基于项目驱动法的“摩擦学基础”教学改革探索

2016-02-15康嘉杰王成彪杨义勇付志强朱丽娜

中国地质教育 2016年3期

关键词：摩擦学分工钻杆

康嘉杰，岳文，王成彪，杨义勇，付志强，朱丽娜

中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083

教学方法

基于项目驱动法的“摩擦学基础”教学改革探索

康嘉杰，岳文，王成彪，杨义勇，付志强，朱丽娜

中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083

本文将项目驱动教学法应用于专业课程“摩擦学基础”的教学改革，重点介绍了在“摩擦学基础”教学中实施项目驱动法的具体过程，包括项目计划拟定、项目的实施、项目的结果评价等。实践表明，基于项目驱动法的“摩擦学基础”教学模式发挥了学生的主动性，取得了良好的教学效果。

摩擦学基础；项目驱动教学法；教学改革

fundamentals of Tribology; project driving teaching method; teaching reform

一、课程特点

“摩擦学基础”课程是机械设计制造及其自动化专业本科生的一门专业课，旨在培养学生的机械设计基本技能，提高学生机械学的理论水平。课程教学着重于基本摩擦学理论，使学生了解材料摩擦和磨损的基本原理，以及典型零部件的失效特征与基本分析方法，掌握耐磨材料选择的原则；在实践方面，着重于使学生掌握先进的表面工程技术和防护方法。最终使学生具有运用摩擦学基本理论，基于先进表面工程技术，解决典型易损机械零部件的磨损防护与摩擦学设计的能力。

摩擦学是一门实践性很强的技术基础学科，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关[1]。早在春秋时期，鲁、齐国宫中都设有官员专门负责掌管车子的安全与润滑，诗经中“尔之安行，迹不遑舍，尔之亟行，遑脂尔车”就描绘了给车子加油润滑的场景；公元前1880年，古埃及人使用滑橇搬运巨大雕像时，也有奴隶专门负责在滑橇上添加润滑剂。1965年，英国教育科学研究部发表《关于摩擦学教育和研究报告》，首次提出Tribology(摩擦学)一词，此后，摩擦学作为一门独立的学科受到世界各国工业界和教育研究部门的普遍重视。随着研究模式和研究范畴的不断发展，摩擦学成为一门涉及机械学、力学、材料学、物理学和物理化学等的交叉学科，从而开创了多学科综合研究的模式[2]。

中国科学院咨询研究项目《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》（以下简称“咨询项目”）报告中统计得出，2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金估计为9500亿元，其中如果正确运用摩擦学知识可以节省的人民币估计可达3270亿元，占国内生产总值GDP的1.55%，由于摩擦学在国家工业和高新技术、军事装备中的巨大潜力，咨询项目向教育部提出以下重要建议：（1）加强摩擦学的学历教育和继续教育，培养层次合理的摩擦学专门人才；（2）选定若干所大学设立摩擦学继续教育中心，定期对企业中的各级管理、技术人员和技工进行继续教育和岗位培训，以普及和更新摩擦学知识，强化摩擦学意识；（3）将摩擦学列为大专院校机械类和材料类专业的必修课（专业基础课），引导和鼓励某些非机械类专业（如生物、医学、环境、化工等专业）学生选修摩擦学课程，将摩擦学设为“机械工程”一级学科中的二级学科[3]。

目前，包括中国地质大学（北京）在内的多所高校将“摩擦学基础”等相关课程设置为专业基础课或专业选修课，对培养掌握摩擦学理论与技术的优秀人才起到了积极的作用。但是，纵观全国，熟练掌握摩擦学理论和相关技术，并能解决摩擦学方面问题的专门人才数量还不能满足工业部门的需要。因此，对于机械等专业本科生开展摩擦学理论与技术的教育还需继续加强。

二、传统教学方法的局限性

目前，我校“摩擦学基础”专业课基本还停留在传统的“讲授+实验”教学模式。教师通过多媒体教学，借助图片和视频向学生讲授摩擦学的基本理论，包括固体表面特性、固体的摩擦、润滑原理和磨损机理等，然后基于典型零部件失效特征与分析，引出耐磨材料的选择和各种先进的表面工程技术。并通过实验课，基于机械工程实验教学中心的表面强化设备（如离子硫化和氮化设备、多弧离子镀和磁控溅射设备等）以及摩擦学试验机，使学生通过亲自动手和观摩等形式掌握数种常用的表面强化技术，以及材料的摩擦学性能测试方法。目前，传统的授课模式下学生对于摩擦学基础理论知识和相关技术有了较好的了解和掌握，但是也表现出理论与实践的联系不够紧密，对于摩擦学理论与表面工程技术综合运用存在缺陷的问题。由于摩擦学具有实践性强和多学科交叉的特点，笔者基于项目驱动教学法对“摩擦学基础”课程的教学模式进行了探索和改革。

