案例教学模式在《稀有金属材料加工》课程中的应用

董月成 李峰 刘畅 李鑫

摘要：案例教学的主旨是让学生通过对实际案例进行思考与分析，从而更加深入地了解学科内容，提高综合分析能力。将案例教学模式应用在《稀有金属材料加工》课程中，就是将专项研究与具体的工程实例相结合，可以让学生更加了解稀有金属材料加工的工程背景和实际加工过程，调动学生学习的积极性，提高教学质量。

关键词：案例教学;材料加工;教学质量

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）14-0264-02

一、引言

探究材料的加工过程是研究稀有金属材料的一个基础环节，稀有金属材料通过材料加工过程来获取最终的应用成品，因而在金属材料专业开设稀有金属材料加工这门课程至关重要。稀有金属材料主要包括难熔金属（钛、钨、钼、钽、铌、锆、铪、铼）和贵金属（钌、铑、钯、金、银、铂等）两大类共15种，这些金属在熔点、密度、抗氧化性及变形抗力等物理性能方面有较大差别，加工技术各具特色。其中钛合金作为应用较为广泛的稀有金属材料，具有强度高、耐腐蚀性能优异、无磁性等优点，在航空航天、舰船、化工、医疗等领域具有重要应用，是重要的战略金属材料，其性能优势越来越被认可。

案例教学法由美国哈佛法学院前院长朗代尔于1870年最先提出[1]，之后在1986年美国卡内基小组提出《准备就绪的国家：二十一世纪的教师》的报告书中，特别提出案例教学法在教师资格培训课程中的价值[2]。

本课程以钛合金为探究对象，根据国内外稀有金属材料及其制备技术发展现状和趋势，以教师参与的科研项目中具体的应用案例为牵引[3]，帮助学生学习了解稀有金属材料的加工过程和制备工艺，从材料本身出发，系统地探究成分、熔炼、锻造、轧制、热处理等全流程加工工艺对钛合金制品组织和性能的影响。此外，在传统加工方式的基础上介绍精密铸造、超塑成形/扩散连接、粉末冶金及3D打印等钛合金制品成型新技术，以帮助学生更好地理解传统与新兴技术的区别和联系。稀有金属材料加工是一门与实际工程密切关联的课程，将案例教学法融入课程教学是一种很好的教学模式，有助于提高课程的教学效果。

二、典型案例的选择

“兴趣是最好的老师”[4]，但是学生在上专业课程的时候，常常因为没有实践经验而难以理解教师所讲解的理论知识，从而对课程的学习失去兴趣甚至信心，因而如何提高学生的上课积极性，以及增强学习的信心是每位教师一直在追求和探索的。在工学课程中，由于课程与实际联系紧密，因而对于这个方面的探索显得格外重要。《稀有金属材料加工》是结合实际工况进行研究和探索的一门课程，使用案例教学的授课模式可以很好地结合实际，通过案例教学这种特殊的授课方式弥补传统教学的不足，让学生不仅从理论上认知和学习课程，而且锻炼学生将理论知识与实践结合的能力，使得学生了解和参与到工程实践及科研项目中来，从而进一步提高学生的综合能力和素质[5]。因此，对于课程中案例的选择必须具有一定的特性，通常应该具有以下几个要求。

1.案例需要具有典型性和目标性。在实际的稀有金属材料加工中，由于材料不同，成品性能尺寸要求不同，加工方法的选择会大相径庭，因此在选择案例时，应该注重课程教学的最终目标，根据目标有针对性地选择案例。

2.案例要具有真实可靠性。所学课程对学生而言是一个新的领域，只有常见的典型案例才能让学生对课程有切身的体会，激起学生学习的积极性，对所学内容有更深入的了解，从而起到引导学生学习的作用。

3.案例分析讨论的难度需要适中。随着学生对课程认知的逐步深入，案例的难度不断提高，案例的难度与学生学习的进度应保持一致，使学生逐步获取知识，保证学生学习的积极性。

三、案例教学的具体内容

稀有金属材料加工课程将钛合金作为研究和建设对象的代表，从实践出发，根据钛合金制品的加工过程，对传统加工流程中的熔炼与热加工这两种主要影响钛合金制品组织和性能的加工流程进行相关案例分析，较为系统地向学生展示以钛合金为代表的稀有金属材料加工方面的知识。首先通过案例让学生对于钛合金制品的制备过程有整体认知，之后再布置新型钛合金的制备任务，让学生通过之前的认知进行分组讨论并设计新型钛合金的整个制备工艺，巩固之前学到的知识。

1.钛合金的熔炼。要想获取钛合金制品，第一个环节就是熔炼钛合金，在整个钛合金的制备过程中，它是保证钛合金最终制品具有优异性能最重要、最关键的一环，其熔炼的优劣直接决定后续加工的成品的性能指标是否达到产品要求。主要通过防止熔炼过程中成分偏析，控制杂质含量等手段获得高品质的均匀铸锭。案例选择最常用的是TC4钛合金，向学生展示该合金的基本熔炼过程，主要包括：（1）原始物料的準备。根据最终需要的铸锭尺寸以及成本确定所需的合金元素的添加方式，例如，铸锭尺寸较大，如要添加Fe元素，则可以选择纯度较高的铁钉;铸锭尺寸较小，则可以选择纯度较高的纯铁颗粒。（2）坩埚的选择。同样根据铸锭尺寸选择坩埚的大小。（3）冷却速度的控制。冷却速度过快会产生缺陷。

在整个展示过程中不断引导学生思考如何使熔炼更加均匀地进行，这样才能减少杂质元素，例如碳氮氧氢这类元素的实际含量，从而获取成分均匀稳定的TC4铸锭，最后再思考这些步骤对于所有钛合金铸锭是否都适用。通过案例教学，让学生对于材料的第一步制备工艺有一定的了解。

2.钛合金的锻造。钛合金的热加工是获得合金制品的第二个环节，最常用的是锻造工艺，它也是决定制品组织和性能的关键环节，细化晶粒、保证组织变形均匀以及防止加工过程裂纹生成等是这一环节的重点。同样也从TC4合金的案例出发，具体展示的锻造过程分为以下几步：（1）确定锻造的具体工艺参数。根据最终成品所需的组织与性能确定锻造火次及锻造温度。（2）确定锻造前的保温时间。根据样品的厚度确定一个省时省钱的保温时间。（3）随时观察锻造的样品，如表面开裂则及时结束本火次的锻造。