材料加工实验平台课程教学案例库建设

河北科技大学材料科学与工程学院 河北石家庄 050018

《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》中指出“深化专业学位研究生培养模式改革，提高培养质量”，明确了研究生培养需充分认识加强案例教学和基地建设的重要意义，加强案例教学，改革教学方式，加强基地建设，推进产学结合，加大投入，完善政策配套和条件保障[1]。因此在研究生培养教育中，需着力建设教学案例，并将案例应用到实际教学中。案例教学是采用开放式、互动式的教学方法，将实际案例与理论知识结合，基于实际案例，引导学生自主学习、自主探究，进而激发学生兴趣，提高学生运用理论解决实际问题的教学方法[2]。案例教学法与传统教学法充分结合的模式，是实现高校培养具有较强理论能力与应用能力的材料科学专业高级人才的有效途径之一。

从20世纪初哈佛商学院开始实施案例教学至今，我国已有部分高校和研究机构在研究生的培养过程中实施了案例教学，在一些课程内建立了一定数量和规模的教学案例库[3]。但由于对案例教学的内涵及作用机制缺乏准确深入的了解，案例教学效果未能充分显现出来[2]。案例不是例子，不是所有的教学事件都可以成为案例[4]。案例教学的目的不是简单地传授知识，也不是进行一味地理论诠释或知识深化。其教学目的不是单一的教师的“教”和学生的“学”，而是教师与学生，尤其是学生之间的交互式学习，是一个完整的动态教学事件的真实体现[5]。因此，建设一个完整的案例，最重要的环节是案例教学过程合理设计。通过分析专业案例的教学目标，采取恰当的教学方法，设计科学的思考问题，提供启发性的分析路径及逻辑，解决问题或得出确定的答案，最终实现该案例教学的教学目标[6]。

1 课程案例库实施目的

材料科学与工程和材料工程学科及其相关技术是支撑国民经济发展与国防建设的基础，培养的专业人才在航空航天、汽车、船舶、能源、机械等领域内发挥着不可替代的作用。按照现有课程内容和教学模式培养，学生会缺乏主动思考和创造的能力，不能将理论知识和专业所学扩展应用至科学研究和实际问题中，缺少了系统的教学案例和综合实践，限制了学生工程实践和创新能力的培养，与专业硕士研究生的培养目标不符[7]。

材料加工实验平台课程是河北科技大学面向材料科学与工程学科的学术型和专业型硕士研究生开设的实践课程，目的是通过课程系统的案例库教学和综合训练实验，将理论课程所学内容系统联系并应用，形成系统的认识。使学生了解专业实验设计、原理及其验证，具备开展材料科学实验研究的试样制备、性能检测、实验设计和先进加工的能力，帮助学生在实践中认知理论，提高设计能力、动手能力和开拓思维。

2 课程案例库建设内容

材料学科研究生开展专业研究过程，需对材料微观组织、力学性能和制备工艺进行检测和分析，进而研究材料的组成结构、合成加工、基本性质及使役性能等要素和它们之间相互关系的规律，并研究材料的生产过程及其技术[8]。材料加工实验平台课程内容主要涵盖数控加工综合实验、材料力学性能测试与分析综合实验和3D数字化测量与制造综合实验。因此，结合材料学科特点和课程目的，材料加工实验平台课程案例库主要包括典型材料检测试样制备、工程材料力学性能测试和数字化测量与制造等，使学生在学习常规材料加工方法的基础上，系统掌握先进材料加工、试样制备、性能检测和测量等方法及其过程，引导学生思考和拓展思维，通过案例的学习和实施，激发学生科学研究的兴趣，启发学生将相关实验及技术应用到具体科学问题中，具体案例库包括以下几方面。

2.1 应用数控加工样件提高实验质量案例

通过本案例实施，使学生掌握数控线切割加工原理，熟悉编程坐标依据、代码组成和手工编程，能够根据要求进行手工编程和软件自动编程，根据加工试样和制件进行设备操作和加工，提高学生动手能力和开拓性思维能力。并根据设备和图纸选择入丝点和加工路径，结合尺寸要求和制件质量对脉冲宽度、脉冲间隔、电压等参数进行调控。

2.2 万能实验机测量材料性能案例

本案例结合典型性能测定实验，从材料力学性能测试方法的现状入手，使学生了解材料性能测试的方法和目的，学习万能实验机的工作原理以及操作使用方法；分析所得数据的可靠性，明确名义应力应变关系和真实应力应变关系。要求学生通过理论学习和实验实施，能够准确使用万能实验机测量材料力学性能，并对相应数据进行分析，认识实验机技术的工作基本原理，能够了解不同的材料力学性能测试的特点和区别。