三、项目驱动法在课程教学中的实践探索

项目驱动教学法是基于CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate，即构思、设计、实现、运行）理念的当代教学模式[4]。项目驱动教学法是以一个完整的项目任务为主线贯穿整个教学过程，以实现项目为目标，主要包括项目计划拟定、项目的实施、项目的结果评价等几个重要部分[5]。基于项目驱动教学法进行的课程设置，是以项目为主线，以学生为中心，教师主要负责项目任务的分配，以及项目实施过程中的指导和监督，最终和学生们一起进行项目结果的评价。从而最大限度地发挥学生的主观能动性，提高学生创新能力和解决实际问题的能力，实现陶行知先生所倡导的“教学做合一”。由于摩擦学具有实践性强和理论与实际联系紧密的特点，使得项目驱动教学法可望在“摩擦学基础”的教学过程中取得令人满意的教学效果。下面以教学改革实施过程中一个典型项目为例，来说明基于项目驱动教学法的“摩擦学基础”课程教学实践探索情况。

1. 项目计划拟定

根据我国各行业中（冶金、铁道、汽车、能源化工、地质装备、农业装备、船舶、军事装备、航空航天等）存在的与摩擦、磨损和润滑相关的实际问题，由教师提出若干项目。如内燃机车活塞—气缸摩擦副的抗磨强化处理技术方案及经济性分析；重型汽车变速箱齿轮表面强化和润滑油添加剂综合技术方案；收割机刀片的磨损失效分析和强化技术；石油钻杆的失效机制和表面耐磨耐蚀强化技术方案；等。

下面以具有能源和地质特色的项目—石油钻杆的失效机制和表面耐磨耐蚀强化技术方案为例，展示学生在项目具体实施中的学习情况和教学效果。

2. 项目的实施

经分组，石油钻杆的失效机制和表面耐磨耐蚀强化技术方案项目由4人小组承担，在小组成员的自主学习和教师的积极指导下，共同完成本项目的实施。

（1）项目的任务分析。

由于本项目具有鲜明的地质和能源背景，组内学生通过查阅相关文献、著作和标准，整理出本项目需要完成的任务：了解和掌握石油钻杆的机械结构；明确钻杆材料的化学成分和理化性能；分析钻杆在服役过程中的受力状态和腐蚀介质作用；基于服役环境拟定钻杆的表面强化方法并设计评价方案。本项目涉及机械学、材料学、力学、化学和表面工程等多个学科。

（2）项目的分工。

通过对项目任务的分析，4人小组在教师的监督和指导下进行了项目分工，具体分工情况如下：① 明确典型石油钻杆的形状参数和材料，查询钻杆的化学成分和主要机械性能参数（硬度、强度、弹性模量、泊松比等），并利用有限元模拟软件建立模型。② 分析钻杆在钻进和提钻过程中的载荷谱，将其施加在有限元模型中，分析应力集中区域的分布规律以及磨损失效机制，并明确钻杆服役时钻井液的主要成分和腐蚀介质指标；③ 针对钻杆服役中承受的力学和化学破坏过程，选定合适的表面强化技术和强化层材料体系，④ 基于实验室设备仪器，拟定强化层的摩擦学性能评价方案并进行模拟实验。在本项目中，小组的4位同学分工明确，并在项目实施过程中互相探讨，全组同学齐心协力完成整个项目，并各有侧重点。

（3）项目的具体实施。

本项目以学生为主体，以教师为主导，项目的具体实施过程为教学的主要阶段，实现“教学做合一”。

项目分工①：学生选取常用钻杆材料34CrMo4钢，并通过查阅文献资料，确定石油钻杆的形状参数和硬度、强度等主要机械性能指标，基于有限元模拟软件完成钻杆零部件的建模。

项目分工②：基于项目分工①的工作，进行钻杆的有限元分析，发现在钻进和提钻过程中，钻杆的接头部位会承受拉应力或压应力，而钻杆表面会与钻屑发生磨粒磨损，并在碱性饱和盐水钻井液中腐蚀介质的作用下发生腐蚀磨损。

