案例教学模式在“钛合金低成本加工技术”课程中的应用

董月成 王燕怀 张航 李鑫

[摘 要] 该文旨在说明，案例教学是一种将理论知识与实践经验相结合的教学方式，案例教学在“钛合金低成本加工技术”课程中的应用，通过案例材料将抽象事物具体化，使得该课程内容更加生动充实，在举例说明的同时让学生了解、甚至于掌握钛合金低成本加工的相关知识。与传统的教学方式相比，该教学模式更容易被学生理解与接受。运用案例教学模式，不仅达到了教学目标的要求，而且激发了学生的学习兴趣，培养了学生善于思考、勇于探讨的能力，更提升了学生的综合能力，同时也提高了教学质量。

[关键词] 案例教学;钛合金低成本加工技术;教学目标;教学质量

[基金项目] 江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015B128）;南京工业大学专业学位研究生案例教学课程建设项目;南京工业

大学专业学位研究生工程实践创新能力培养重点案例建设项目;江苏省研究生科研与实践创新计划项目（SJCX19_0324）

[作者简介] 董月成（1985—），男，江苏南京人，博士，南京工业大学材料科学与工程学院讲师（通信作者），主要从事钛合金及工程化应用研发。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）23-0010-03    [收稿日期] 2019-11-13

一、引言

钛合金具有强度高、耐腐蚀、高温蠕变性能好等特点，是提高国防安全和国民经济不可或缺的战略材料，广泛地应用于石油化工、航空航天、海洋工程、生物医疗等领域，大幅提高了装备的综合性能，其性能优势也日益凸显。但从另一方面来说，钛合金又因其在高温时与其他材料的化学反应性较差而不能使用传统的精炼、熔融和铸造技术进行生产加工，导致其成本太过昂贵，进而限制了其在很多领域的应用。因此，开发高性能低成本钛合金及其制备技术，并实现产业化生产，对于促进钛合金在国防和民用领域的应用具有重要意义。近年来，各国也都在积极开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。李海峰[1]等人以廉价Fe-Cr中间合金元素替代工业钛合金中较贵的金属V元素，设计出了一种新型Ti-6Al-xFe-yCr低成本合金。冯秋元[2]等人则是从钛合金的加工技术方面着手，利用特殊的熔炼技术和及时添加返还料，来降低钛合金的原料成本和加工成本。目前关于降低钛合金成本的方法无外乎前面提到的两种方法，即降低鈦合金原料成本和降低钛合金加工成本。但由于钛合金涉及的体系较多，内容复杂，传统的教学方法受到了各方面因素的限制，不利于激发学生的学习兴趣及培养学生的综合能力。因而，我们需要找到一种除传统教学方式之外更好的、更合适的教学方式来教授与钛合金相关的内容。

由美国哈佛大学法学院院长克里斯托弗·哥伦姆布斯·朗道尔于1870年最先提出的案例教学方法[3]近年来引起了国内外教育者们的高度关注，也无疑是我们此次选择教学方式的关注焦点。案例是为教学目标服务的，因此它具有典型性（即案例内容具有一定的代表性和普遍性，有助于学生从各个方面对所学理论加以验证，从中得出正确结论），且应该与所对应的理论知识有直接的联系，不但能引起学生的学习兴趣，更能锻炼及提升学生的创新思维能力，是一种很好的教学方式，目前已得到了广泛应用。

本案例教学“钛合金低成本加工技术”以开发钛合金作为研究目标，从教学角度出发，将上述两种方法应用于教学当中，是一门专门致力于开发低成本钛合金的课程。该课程以教师本身所参加的科研项目为例，以开发低成本钛合金作为研究目标，以“如何降低钛合金加工成本”为问题导向，将前人有关于低成本钛合金的研究成果与近年来国内外关于低成本钛合金的研究趋势相结合。通过钛合金成分设计，优化钛合金的熔炼方式，缩短钛合金产品的制备流程，提高钛合金制备效率，实现钛合金高均质、高洁净、低成本、连续化制造等方面进行钛合金低成本加工技术方案建设，系统地向学生展示钛合金低成本加工方面的知识。主要从低成本钛合金成分设计、低成本短流程钛合金生产工艺的设计、钛合金的3D打印技术设计三方面着手，启发学生去思考，如何才能有效降低钛合金的成本这一问题。在积极调动学生的思考能力的同时，将研究理论与教师的科研实践相结合，讲述了关于开发低成本钛合金的主要方法及具体实施过程。这样既有利于激发学生的学习兴趣，也大幅度提高了教学质量，更能体现出案例教学模式的独特价值。

