基于实践和创新能力培养的材料类专业课程案例式教学模式探索

王灿明，马庆超，宋强，崔洪芝

（1.山东科技大学材料科学与工程学院，山东青岛 266590；2.合鸿新材科技有限公司，山东威海 264200）

随着时代的发展和科技的进步，社会对新产品、新技术和创新型人才的需求日益迫切，对高等教育人才培养提出了更高的要求。高等教育的首要任务是培养出与国际接轨，具有工程实践和创新能力的专业化人才。我国自2016年正式加入国际工程教育《华盛顿协议》组织后，在高等教育中积极贯彻“学生中心、产出导向、持续改进”的理念，推行基于“学习产出（OBE）”导向的先进教育模式[1,2]。以能力培养为中心，以学生为主体，改变传统教学模式，采用启发式教学，激发学生的学习兴趣，使学生由“要我学”转变成“我要学”，完成从“以内容为中心”到“以能力培养为中心”的教学模式的转变[3,4]。这对高校专业课程的教学提出了更高要求，在教学内容、教学方法和考核评价方式方面均应做出相应的变革。

传统教学模式以教师课堂讲授为主，辅以作业、实验、实践等教学环节，最后采取期末考试的形式进行评价[4]。学生对知识的获取主要是被动的灌输，而不是通过主动思考和探索获取知识，对所学知识的理解和灵活运用能力也缺乏必要的训练，实质上是一种教师教什么、学生记什么的惰性方法[5]。针对具体的专业课程，结合工程应用或科研工作设计教学案例，采用案例式教学可有效弥补传统教学方法的缺点。案例式教学起源于哈佛大学的情景案例教学课，教师根据教学要求设计相应案例，组织学生针对案例内容进行资料查阅、思考、分析和讨论，主动获取相关知识，并学会如何灵活运用相关知识，从而提升学生分析问题、解决问题的能力[6-9]。案例式教学的核心在于教学案例的选择和内容的设计，合适的教学案例会提高学生的学习积极性，达到事半功倍的效果，否则会事倍功半，甚至让学生无所适从，无法体现案例式教学的优势。因此，针对具体的授课内容，如何选择和设计教学案例以及教学案例库建设等成为广受关注的教学改革内容。针对该教学改革内容，笔者结合多年的教学和科研工作，以材料表面技术类课程教学为例，探讨案例式教学方法的设计、应用与实践。

1 课程介绍与案例教学改革

材料表面工程技术是山东科技大学金属材料工程专业的一门专业拓展课程。通过该课程的学习，学生应掌握热喷涂、堆焊、电镀等典型表面处理技术的基本原理和技术手段，熟悉典型表面涂层材料的成分配比、组织结构与性能特点，对表面工程技术领域的国内外研究现状有初步的认识和了解；针对典型工况环境下的机械零件，具备制定材料表面改性工艺路线、实施方案并对改性表面进行组织成分、形貌观察、性能测试及分析的基本能力。该课程所涉及教学内容和工业生产紧密关联，具有较强的实践性，授课时间安排在大三下学期，因为学生已经完成了对材料科学基础、固体相变、材料分析测试技术等课程的学习，掌握了基本的专业理论知识，为该课程实施案例教学奠定良好的基础。

该课程授课内容和山东科技大学材料学科专业特色研究方向紧密结合，授课教师长期从事该领域的科学研究，与海工、冶金、船舶等行业企业建有产学研合作关系。在学生已经具备一定理论知识和实践能力的基础上，从能力培养的角度出发，将专业课程教学和工程实践课题与学科领域的相关科研工作结合，把重点教学内容开发成教学案例，并引入课堂教学，有助于激发学生的学习热情和探索精神，学会把专业知识应用于工程或科研实践，全面提升其分析问题和解决问题的能力，达成专业培养的目标[10，11]。将企业生产中的课题和科研项目开发成教学案例，并引入专业课程的教学，建设高质量的案例库，对学生能力的培养具有重要作用，也是高校课程教学改革的趋势和重要目标。

2 案例库设计实例

2.1 超音速喷涂耐磨蚀陶瓷涂布刮刀技术教学案例

该案例来源于校企合作项目“陶瓷涂布刮刀耐磨蚀涂层技术的开发”，为热喷涂技术章节设计的教学案例。陶瓷涂布刮刀是造纸行业的一个关键品和易损耗品，该产品早期全部依赖进口，目前在中低端产品领域已经实现了国产化，但高端产品仍然被国外垄断，属于造纸行业的技术难题。通过该背景资料的介绍，激发学生的爱国心和对该产品的科研兴趣，进一步提出该产品的服役环境和技术与性能要求，引导学生查阅资料，对耐磨蚀材料、涂层制备工艺进行设计和创新。该产品是超音速喷涂技术在工业中应用的典型案例，学生在掌握超音速喷涂技术原理的基础上，通过与实践结合，学会灵活运用所学知识和方法解决生产中的问题，可以更好地为生产实践服务。