项目分工③：基于项目分工②对钻杆在服役工况中典型磨损机制的分析，通过调研资料，确定以热喷涂的方式对钻杆易损表面进行强化，选择超音速火焰喷涂技术在34CrMo4钢钻杆表面制备WC-CoCr涂层，发挥超音速火焰喷涂技术涂层结合力高、孔隙和微缺陷少的优势，结合WCCoCr金属陶瓷涂层兼顾韧性、耐磨性和耐蚀性的特点，全面提升石油钻杆的耐磨耐蚀性能。

项目分工④：基于机械工程实验教学中心的摩擦学实验机，针对制备有WC-CoCr涂层的试样进行模拟摩擦磨损实验，考察和评价强化后试样的摩擦学性能。

在整个项目实施过程中，学生遇到了各种问题和困难，通过自主学习和教师的指导，均圆满完成了项目分工。在各分工阶段，采取1个学生负责，其他学生参与讨论，教师进行监督指导的模式。在交流和讨论的过程中，激发了学生的主动性和积极性，通过互相的质疑和讨论，不但全方面多角度地学习了知识，还锻炼了学生发现问题和团队协作的能力。

3. 项目的结果评价

在小组4位学生的分工协作下，项目圆满完成。对于项目结果的评价，采取学生自评与互评，以及教师评价相结合。各位同学针对自己所完成的分工撰写分工阶段报告，整个小组一起撰写一份项目结题报告，基于“评价+报告”这种开放多元的考核方式，较为全面准确地评价各位学生对摩擦学理论知识和相关技术的掌握程度，给出合理的评分。

四、项目驱动法在课程教学中的难点和关键点

项目驱动教学法应用于“摩擦学基础”课程教学中的难点包括以下两点。(1) 项目任务难度和量的合理性。项目任务的难度和所涉及的专业知识量应较为合理，避免需要学习过多的新知识而消耗过多的时间和精力，使学生无法在固定的课时内完成任务，使教学效果大打折扣。(2) 项目小组组员贡献的合理评价：虽然分工不同，但是项目还是在全体组员的共同努力下完成的，需要注意到不同个体付出的时间、精力和对结果的贡献程度也不尽相同，因此在验收项目时需依据组员的贡献程度给出合理成绩，以免打消同学们的积极性。可见项目驱动法在“摩擦学基础”课程教学中成功应用的关键点在于保证项目任务的合理性和评价验收环节的公平准确。

五、结束语

与传统“讲授+实验”的教学方法相比，将项目驱动教学法应用于“摩擦学基础”的教学过程中取得了可喜的效果，项目驱动教学法体现出了以下优点。(1) 实践性强：给出的项目面向各工业部门中“看得见、摸得着”的典型易损机械零部件，便于学生在实践中掌握理论知识和相关技术。(2) 主动性强：学生拿到项目任务后，成为教学过程的主体，需要主动查阅资料，在教师的指导下学习理论知识，并将理论与实践结合起来，以完成项目提出的任务。(3) 综合性强：在自主完成项目的过程中，需要将不同学科的知识综合运用，包括机械学、材料学、力学、化学等，具有很强的学科综合性和交叉性。(4) 评价合理：由于整个教学过程是以某个项目为主线，在项目的任务分析、计划拟定和分工以及项目实施过程中，每个学生的任务都是较为明确的。在最终评价时能很好地反映学生在整个项目实施过程中的学习能力和学习态度，结合平时的项目不同分工阶段的报告和最终的项目结题报告，可以使评分更为合理地反映学生对摩擦学理论知识和相关技术的掌握程度。

[1] 刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2] 温诗铸，黄平.摩擦学原理[M]. 北京：清华大学出版社，2002.

[3] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.机械工程学科发展战略报告(2011-2020)[M].北京：科学出版社，2010.

[4] 俞国燕，王贵，刘焕牢,等.机械类专业项目驱动式实践教学模式的探索与实践[J].中国大学教学，2014(12)：79-80.

[5] 冯冬菊，王丹虹，徐占国.基于项目驱动的机械制图教学改革[J].实验室科学，2012，15(3)：25-27.

G642

1006-9372（2016）03-0032-03

2016-03-10。

中国地质大学（北京）教学改革项目《机械工程实践教学体系的改革和创新》（JGYB201404）。

康嘉杰，男，讲师，主要从事机械工程的教学和研究工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

康嘉杰, 岳文, 王成彪, 等.基于项目驱动法的“摩擦学基础”教学改革探索[J].中国地质教育，2016，25（3）：32-34.