二、案例教学模式

（一）特点

杜威说过，最好的一种教学，就是牢牢记住学校教材和实际经验二者相互联系的接触点[4]。而案例教学模式正好抓住了这一点，将寻找理论和实践恰当结合点的作用发挥得十分有效。案例教学最大的特点就是具有案例型、主体性、互动性、问题性以及实践性。“钛合金低成本加工技术”这门课程就是仅仅抓住了案例教学的这些典型特性，教学过程中更加注重培养学生分析和解决问题、全面学习、人际交往以及其他方面的能力[5]。这也进一步说明了案例教学与其他传统教学模式的区别，不仅教学材料从传统的教科书转化成了典型的案例材料，而且教学过程也不单单只是教师全程讲授，反而是学生与学生之间、学生与教师之间的讨论和辩论。就连教学目的也发生了改变，传统的教学主要是为了向学生传授知识，而案例教学更注重培养学生方方面面的综合能力。

（二）典型案例的选取

教学案例的质量高低，选用案例与教学目标、教学条件和学生自身情况的切合程度，都将直接影响案例教学的成败[6]。所以怎样选择案例，才能更确切明了地说明问题且不失代表性与目的性，需要遵循以下几个案例选取原则：

第一，需注重案例的真实性[6]。案例教学过程中所选的案例材料必须是真实发生过的，有理有据，有完整的过程记录等等。这样更容易使学生融入当时的情景，从自身真实感受出发，做出理性的分析与判断。

第二，需注重案例的典型性[6-7]。所選案例要与教学内容与教学目的有高度关联性，这样更容易激发学生的思维和应变能力，达到真正的教学目的。

第三，选取的案例难度要适中[8]。选取案例的难易水平应该与学生的真实水平相辅相成，同步提升，保证每个学生都能参与其中，积极探讨学习。

三、案例教学的具体内容

该案例教学以开发低成本钛合金为主要目标，主要从钛合金特点、成分设计、熔炼方式、制备流程等方面向学生介绍有关低成本钛合金开发的相关知识，先让学生初步了解有关低成本钛合金相关的知识。进而成立案例讨论小组，通过典型案例的讲解、学生之间的互动、探讨解决方案、学生动手实践等，对之前学习的知识加以应用，以达到最终想要的教学效果。

（一）低成本钛合金成分设计

想要得到低成本高性能的钛合金，首先考虑的应该是其成分问题，这也是从降低钛合金原材料成本来得到低成本钛合金的一种方法。该方法应用已经比较成熟，案例选取就拿大家最熟悉的Ti-6Al-4V来说，主要包括以下几个方面：（1）采用相对廉价的元素进行钛合金成分设计，如采用Fe、Nb等廉价元素代替V等昂贵元素，用O、N等元素代替Al元素，设计出一种新型钛合金Ti-6Al-xFe/Ti-6Al-xNb，在保证钛合金优良综合性能的前提下降低原料成本;（2）返回料回收利用，钛合金生产过程中，由于切头、切边、表面车削清理等加工需要，会产生大量的钛合金返回料，而返回料重复利用的成本只有海绵钛原料的30%～40%。因此在熔炼合金铸锭时大量添加返回料，可起到显著降低原料成本的作用。（3）利用元素合金化原理，改善钛合金的冷热变形性能，降低变形抗力，从而降低钛合金的加工成本。这不仅可以让学生了解到钛合金本来的面貌，还可以更深入的吸引学生，使其能够在日后的学习当中找准思路，明确目标。

（二）低成本短流程钛合金生产工艺的设计

目前最主流的生产钛及钛合金铸锭方法为真空自耗电弧炉（VAR），然而VAR技术不可避免的会出现宏观和微观偏析，残钛利用率低，不能有效去除高、低密度夹杂等，限制了其在熔炼高质量钛合金中的应用。