2.3 三坐标测量原理及典型件测量案例

通过三坐标扫描仪对焊接板进行激光扫描，在逆向处理软件中进行点云的处理，处理完成后导出igs格式文件，并在三维建模软件中完成与焊接板件同样大小的板件模型，用于作为比较焊接板前后的翘曲情况研究，在质量分析Geomagic Qualify软件中进行焊接板件翘曲情况的误差分析，并生成焊接板件翘曲分析报告。通过本案例的实施，使学生了解三坐标测量仪的应用，能根据所学理论知识和仪器设备进行典型件的检测和分析，能够通过案例的启发将相关技术应用至其他产品检测分析和其他领域，提升学生处理数据、误差分析、实际应用的能力。

2.4 3D数字化技术在材料加工领域的应用案例

以某螺旋桨为原型，利用研究测量和建模的技术，还原产品的设计意图。借此对螺旋桨逆向设计，阐述在实际产品中逆向工程技术的广泛应用。将逆向工程技术应用于现代螺旋桨的设计与制造中，将改变螺旋桨制造的设计思想，极大缩短螺旋桨的设计周期。将其应用到螺旋桨曲面重建的设计与制造中，完成了螺旋桨曲面数据的三维激光扫描和螺旋桨点云的优化处理，重构螺旋桨曲面，提出一套新颖的螺旋桨逆向再设计方法，为以后直升机螺旋桨的设计与制造提供了新的思维。主要使学生了解材料加工过程中逆向工程技术及设计方法，掌握逆向技术在工业中的典型应用，熟悉其软、硬件操作过程，启发学生应用相关方法和技术研究各类工科及其相关学科，提升学生分析问题和解决问题的能力。

2.5 实验方法设计案例

本案例结合数值模拟DYNAFORM软件对汽车覆盖件拉延工序的仿真过程，详细地阐述了正交实验设计法的整个过程，以凹模圆角半径、冲压速度、拉延筋、摩擦系数和压边力等工艺参数为指标进行正交实验，针对汽车覆盖件成形过程可能产生的破裂、起皱、回弹等缺陷，选择最佳工艺参数组合。从而对汽车覆盖件的加工工艺起指导作用。有利于全面深入地了解正交实验对于解决多因素影响实践的重要性，便于学生学习实验方法，开拓学生的创新性思维，做到理论与实践相结合。通过理论讲授结合具体正交实验案例，使学生掌握实验设计方法原理，了解正交实验在科学研究中的应用，能够根据多因素多水平实验进行设计、分析和计算，达到获取最优或较优方案的目的。

3 课程案例库实施过程及效果

案例教学于2016年开始至今，在2014级和2015级研究生的材料加工实验平台课程中实施。理论教学讲授课程理论和原理，实践教学讲授设备操作和具体实验，案例部分在实践课程中实施，学生根据具体案例进行分组、讨论和实施。通过上述案例教学，激发了学生的求知兴趣，提高了学生运用专业知识解决科学问题的能力。通过具体问题与工程实践相结合，设计分析与科学实验相结合，引导学生将专业知识深入拓展至科学研究和实验过程中并有效开展，使学生系统认识材料科学的知识体系和专业内涵。

学生通过系统的学习和实践后，改变了之前无教师就无法独立开展系统实验的现象，并能充分利用实验室资源开展创新活动和科研工作。部分学生参加了2016年和2017年全国3D创新设计大赛获一等奖两项；参加全国锻造仿真大赛获一等奖两项，并代表中国参加国际比赛获第四名；获批河北省研究生创新训练项目两项。学生的实验操作能力和分析解决问题能力得到明显的提升，发表论文的水平逐年提高。

4 结论

(1)将理论教学、实践教学与案例教学相结合，重点突出学生系统思维和实践能力的培养，使学生理解研究生阶段科学研究的重要性。通过案例教学，增强学生综合技能应用能力，提高学生分析和解决问题的能力。

(2)合理地设计教学案例及其实施过程，将专业理论知识和实践活动相结合，采取恰当的教学方法，设计科学的思考问题，把教师与学生、学生与学生充分融入案例实施过程，最终实现案例教学的教学目标。

(3)通过系统的案例教学和综合实验，使学生受到更加系统、完整的科研基础能力训练，有利于提高科研水平，也有利于培养学生的创新精神、实践能力，促进学生全面可持续发展，以适应社会需求。