工程教育专业认证背景下案例教学的实施

王国星 王佳杰 杨闯

[摘 要]以工程教育专业认证为出发点，对“材料力学性能”课程进行案例教学改革。首先阐明教学目标、案例教学达成方式、案例的设计及选择原则，然后分别从日常生活生产案例、重大历史事件案例、红色案例、蓝色案例、理论发展史等案例类型角度，详细阐述进行案例教学的改革过程和意义。

[关键词]工程教育专业认证;材料力学性能;案例教学

[中图分类号] G642           [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2022） 01-0086-03

一、工程教育专业认证背景下的课程教学

工程推动社会进步，工程教育决定人类未来。工程教育专业认证起源于美国，是目前世界上在教育领域比较成熟的认证机制。[1]为提高我国工程教育质量，为工程教育适应政府、行业和社会需求服务，我国加入《华盛顿协议》。[2]进行专业认证的主旨是提高大学生工程实践能力，进而提高本科专业建设水平和人才培养质量，从而实现国家本科教育国际化，提升中国工程教育国际竞争力。本校材料科学与工程专业于2017年6月通过材料类专业认证委员会认证。

“材料力学性能”课程是材料类、机械类专业一门专业基础课，特点是概念多、机理多、实验多、内容繁杂、知识点分散，是一门集理论与实践性较强的课程。[3]传统的教学模式难以达到较好的教学效果。同时，随着科技的进步，新理论、新技术不断推出并被逐渐应用于生产实践中，对课程教学提出了更高的要求，传统的教学模式更难以实现教学目的。[4]

工程教育认证通用标准中针对毕业要求有明确的阐述：“能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。”从中可以看出专业认证对学生综合、系统知识运用能力提出很高、很全面的要求。因此，课程教学上必须采用恰当的教学手段和方式强化教学效果，提升学生的知识运用能力。

案例教学法20世纪由哈佛大学兰德尔提出，后来广泛地应用于普通教育领域。案例教学以学生在课堂内外对真实事件和情境的分析、思辨为重点，使学生自主开展讨论、质疑和反思，达到培养学生综合运用知识解决实际问题或复杂工程问题的能力的目的，对人才培养质量的提高具有重要意义。[5-7]

课程教学团队在进行工程教育专业认证背景下进行多轮次课程案例教学改革尝试，从中积累了丰富的案例和教学经验。

二、教学案例的设计

（一）课程教学目标

支撑本门课程的工程教育专业认证毕业要求，指标点对应的课程教学目标可描述为：“能够利用材料力学性能基本原理，结合查阅文献资料，在教师指导下通过案例分析讨论等形式，针对材料复杂工程问题中涉及的力学性能内容，进行识别、表达。”从中可以看出，课程教学团队将案例辅助教学深入到课程教学目标。

（二）课程目标案例达成方式

本课程的教学目标设置三个，具体的课程目标通过案例达成（见表1）。

从上表可以看出，课程教学目标一、二都通过教学案例、实验和考试实现，教学目标三通过教学案例、案例分析作业和考试等途径达到。可见案例教学渗透到教学过程的每个环节之中，有益于课程教学实施。

案例教学开展的效果最终可以通过期末考试进行评定。特别是区别于传统的试卷，都是基础知识相关题型。在试卷中增加实际工程案例分析主观题型，可以综合考查学生对专业知识的综合运用、分析、思辨等能力。

（三）案例的选择与设计

案例的内容是提高案例教学有效性的关键， 应根据教学需要选择案例内容。[8]因此，要根据教学内容中重难点选择切合度和紧密度高的案例。根据案例内容繁杂程度可以将本门课程使用的案例分为两类，第一类是简单的案例，如一个实物、一个故事、一个历史人物等。第二类是较为复杂、系统的案例，如构件使用时发生断裂，对构件进行失效分析就包括了取样、宏观分析、微观分析、性能检测等。然后根据结果综合分析，包括的内容较多，训练同学们综合运用专业知识体系的能力。案例还可以根据相关内容性质分类，包括日常生活、生产的案例、重大历史事件案例、红色案例、蓝色案例、理论发展史案例、复杂系统的综合案例。

三、案例教学实施

（一）日常生活、生产型案例

工程教育专业认证从工程实际应用出发进行课程体系和内容设计，这有利于受教者对知识的获得、加工和“反刍”。案例教学可以将很多知识点溶入一个应用里，启发学生综合应用所学知识体系去分析、解决问题。

如在绪论内容性能部分讲解工艺性能时，引入东北寒冷地区供暖需要采用高压锅炉。锅炉加工通常采用最多的工艺为焊接，焊接就是一种工艺性能。比如采用埋弧焊工艺，焊接时要考虑电流、电压等工艺参数，二者实际是获得稳定电弧和能量密度，那么材料的传热、膨胀就是其物理性能;焊接后的器件要注意防腐，这是化学性能;焊接后的构件属于正压设备受到工作压力，这就是力学性能。考虑锅炉生产时采用材料、工艺、用电、人工等生产成本问题就关乎经济性问题。这样通过一个锅炉的案例就将金属材料的物、化、力、工艺、经济性能全都囊括其中，便于同学们全面掌握。

（二）重大历史事件案例

此類案例是大学生较为感兴趣的一类案例，这些案例基本均与材料的力学性能有关，在讲述中以学生感兴趣的事件为切入点，引导学生进入课程知识领域，使学生更深刻地掌握事件背后的知识奥秘。

