《材料成型与加工》研究生课程案例式教学探索

＊罗宏 李新跃 李明田 附青山 蒲泽军 罗昌森

（四川轻化工大学材料科学与工程学院 四川 643000）

《材料成型与加工》是材料与化工专业硕士学位课程，课程主要沿用了课堂讲授为主的多媒体教学方式，相对教学方法比较单一，对充分调动学生的学习积极性、主动性重视不够，对学生创新能力和实践能力的培养不理想。此外，教学内容与本科《材料工程基础》等课程内容存在交叉重复，教学内容缺乏先进性，教学效果不甚理想。文献[1-2]探讨了专业学位硕士研究生的课程教学改革，实践能力培养改革，培养模式创新等。案例教学最早在美国哈佛商学院教学中进行应用，通过对案例的分析讨论，提高解决实际问题的能力[3-4]。《材料成型与加工》是实践性很强的一门课程,非常适合案例教学以提高学生的创新能力和实践能力。

1.案例库建设

案例库建设以材料成型与加工为主线，主要包括：材料成型与加工典型案例，材料的服役与失效分析典型案例，新材料新技术新工艺案例。案例库建设强调综合性、创新性、实用性、趣味性。

(1)建设目标

①提高材料硕士研究生基础理论水平

通过案例教学，掌握材料加工的原理、材料性能及制备方法，使基础理论与应用结合。选用的案例结合企业生产实际，回归工程教育本质。

②提升学生学习能力和推动教学方法改革

通过案例教学，一方面拓展研究生自主学习空间，改变学习模式；另一方面，提升和改变教师教学方法和方式，提高学生研究能力和实际动手能力，为研究生后续学习、研究过程打下基础。

③提高研究生工程素养和综合素质

通过案例教学，增强师生互动，激发学生学习热情。加强校企联系，推动校企合作，提高研究生工程素养和综合素质培养对材料专业的认同感，激发研究兴趣，培养实践能力。

(2)可行性分析

案例库建设是学生提升理论与实践结合能力的有效载体。随着课程案例资源的进一步丰富，案例资源整合及案例库共享机制探索具有重要意义，以互联网等信息化手段为媒介，结合虚拟仿真技术，各相关课程、各教学单位之间可以积极开展案例研究、开发和使用等方面的线上及线下交流与合作，建立案例研究、开发、使用和共享的公共平台。

2.案例教学实践

(1)案例教学设计分析

《材料成型与加工》案例库共15个项目，涉及金属材料成型与加工、高分子材料的成型与加工、粉末冶金成型、材料服役与失效分析等内容，部分案例教学项目见表1。

表1 部分案例教学项目一览表

续表

案例教学主要作用是通过阐述基本概念、基本原理，选择合适的工艺方法，达到使用性能的要求。如：《W6Mo5Cr4V2钢冷挤压模具热处理》案例，要求学生通过查阅文献，了解和掌握冷作模具用钢的种类及性能要求等，掌握热处理工艺方法对零件机械性能的影响。最终，依据材料基本原理，选择合适的热处理工艺方法。通过具体真实的工程案例，巩固所学基本理论。通过案例启发教育，使学生的理论知识得到进一步提高。这一部分，将《材料结构与性能》《材料成型与加工》等几门课程的知识串联起来，融会贯通材料结构与性能的关系，选择合适的加工方法，引导学生兴趣，从而达到提高基础理论水平和创新能力、实践能力的目的。

材料加工制备是研究生创新能力培养的必要环节。案例包括材料加工制备的新技术、新方法等。如《聚醚醚酮（PEEK）的挤出成型》，案例根据给定的PEEK原料和挤出线材目标任务，选择适合PEEK的挤出机及螺杆、模具和辅助设备等，制定合适的挤出成型工艺，分析挤出过程中可能出现的问题及解决方案。通过查阅文献，了解和掌握挤出机的种类、结构及基本操作，了解挤出成型的辅助设备、塑料挤出成型工艺过程，掌握PEEK挤出成型工艺特性等。

