫原理，明確塞貝克效應(yīng)。詳細(xì)了解后根據(jù)該效應(yīng)明確熱電偶的組成：由兩種不同材料的金屬絲A、B焊接而成閉合回路。熱電偶分為熱端和冷端，熱端置于被測(cè)介質(zhì)中，冷端被稱為參比端，放置于環(huán)境溫度中，與測(cè)量?jī)x表相連接，通過測(cè)試二者之間的電勢(shì)差，即可得到冷端與熱端的溫度差。

參與式學(xué)習(xí)：讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的電子電工學(xué)的知識(shí)推導(dǎo)出熱電偶回路總的熱電勢(shì)。

學(xué)生采用理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的形式學(xué)習(xí)熱電偶的基本定律。第一個(gè)是均質(zhì)導(dǎo)體定律，其工程應(yīng)用為當(dāng)一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，在所形成的閉合回路中如果有熱電勢(shì)的存在，則證明導(dǎo)體材料是不純或者不均勻的，據(jù)此可以驗(yàn)證熱電極材料的均勻性。此處讓學(xué)生討論一個(gè)工程案例，如何判斷某一種合金材料是否均勻？第二個(gè)是中間導(dǎo)體定律，其原理是將熱電偶參比端斷開，接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度保持一致，那么接入導(dǎo)體后對(duì)回路總電動(dòng)勢(shì)無影響。根據(jù)這個(gè)定律，讓學(xué)生思考如下工程問題：為什么熱電偶在測(cè)試的時(shí)候可以接入儀表？第三個(gè)是中間溫度定律，其具體描述為在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為不同點(diǎn)的相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和。依據(jù)該定律，制備得出了熱電勢(shì)與溫度之間的分度表，也為熱電偶的大規(guī)模使用提供了依據(jù)。接下來，讓學(xué)生通過線上資源學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的結(jié)構(gòu)、工作原理及適用范圍，并歸納總結(jié)，形成思維導(dǎo)圖。最后結(jié)合工程案例，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一套適用于大于300 m 深度隧道溫度測(cè)試的熱電偶，完成對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

材料工程測(cè)試技術(shù)是一門理論與工程實(shí)踐結(jié)合緊密、適用于材料與化工專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的學(xué)位課程。課程的培養(yǎng)目標(biāo)是：學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程，能夠掌握常用材料工程類測(cè)試的基本概念、理論，明確測(cè)試儀表的構(gòu)造原理與測(cè)試原理，了解各類儀表的使用范圍；在工程測(cè)試的過程中遇到與之相關(guān)的問題時(shí)，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生工程探索與勇于創(chuàng)新的素質(zhì)和精神。

教研組將課程教學(xué)與實(shí)際案例結(jié)合，將線上資源與線下資源融合，構(gòu)建了材料工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)案例庫。通過案例教學(xué)，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式形成了較好的補(bǔ)充。教學(xué)實(shí)踐證明：案例教學(xué)大幅增加了教學(xué)工作量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生通過對(duì)案例的詳細(xì)思考和討論，提高了分析、解決問題的綜合能力。