康嘉杰，岳 文，王成彪，楊義勇，付志強(qiáng)，朱麗娜

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083

教學(xué)方法

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)改革探索

康嘉杰，岳 文，王成彪，楊義勇，付志強(qiáng)，朱麗娜

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083

本文將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于專業(yè)課程“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)改革，重點(diǎn)介紹了在“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的具體過程，包括項(xiàng)目計(jì)劃擬定、項(xiàng)目的實(shí)施、項(xiàng)目的結(jié)果評價(jià)等。實(shí)踐表明，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)模式發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，取得了良好的教學(xué)效果。

摩擦學(xué)基礎(chǔ)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法；教學(xué)改革

fundamentals of Tribology; project driving teaching method; teaching reform

一、課程特點(diǎn)

“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科生的一門專業(yè)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)基本技能，提高學(xué)生機(jī)械學(xué)的理論水平。課程教學(xué)著重于基本摩擦學(xué)理論，使學(xué)生了解材料摩擦和磨損的基本原理，以及典型零部件的失效特征與基本分析方法，掌握耐磨材料選擇的原則；在實(shí)踐方面，著重于使學(xué)生掌握先進(jìn)的表面工程技術(shù)和防護(hù)方法。最終使學(xué)生具有運(yùn)用摩擦學(xué)基本理論，基于先進(jìn)表面工程技術(shù)，解決典型易損機(jī)械零部件的磨損防護(hù)與摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的能力。

摩擦學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，它的形成和發(fā)展與社會(huì)生產(chǎn)要求和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)[1]。早在春秋時(shí)期，魯、齊國宮中都設(shè)有官員專門負(fù)責(zé)掌管車子的安全與潤滑，詩經(jīng)中“爾之安行，跡不遑舍，爾之亟行，遑脂爾車”就描繪了給車子加油潤滑的場景；公元前1880年，古埃及人使用滑橇搬運(yùn)巨大雕像時(shí)，也有奴隸專門負(fù)責(zé)在滑橇上添加潤滑劑。1965年，英國教育科學(xué)研究部發(fā)表《關(guān)于摩擦學(xué)教育和研究報(bào)告》，首次提出Tribology(摩擦學(xué))一詞，此后，摩擦學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科受到世界各國工業(yè)界和教育研究部門的普遍重視。隨著研究模式和研究范疇的不斷發(fā)展，摩擦學(xué)成為一門涉及機(jī)械學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)和物理化學(xué)等的交叉學(xué)科，從而開創(chuàng)了多學(xué)科綜合研究的模式[2]。

中國科學(xué)院咨詢研究項(xiàng)目《摩擦學(xué)科學(xué)及工程應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡稱“咨詢項(xiàng)目”）報(bào)告中統(tǒng)計(jì)得出，2006年全國消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金估計(jì)為9500億元，其中如果正確運(yùn)用摩擦學(xué)知識可以節(jié)省的人民幣估計(jì)可達(dá)3270億元，占國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的1.55%，由于摩擦學(xué)在國家工業(yè)和高新技術(shù)、軍事裝備中的巨大潛力，咨詢項(xiàng)目向教育部提出以下重要建議：（1）加強(qiáng)摩擦學(xué)的學(xué)歷教育和繼續(xù)教育，培養(yǎng)層次合理的摩擦學(xué)專門人才；（2）選定若干所大學(xué)設(shè)立摩擦學(xué)繼續(xù)教育中心，定期對企業(yè)中的各級管理、技術(shù)人員和技工進(jìn)行繼續(xù)教育和崗位培訓(xùn)，以普及和更新摩擦學(xué)知識，強(qiáng)化摩擦學(xué)意識；（3）將摩擦學(xué)列為大專院校機(jī)械類和材料類專業(yè)的必修課（專業(yè)基礎(chǔ)課），引導(dǎo)和鼓勵(lì)某些非機(jī)械類專業(yè)（如生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、化工等專業(yè)）學(xué)生選修摩擦學(xué)課程，將摩擦學(xué)設(shè)為“機(jī)械工程”一級學(xué)科中的二級學(xué)科[3]。