2.2 煤气化炉管壁防护涂层技术教学案例

该案例来源于863 研究课题“耐磨蚀组合涂层等离子熔射制备及表征技术”，为高能束熔覆技术章节设计的教学案例。煤气化炉管壁承受高温、高压、煤裂解气化催化剂冲刷和SO42-、Cl-等侵蚀，腐蚀极为严重，为煤气化设备行业中的共性难题，通常采用等离子熔覆镍基高温合金涂层进行表面防护，高温抗冲蚀涂层材料的设计、高性能涂层制备技术的研究一直是国内外的研究热点。结合该案例教学，使学生了解材料在高温腐蚀性氛围下的失效机理，熟悉高温防护涂层材料的选择依据，适用于现场施工的涂层制备工艺，以及提升产品性能的改进措施等。在教学过程中，需要设计好明确的课题要求，合理限制查阅资料的范围和方向，引导学生更有效率地收集资料，鼓励学生进行大胆的创新，对于有价值的创意和思路，结合科研工作让学生在课后进行实验验证。

2.3 石油行业抽油管的镀层强化技术教学案例

该案例来源于企业合作项目“镍碳复合表面处理技术服务合作协议”，为电镀技术章节设计的教学案例。抽油管长度一般8-12m，内径φ48-100mm 等不同规格，这种细长管件的内壁强化通常采用电镀技术。由于原油中含有H2S、Cl-等腐蚀性介质，原油中的沙粒等对内壁起到冲刷作用，要求内壁具有良好的耐磨和耐蚀性。基于工件结构特点和成本要求，将工艺限定为电镀技术，基于服役环境和性能要求，让学生查阅资料进行涂镀层结构和工艺设计，在应用实践中掌握电镀原理、工艺特点及影响镀层性能的因素等知识。电镀液中含有重金属离子，对水源有污染，目前国家制订了严格的电镀污染物排放标准，电镀技术的发展也朝着绿色无污染方向前进。通过该案例教学的实施，让学生一方面了解该领域的新技术、新发展，另一方面了解工业生产中应遵循的法律法规、环境保护方法等。

2.4 工业链条销轴表面渗铬处理教学案例

该案例来源于企业合作项目“新材料、表面处理技术合作研发及相关检测分析服务”，为表面化学热处理章节设计的教学案例。工业链条是汽车、船舶等发动机传动用关键部件，随着高速传动技术的不断发展，齿形链传动主动链轮的转速通常为5000～8000 r/min，高速传动甚至可达10 000 r/min，其允许磨损伸长率仅为ε≤1%（ε=ΔL/L，ΔL 为链条磨损伸长量，L 为初始链长），对链板和销轴的耐磨性能提出了极高的要求。销轴通常采用表面化学热处理，包括渗氮、渗碳、碳氮共渗、渗金属等。其中，渗铬处理后表面生成一层碳化铬层，显微硬度可达1 700HV0.3，是工业链条销轴表面强化的通用技术[12-14]。通过该案例教学，让学生学会设计渗铬工艺、渗后热处理工艺，探讨渗层形成机理等，将材料物理性能、化学性能、固态相变等多学科知识有机融合，解决工程中的实际问题，锻炼其实践和创新能力。

3 案例教学的实施与思考

在专业课程教学中，结合企业生产课题或科研项目将授课内容融入案例教学中，其关键点在于教学案例的选择和设计。案例一方面应和教学内容密切相关，包含尽可能多的知识点，为学生提供足够的研讨与思维空间。另一方面，案例在内容和结构设计上应符合学生的知识结构和能力特点，既要激发学生的兴趣，又能引领学生主动思考，以点带面，关联知识，让学生在资料查阅和思考的过程中不断深入，主动拓宽知识面，将所学知识和实践应用融会贯通，达到能力培养的目标。

在案例教学的过程中，由于很多学生长期接受被动的填鸭式教育，主动学习和探索的意识较弱，初次接触到案例课题，在思路上往往会处于茫然状态，教师应注意在关键思路和知识点上进行合理的引导和提示，让学生有的放矢，通过资料查阅逐渐形成解决问题的思路。另外，部分案例如煤气化炉管壁防护涂层技术、工业链条渗铬处理可以和专业实验相结合，让学生的想法通过实验结果得到验证，既锻炼了学生的动手能力，又提高了其专业兴趣。

4 结语

把企业课题、科研项目和材料表面技术类课程教学相结合，将案例教学法引入专业课程教学，缩短了教学与工程实践的距离，理论联系实际，有助于激发学生的主体意识，提高学生学习的兴趣和主动性，提高学生的实践和创新能力。同时案例教学法要求教师既应具备深入的理论知识，还应具备丰富的工程实践经验，在对专业理论深入理解的前提下，不断地从生产实践或科研工作中提炼加工出适合教学的案例，实现教学内容和教学案例的有机融合。专业课程教学案例库的建设改变了原有教学模式，将案例教学与实践教学相结合，全面提升了学生的培养质量，本案例库的建设也可以为材料表面与界面、材料腐蚀与防护等课程教学提供有力的支撑。