如在讲解到金属低温脆性问题时，涉及一个跨越百年的历史大事件，就是拿破仑与锡的故事。1812年5月，拿破仑率领57万大军远征俄国，一路高歌猛进，直抵莫斯科，最终却遇到了莫斯科的大火和俄国的严寒，57万大军只剩下3万人逃回。拿破仑梦断俄国暴风雪，让多少人扼腕长叹。其主要原因有人“考证”出拿破仑竟然是败于锡元素。原来，法军士兵的纽扣都是用锡做的，锡在室温保持常见的金属状态;但在低温时，锡会产生“锡瘟”现象完全变成粉末状。所以，法军在寒风暴雪中如同敞胸露怀，非战斗减员就是不可避免的了。从中可以得出就是金属锡的低温晶格转变变脆问题。

（三）红色案例

红色案例也是思政案例。如于2017年10月建成通车的港珠澳大桥，目前创多项世界之最。这个世纪伟大工程充分体现出我国工程建设者的智慧和伟大，增强大学生的民族自豪感和历史使命感，激励学生加倍努力学习，未来成为行业中的佼佼者。再如在讲授到硬度知识点时，采用中国传统文化案例，以中国古话“没有金刚钻就不要揽瓷器活”，引出中国过去的一种 “锔碗匠”职业，匠人从事的技艺出现在《清明上河图》上，现在这种技艺多出现在考古修复方面。从而最终引出硬度的概念。让同学们从中体会中国古代劳动人民的伟大。

（四）藍色案例

蓝色案例即为科技前沿型案例，代表着知识的创新和科技的进步。如在讲述到塑性指标这个知识点时提到了我国最年轻的院士卢柯。2000年卢柯院士团队发表于Science上的题为“Super plastic extensility of nanocrystalline copper at room temperature”文章，文中提道：团队制备的纳米铜的塑性断后伸长率可以达到5100%。通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。

还有涉及到的低温脆性的新研究成果：北京科技大学张勇课题组在 2019 年Science China Materials 杂志上发表了名为“Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures”的论文，发现某高熵合金在4.2K极低温环境下，仍然能够保持高强度和极优异的塑性，低温脆性不明显。[9]从中可以得出某一科学理论在某一时间段可能是正确的，但是随着研究者的前赴后继的钻研，理论可能就会被推翻。所以说科学是没有定论的东西。今天发现了真理，到明天又发现新的，就又推翻了原来的，它是个未定数。通过案例培养同学们实事求是积极探索的精神。其中还要说的是卢柯院士是“中国制造”，从本科到博士研究生，一直都在国内接受教育，是地地道道由中国本土培养出来的世界顶级科学家。这就更加坚定同学们追求科学真理的信心和勇气。

（五）理论发展史

在材料力学性能课程中涉及很多力学理论和力学方面的科学家。如断裂力学之父Griffth，27岁在玻璃断裂研究中就提出了断裂力学的概念。如中科院金属所创始人李薰院士，1937年在谢菲尔德大学求学期间针对英国“喷火”战机训练时机毁人亡事故，研究飞机主轴时研制了一套定氢设备，做第一个吃螃蟹的人，发现“氢脆”现象。从中同学们可以认识到科学无国界，科学面前不分肤色、不分民族。同时，通过前辈的事迹案例将科学精神传承给年轻学子，教育大学生尊重科学、追求真理，成为实事求是、开拓进取、团结协作、为国争光的社会主义现代化建设人才。[10]

综上，教学有法，教无定法，贵在得法。案例教学是一种高效的教学方法，其同样也不是千篇一律的，具体实施方法可以多样化。 授课教师对课程知识关联的案例进行搜集、归类、筛选，最终确定适合课程的各类案例。经过几个学期的案例教学运行，学生的整体完成情况较好，教学效果较好，三个课程目标达成度基本呈逐年上升的趋势。如工程教育专业认证中毕业要求通用标准里描述的关键词那样：案例教学是工程教育中培养学生解决复杂工程问题的较为有效的手段。当然，在案例教学过程中也发现了一些问题影响教学效果，如过多的案例占用教学资源，案例的性质、案例的时效性等，所以教师应与时俱进，紧密关注新科技、新材料发展，对案例进行持续更新，这都是应该在后续案例教学中关注的问题。

参考文献：

[1]高丽敏，赵志凤，高微.工程认证背景下混凝土学课程达成评价研究[J].黑龙江教育，2019（7）：102-103.

[2]方峥.中国工程教育认证国际化之路[J].高等工程教育研究，2013（6）： 72-76.

[3]胡建文，马静，孟永强，等.材料性能学精品课程建设与教学改革的探讨[J].中国现代教育装备，2013（23）：76-77，81.

[4]孙昊，赵莉萍.“材料性能学”课程的教学实践与思考[J].内蒙古教育，2012（1）：111-112.

[5]张乐.案例教学法在C语言程序设计教学中的应用[J].运城学院学报，2016（3）：73-77.

[6]邵雪梅，马骏，程辉.案例教学法在“C语言程序设计”课程中的应用[J].新乡学院学报（ 自然科学版），2012（3）：283-284.

[7]郭忠兴.案例教学过程优化研究[J].中国大学教学，2010（1）：59-61.

[8]陈新玲.对案例教学法的实践与思考[J].运城学院学报，2005（6）：87- 89.

[9]LIU J，GUO X.，LIN Q，Z，et al.Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures. Science China Materials 2019，62：853-863.

[10]吴传栋，甘章华，刘静，等.从材料力学性能特色案例谈民族自豪感和历史使命感[J].中国冶金教育，2020（5）：86-89.

（责任编辑： 王义祥）