目前，包括中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在內(nèi)的多所高校將“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”等相關(guān)課程設(shè)置為專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)選修課，對培養(yǎng)掌握摩擦學(xué)理論與技術(shù)的優(yōu)秀人才起到了積極的作用。但是，縱觀全國，熟練掌握摩擦學(xué)理論和相關(guān)技術(shù)，并能解決摩擦學(xué)方面問題的專門人才數(shù)量還不能滿足工業(yè)部門的需要。因此，對于機(jī)械等專業(yè)本科生開展摩擦學(xué)理論與技術(shù)的教育還需繼續(xù)加強(qiáng)。

二、傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性

目前，我校“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”專業(yè)課基本還停留在傳統(tǒng)的“講授+實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式。教師通過多媒體教學(xué)，借助圖片和視頻向?qū)W生講授摩擦學(xué)的基本理論，包括固體表面特性、固體的摩擦、潤滑原理和磨損機(jī)理等，然后基于典型零部件失效特征與分析，引出耐磨材料的選擇和各種先進(jìn)的表面工程技術(shù)。并通過實(shí)驗(yàn)課，基于機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的表面強(qiáng)化設(shè)備（如離子硫化和氮化設(shè)備、多弧離子鍍和磁控濺射設(shè)備等）以及摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，使學(xué)生通過親自動(dòng)手和觀摩等形式掌握數(shù)種常用的表面強(qiáng)化技術(shù)，以及材料的摩擦學(xué)性能測試方法。目前，傳統(tǒng)的授課模式下學(xué)生對于摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論知識和相關(guān)技術(shù)有了較好的了解和掌握，但是也表現(xiàn)出理論與實(shí)踐的聯(lián)系不夠緊密，對于摩擦學(xué)理論與表面工程技術(shù)綜合運(yùn)用存在缺陷的問題。由于摩擦學(xué)具有實(shí)踐性強(qiáng)和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，筆者基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法對“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式進(jìn)行了探索和改革。

三、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在課程教學(xué)中的實(shí)踐探索

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是基于CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate，即構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）理念的當(dāng)代教學(xué)模式[4]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是以一個(gè)完整的項(xiàng)目任務(wù)為主線貫穿整個(gè)教學(xué)過程，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目為目標(biāo)，主要包括項(xiàng)目計(jì)劃擬定、項(xiàng)目的實(shí)施、項(xiàng)目的結(jié)果評價(jià)等幾個(gè)重要部分[5]?；陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法進(jìn)行的課程設(shè)置，是以項(xiàng)目為主線，以學(xué)生為中心，教師主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目任務(wù)的分配，以及項(xiàng)目實(shí)施過程中的指導(dǎo)和監(jiān)督，最終和學(xué)生們一起進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)果的評價(jià)。從而最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)陶行知先生所倡導(dǎo)的“教學(xué)做合一”。由于摩擦學(xué)具有實(shí)踐性強(qiáng)和理論與實(shí)際聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，使得項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法可望在“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)過程中取得令人滿意的教學(xué)效果。下面以教學(xué)改革實(shí)施過程中一個(gè)典型項(xiàng)目為例，來說明基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)實(shí)踐探索情況。

1. 項(xiàng)目計(jì)劃擬定

根據(jù)我國各行業(yè)中（冶金、鐵道、汽車、能源化工、地質(zhì)裝備、農(nóng)業(yè)裝備、船舶、軍事裝備、航空航天等）存在的與摩擦、磨損和潤滑相關(guān)的實(shí)際問題，由教師提出若干項(xiàng)目。如內(nèi)燃機(jī)車活塞—?dú)飧啄Σ粮钡目鼓?qiáng)化處理技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)性分析；重型汽車變速箱齒輪表面強(qiáng)化和潤滑油添加劑綜合技術(shù)方案；收割機(jī)刀片的磨損失效分析和強(qiáng)化技術(shù)；石油鉆桿的失效機(jī)制和表面耐磨耐蝕強(qiáng)化技術(shù)方案；等。

下面以具有能源和地質(zhì)特色的項(xiàng)目—石油鉆桿的失效機(jī)制和表面耐磨耐蝕強(qiáng)化技術(shù)方案為例，展示學(xué)生在項(xiàng)目具體實(shí)施中的學(xué)習(xí)情況和教學(xué)效果。

2. 項(xiàng)目的實(shí)施

經(jīng)分組，石油鉆桿的失效機(jī)制和表面耐磨耐蝕強(qiáng)化技術(shù)方案項(xiàng)目由4人小組承擔(dān)，在小組成員的自主學(xué)習(xí)和教師的積極指導(dǎo)下，共同完成本項(xiàng)目的實(shí)施。