(2)高压储氢容器的成型与加工工艺案例教学

该案例教学方案包括教学目标、教学重点和难点及案例教学内容设计等，具体方案如下。

①教学目标：了解加氢站储氢容器；分析加氢站储氢容器的材料选择与成型与加工工艺，培养学生分析解决实际问题的能力。

②教学重点：储氢容器的材料选择原则、成型与加工工艺制定中主要考虑的问题。

③案例教学内容设计

A.任务：高压储氢容器的材料选择、制定成型与加工工艺。

B.预习

通过查阅文献，了解和掌握以下内容：

a.什么是氢能？为什么要大力发展氢能产业？国家有哪些相关政策？

b.氢气的制备、运输、储存有哪些难点及其解决方法？

c.高压容器的材料选择有哪些原则？有哪些成型与加工工艺？

d.加氢站储氢容器的成型与加工工艺通常有哪些？

C.课堂讨论

学生制作PPT并讲解，同学讨论，老师点评。

D.知识拓展

对自贡市氢能产业的发展有什么建议？

E.参考文献

《压力容器设计手册》《储氢技术与材料》《氢能汽车蓝皮书》、相关学术论文等。

(3)DN50×7.5mm PEEK/碳纤维复合管挤出工艺案例教学

该案例教学方案包括教学目标、教学重点和难点及案例教学内容设计等，具体方案如下。

①教学目标：了解PEEK的基本物性参数、挤出机的基本结构，掌握高温单螺杆挤出机及挤出模具的结构和基本操作；掌握PEEK/碳纤维复合管挤出成型工艺。针对PEEK的特性选择挤出加工设备，制定PEEK/碳纤维复合管挤出成型的工艺过程；能分析PEEK/碳纤维复合管挤出过程中出现的各种问题，找出相应的解决方案。

②教学重点：针对性的制定PEEK/碳纤维复合管材挤出成型工艺，如何分析并解决挤出成型过程中出现的问题。

③案例教学内容设计

A.任务

在海底和深层地下采油的过程中，油气输送管道需要承受内部油气的高压和外部环境的腐蚀，这就要求管材有强大的抗压能力和良好的耐腐蚀能力。因此，根据给定的PEEK原料和挤出管材目标任务，选择适合PEEK的挤出机及螺杆、模具和辅助设备等，制定合适的PEEK/碳纤维复合管材挤出成型工艺，分析PEEK/碳纤维复合管材挤出过程中可能出现的问题及解决方案。

B.预习

通过查阅文献，了解和掌握以下内容：

a.什么是PEEK？其具有哪些优异的性能？PEEK与碳纤维制备复合管材的优势何在？

b.了解挤出机的种类及基本操作过程；

c.了解PEEK/碳纤维复合管材挤出成型的辅助设备有哪些？

d.了解塑料挤出成型工艺过程，掌握PEEK/碳纤维复合管材挤出成型工艺特性；

e.PEEK/碳纤维复合管材挤出有哪些难点及其解决方法？

C.课堂讨论

学生制作PPT并讲解，同学讨论，老师点评。

D.知识拓展

挤出机的结构及其对制品性能的影响，怎样制定高性能的PEEK/碳纤维复合管材挤出成型工艺。

E.参考文献

《塑料挤出成型工艺员手册》、聚醚醚酮相关学术论文等。

3.教学效果及存在的问题和改进措施

(1)教学效果

《高压储氢容器的成型与加工工艺》案例教学和《油气输送用碳纤维/PEEK复合管材挤出成型工艺》案例教学在材料与化工专业研究生中实施，进行了课堂讨论，学生就案例教学的要求提交了设计方案。《高压储氢容器的成型与加工工艺》部分学生提交的作业，见表2。

表2 高压储氢容器的成型与加工工艺

《油气输送用碳纤维/PEEK复合管材挤出成型工艺》案例分析，学生的作业主要包括以下内容：①温度控制：PEEK的挤出成型温度包括料筒、机头和口模等温度控制；②转速控制：对于PEEK/碳纤维复合材料加工过程中，尽量保证螺杆转速的稳定，避免螺杆转速的不稳定，导致碳纤维在PEEK中的分布不均匀，影响挤出管材性能的稳定；③油气输送用碳纤维/PEEK复合管材设计，满足《SY/T 6662.2柔性复合高压输送管行业标准》要求。

(2)存在的问题和改进措施

①案例教学内容的选取

案例教学目的是培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，案例的选择必须结合课程教学内容和学生实际工作经验不足等因素综合考虑[5]。现有的教学案例少而分散，部分案例缺乏行业背景的依托，另有部分案例脱离实际，制定出的案例还会出现通用性、科学共性较差的问题。由于缺乏校企长效合作，部分案例理论性太强，不能反映生产实际。案例教学内容的选取既要考虑教学内容的先进性、创新性，又要考虑学生的理论知识水平和横向拓展的知识面，同时学生缺乏工程经验，因此教学内容的选取和设计都要兼顾这些基本情况，既要达到培养学生创新能力和工程能力的目的，又要切合实际。

②教学手段多样化

目前的案例教学大多根据《案例教学任务书》完成设计方案，略显单一。可以与现场教学项结合，或采用多媒体手段，或线上线下混合教学等手段进行互动，丰富教学内容，提高学生的学习兴趣，达到更好的教学效果。

③教师工程实践能力的培养与提高

实施案例教学的教师首先要具备丰富的理论知识和工程经验，具有相关企业工作经历。《材料成型与加工》课题组共有教师5人，都具有教授职称，其中3人具有10多年在企业从事材料成型与加工相关工作经历。随着材料成型与加工技术的不断进展，新材料新技术的不断应用，对教师也提出了更高的要求，需要通过从事科研或企业挂职等方式不断地学习和提高工程教学能力。

4.结束语

案例教学有助于促进学生创新能力和工程能力的培养，可以充分利用线上线下的教学资源，值得大力推广。但案例教学的内容设计、教学效果评价与反馈等方面都需要同步设计，教学手段多样化，才能取得更好的教学效果。