本案例设计了一种开发钛合金短流程连铸连轧新型工艺技术。采用自主设计的连续进料系统、等离子枪冷床熔炼系统和管棒材一体化结晶器系统，成功实现了钛合金低成本短流程的制备工艺。相比较传统的真空自耗电弧炉（VAR）熔炼方式，该工艺省去了压制电极，焊接电极等复杂工序，已逐步开展钛合金熔体提纯、钛合金凝固等关键工艺技术方面的研究工作。本案例建设还是选取Ti-6Al-4V钛合金棒材连铸技术为对象，使学生更加深刻的了解，相比较传统技术，通过短流程加工，如何将生产成本降低30%以上，从而引导学生进行更深入的思考。

（三）钛合金的3D打印技术设计

3D打印技术集概念设计、技术验证与生产制造于一体，可快速实现小规模产品创新，缩短研发时间。通过3D打印某些零件，可节约材料，3D打印所特有的增材制造技术能使原材料利用率高达90%，降低生产成本，没有复杂的传统工艺，缩短制造时间，且可制造出形状复杂的零部件。基于课题组现有的研究成果及研究内容，也考虑到教师本身的教学目标。针对钛合金3D打印技术在航空航天领域的广泛应用背景，对实现薄壁、复杂钛合金产品的整体化制造上的成本优势进行重点案例教学。这一重点案例教学，利于学生对比传统工艺与新型工艺之间的优缺点，在这里除了突出3D打印这一热门技术的先进性，更多的是想呈现其局限性，以及传统加工工艺的优点，使学生了解到，传统并不意味着落后，新型也并不意味着万能，引发学生对研究方向的思考。

四、结束语

在“钛合金低成本加工技术”的教学过程中，通过采用案例教学模式，让学生了解低成本钛合金生产过程，包括成分设计、加工方法选择以及加工流程等。通过对传统加工方法与新型加工工艺的对比，拿大家熟悉的案例作为教学材料，巧妙的将理论与实际结合起来，将学生置身于整个教学情境当中，使得学生能积极参加讨论交流，并且能很好的理解并掌握一些比较抽象的理论知识，锻炼了学生独自思考的能力，提高了学生的学习热情，同时也提高了整个课程的教学质量，达到了教学目标。

参考文献

[1]李海峰，董福宇，张悦，等.低成本Ti-Al-Fe-Cr合金的组织与性能研究[J].热加工工艺，2017（04）：73-75+79.

[2]冯秋元，佟学文，王俭，等.低成本钛合金研究现状与发展趋势[J].材料导报，2017（5）.

[3]曹键财，谢东莹.共探职业指导课程设计与案例的融合[J].课程教育研究，2013（7）：35-35.

[4]关秋，陈梅.案例教学的理论研究综述[J].教育与职业，2011（20）：147-148.

[5]魏可媛，赵勇.普通高校教学质量评价体系建设-基于创新人才培养的视角[M].南昌：江西人民出版社，2018.9.

[6]邓秀焕，方红.案例教学综述[J].连锁与特许：管理工程师（11期）：44-45.

[7]辛立军，陈明华，周岐，等.案例教学法在焊接结构课程教学中的应用[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019，21（01）：124-126.

[8]孙汝杰.基于情景案例的文献检索课程设计[J].上海高校图书情报工作研究，2014（02）：24-26.

Application of Case Teaching Model in Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy

DONG Yue-cheng，WANG Yan-huai，ZHANG Hang，LI Xin

（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing，Jiangsu 211816，China）

Abstract：Case teaching is a teaching method that combines theoretical knowledge with practical experience.Case teaching is applied in the course on Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy.The case material is used to embody the abstract things，making the content of the course more vivid and fulfilling.At the same time，the students can understand and master the knowledge about low-cost processing of titanium alloy.Compared with traditional teaching methods，case teaching method makes the relevant knowledge  more easily understood and accepted by students.The use of the case teaching model not only meets the requirements of the teaching objectives，but also stimulates students' interest in learning，cultivates their ability to think and explore，enhances their comprehensive ability，and improves the teaching quality.

Key words：case teaching;Low-cost Processing Technology of Titanium Alloy;teaching objectives;teaching quality