（1）項(xiàng)目的任務(wù)分析。

由于本項(xiàng)目具有鮮明的地質(zhì)和能源背景，組內(nèi)學(xué)生通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、著作和標(biāo)準(zhǔn)，整理出本項(xiàng)目需要完成的任務(wù)：了解和掌握石油鉆桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)；明確鉆桿材料的化學(xué)成分和理化性能；分析鉆桿在服役過程中的受力狀態(tài)和腐蝕介質(zhì)作用；基于服役環(huán)境擬定鉆桿的表面強(qiáng)化方法并設(shè)計(jì)評價(jià)方案。本項(xiàng)目涉及機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和表面工程等多個(gè)學(xué)科。

（2）項(xiàng)目的分工。

通過對項(xiàng)目任務(wù)的分析，4人小組在教師的監(jiān)督和指導(dǎo)下進(jìn)行了項(xiàng)目分工，具體分工情況如下：① 明確典型石油鉆桿的形狀參數(shù)和材料，查詢鉆桿的化學(xué)成分和主要機(jī)械性能參數(shù)（硬度、強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等），并利用有限元模擬軟件建立模型。② 分析鉆桿在鉆進(jìn)和提鉆過程中的載荷譜，將其施加在有限元模型中，分析應(yīng)力集中區(qū)域的分布規(guī)律以及磨損失效機(jī)制，并明確鉆桿服役時(shí)鉆井液的主要成分和腐蝕介質(zhì)指標(biāo)；③ 針對鉆桿服役中承受的力學(xué)和化學(xué)破壞過程，選定合適的表面強(qiáng)化技術(shù)和強(qiáng)化層材料體系，④ 基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器，擬定強(qiáng)化層的摩擦學(xué)性能評價(jià)方案并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在本項(xiàng)目中，小組的4位同學(xué)分工明確，并在項(xiàng)目實(shí)施過程中互相探討，全組同學(xué)齊心協(xié)力完成整個(gè)項(xiàng)目，并各有側(cè)重點(diǎn)。

（3）項(xiàng)目的具體實(shí)施。

本項(xiàng)目以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，項(xiàng)目的具體實(shí)施過程為教學(xué)的主要階段，實(shí)現(xiàn)“教學(xué)做合一”。

項(xiàng)目分工①：學(xué)生選取常用鉆桿材料34CrMo4鋼，并通過查閱文獻(xiàn)資料，確定石油鉆桿的形狀參數(shù)和硬度、強(qiáng)度等主要機(jī)械性能指標(biāo)，基于有限元模擬軟件完成鉆桿零部件的建模。

項(xiàng)目分工②：基于項(xiàng)目分工①的工作，進(jìn)行鉆桿的有限元分析，發(fā)現(xiàn)在鉆進(jìn)和提鉆過程中，鉆桿的接頭部位會(huì)承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，而鉆桿表面會(huì)與鉆屑發(fā)生磨粒磨損，并在堿性飽和鹽水鉆井液中腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生腐蝕磨損。

項(xiàng)目分工③：基于項(xiàng)目分工②對鉆桿在服役工況中典型磨損機(jī)制的分析，通過調(diào)研資料，確定以熱噴涂的方式對鉆桿易損表面進(jìn)行強(qiáng)化，選擇超音速火焰噴涂技術(shù)在34CrMo4鋼鉆桿表面制備WC-CoCr涂層，發(fā)揮超音速火焰噴涂技術(shù)涂層結(jié)合力高、孔隙和微缺陷少的優(yōu)勢，結(jié)合WCCoCr金屬陶瓷涂層兼顧韌性、耐磨性和耐蝕性的特點(diǎn)，全面提升石油鉆桿的耐磨耐蝕性能。

項(xiàng)目分工④：基于機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，針對制備有WC-CoCr涂層的試樣進(jìn)行模擬摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，考察和評價(jià)強(qiáng)化后試樣的摩擦學(xué)性能。

在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生遇到了各種問題和困難，通過自主學(xué)習(xí)和教師的指導(dǎo)，均圓滿完成了項(xiàng)目分工。在各分工階段，采取1個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)，其他學(xué)生參與討論，教師進(jìn)行監(jiān)督指導(dǎo)的模式。在交流和討論的過程中，激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，通過互相的質(zhì)疑和討論，不但全方面多角度地學(xué)習(xí)了知識，還鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

3. 項(xiàng)目的結(jié)果評價(jià)

在小組4位學(xué)生的分工協(xié)作下，項(xiàng)目圓滿完成。對于項(xiàng)目結(jié)果的評價(jià)，采取學(xué)生自評與互評，以及教師評價(jià)相結(jié)合。各位同學(xué)針對自己所完成的分工撰寫分工階段報(bào)告，整個(gè)小組一起撰寫一份項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，基于“評價(jià)+報(bào)告”這種開放多元的考核方式，較為全面準(zhǔn)確地評價(jià)各位學(xué)生對摩擦學(xué)理論知識和相關(guān)技術(shù)的掌握程度，給出合理的評分。

四、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在課程教學(xué)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的難點(diǎn)包括以下兩點(diǎn)。(1) 項(xiàng)目任務(wù)難度和量的合理性。項(xiàng)目任務(wù)的難度和所涉及的專業(yè)知識量應(yīng)較為合理，避免需要學(xué)習(xí)過多的新知識而消耗過多的時(shí)間和精力，使學(xué)生無法在固定的課時(shí)內(nèi)完成任務(wù)，使教學(xué)效果大打折扣。(2) 項(xiàng)目小組組員貢獻(xiàn)的合理評價(jià)：雖然分工不同，但是項(xiàng)目還是在全體組員的共同努力下完成的，需要注意到不同個(gè)體付出的時(shí)間、精力和對結(jié)果的貢獻(xiàn)程度也不盡相同，因此在驗(yàn)收項(xiàng)目時(shí)需依據(jù)組員的貢獻(xiàn)程度給出合理成績，以免打消同學(xué)們的積極性。可見項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中成功應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于保證項(xiàng)目任務(wù)的合理性和評價(jià)驗(yàn)收環(huán)節(jié)的公平準(zhǔn)確。

五、結(jié)束語

與傳統(tǒng)“講授+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方法相比，將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)過程中取得了可喜的效果，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法體現(xiàn)出了以下優(yōu)點(diǎn)。(1) 實(shí)踐性強(qiáng)：給出的項(xiàng)目面向各工業(yè)部門中“看得見、摸得著”的典型易損機(jī)械零部件，便于學(xué)生在實(shí)踐中掌握理論知識和相關(guān)技術(shù)。(2) 主動(dòng)性強(qiáng)：學(xué)生拿到項(xiàng)目任務(wù)后，成為教學(xué)過程的主體，需要主動(dòng)查閱資料，在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)理論知識，并將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，以完成項(xiàng)目提出的任務(wù)。(3) 綜合性強(qiáng)：在自主完成項(xiàng)目的過程中，需要將不同學(xué)科的知識綜合運(yùn)用，包括機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等，具有很強(qiáng)的學(xué)科綜合性和交叉性。(4) 評價(jià)合理：由于整個(gè)教學(xué)過程是以某個(gè)項(xiàng)目為主線，在項(xiàng)目的任務(wù)分析、計(jì)劃擬定和分工以及項(xiàng)目實(shí)施過程中，每個(gè)學(xué)生的任務(wù)都是較為明確的。在最終評價(jià)時(shí)能很好地反映學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)態(tài)度，結(jié)合平時(shí)的項(xiàng)目不同分工階段的報(bào)告和最終的項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，可以使評分更為合理地反映學(xué)生對摩擦學(xué)理論知識和相關(guān)技術(shù)的掌握程度。

[1] 劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[2] 溫詩鑄，黃平.摩擦學(xué)原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[3] 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告(2011-2020)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 俞國燕，王貴，劉煥牢,等.機(jī)械類專業(yè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014(12)：79-80.

[5] 馮冬菊，王丹虹，徐占國.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制圖教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15(3)：25-27.

G642

A

1006-9372（2016）03-0032-03

2016-03-10。

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教學(xué)改革項(xiàng)目《機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)體系的改革和創(chuàng)新》（JGYB201404）。

康嘉杰，男，講師，主要從事機(jī)械工程的教學(xué)和研究工作。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

康嘉杰, 岳文, 王成彪, 等.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的“摩擦學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)改革探索[J].中國地質(zhì)教育，2016，25（3）：32-34.

Title: Reform on the Course of Fundamentals of Tribology Based on Project Driving Method

Author(s): KANG Jia-jie, YUE Wen, WANG Cheng-biao, YANG Yi-yong, FU Zhi-qiang, ZHU Li-na