董月成 王燕懷 張航 李鑫

[摘 要] 該文旨在說明，案例教學(xué)是一種將理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，案例教學(xué)在“鈦合金低成本加工技術(shù)”課程中的應(yīng)用，通過案例材料將抽象事物具體化，使得該課程內(nèi)容更加生動(dòng)充實(shí)，在舉例說明的同時(shí)讓學(xué)生了解、甚至于掌握鈦合金低成本加工的相關(guān)知識(shí)。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，該教學(xué)模式更容易被學(xué)生理解與接受。運(yùn)用案例教學(xué)模式，不僅達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)的要求，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生善于思考、勇于探討的能力，更提升了學(xué)生的綜合能力，同時(shí)也提高了教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 案例教學(xué);鈦合金低成本加工技術(shù);教學(xué)目標(biāo);教學(xué)質(zhì)量

[基金項(xiàng)目] 江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015B128）;南京工業(yè)大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目;南京工業(yè)

大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)重點(diǎn)案例建設(shè)項(xiàng)目;江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJCX19_0324）

[作者簡(jiǎn)介] 董月成（1985—），男，江蘇南京人，博士，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事鈦合金及工程化應(yīng)用研發(fā)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）23-0010-03? ? [收稿日期] 2019-11-13

一、引言

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫蠕變性能好等特點(diǎn)，是提高國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)不可或缺的戰(zhàn)略材料，廣泛地應(yīng)用于石油化工、航空航天、海洋工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，大幅提高了裝備的綜合性能，其性能優(yōu)勢(shì)也日益凸顯。但從另一方面來說，鈦合金又因其在高溫時(shí)與其他材料的化學(xué)反應(yīng)性較差而不能使用傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工，導(dǎo)致其成本太過昂貴，進(jìn)而限制了其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能低成本鈦合金及其制備技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)于促進(jìn)鈦合金在國(guó)防和民用領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。近年來，各國(guó)也都在積極開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進(jìn)入具有巨大市場(chǎng)潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。李海峰[1]等人以廉價(jià)Fe-Cr中間合金元素替代工業(yè)鈦合金中較貴的金屬V元素，設(shè)計(jì)出了一種新型Ti-6Al-xFe-yCr低成本合金。馮秋元[2]等人則是從鈦合金的加工技術(shù)方面著手，利用特殊的熔煉技術(shù)和及時(shí)添加返還料，來降低鈦合金的原料成本和加工成本。目前關(guān)于降低鈦合金成本的方法無外乎前面提到的兩種方法，即降低鈦合金原料成本和降低鈦合金加工成本。但由于鈦合金涉及的體系較多，內(nèi)容復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方法受到了各方面因素的限制，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。因而，我們需要找到一種除傳統(tǒng)教學(xué)方式之外更好的、更合適的教學(xué)方式來教授與鈦合金相關(guān)的內(nèi)容。

由美國(guó)哈佛大學(xué)法學(xué)院院長(zhǎng)克里斯托弗·哥倫姆布斯·朗道爾于1870年最先提出的案例教學(xué)方法[3]近年來引起了國(guó)內(nèi)外教育者們的高度關(guān)注，也無疑是我們此次選擇教學(xué)方式的關(guān)注焦點(diǎn)。案例是為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)的，因此它具有典型性（即案例內(nèi)容具有一定的代表性和普遍性，有助于學(xué)生從各個(gè)方面對(duì)所學(xué)理論加以驗(yàn)證，從中得出正確結(jié)論），且應(yīng)該與所對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)有直接的聯(lián)系，不但能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能鍛煉及提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，是一種很好的教學(xué)方式，目前已得到了廣泛應(yīng)用。

本案例教學(xué)“鈦合金低成本加工技術(shù)”以開發(fā)鈦合金作為研究目標(biāo)，從教學(xué)角度出發(fā)，將上述兩種方法應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中，是一門專門致力于開發(fā)低成本鈦合金的課程。該課程以教師本身所參加的科研項(xiàng)目為例，以開發(fā)低成本鈦合金作為研究目標(biāo)，以“如何降低鈦合金加工成本”為問題導(dǎo)向，將前人有關(guān)于低成本鈦合金的研究成果與近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于低成本鈦合金的研究趨勢(shì)相結(jié)合。通過鈦合金成分設(shè)計(jì)，優(yōu)化鈦合金的熔煉方式，縮短鈦合金產(chǎn)品的制備流程，提高鈦合金制備效率，實(shí)現(xiàn)鈦合金高均質(zhì)、高潔凈、低成本、連續(xù)化制造等方面進(jìn)行鈦合金低成本加工技術(shù)方案建設(shè)，系統(tǒng)地向?qū)W生展示鈦合金低成本加工方面的知識(shí)。主要從低成本鈦合金成分設(shè)計(jì)、低成本短流程鈦合金生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)、鈦合金的3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)三方面著手，啟發(fā)學(xué)生去思考，如何才能有效降低鈦合金的成本這一問題。在積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的思考能力的同時(shí)，將研究理論與教師的科研實(shí)踐相結(jié)合，講述了關(guān)于開發(fā)低成本鈦合金的主要方法及具體實(shí)施過程。這樣既有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也大幅度提高了教學(xué)質(zhì)量，更能體現(xiàn)出案例教學(xué)模式的獨(dú)特價(jià)值。

二、案例教學(xué)模式

（一）特點(diǎn)

杜威說過，最好的一種教學(xué)，就是牢牢記住學(xué)校教材和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)二者相互聯(lián)系的接觸點(diǎn)[4]。而案例教學(xué)模式正好抓住了這一點(diǎn)，將尋找理論和實(shí)踐恰當(dāng)結(jié)合點(diǎn)的作用發(fā)揮得十分有效。案例教學(xué)最大的特點(diǎn)就是具有案例型、主體性、互動(dòng)性、問題性以及實(shí)踐性?！扳伜辖鸬统杀炯庸ぜ夹g(shù)”這門課程就是僅僅抓住了案例教學(xué)的這些典型特性，教學(xué)過程中更加注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題、全面學(xué)習(xí)、人際交往以及其他方面的能力[5]。這也進(jìn)一步說明了案例教學(xué)與其他傳統(tǒng)教學(xué)模式的區(qū)別，不僅教學(xué)材料從傳統(tǒng)的教科書轉(zhuǎn)化成了典型的案例材料，而且教學(xué)過程也不單單只是教師全程講授，反而是學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的討論和辯論。就連教學(xué)目的也發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的教學(xué)主要是為了向?qū)W生傳授知識(shí)，而案例教學(xué)更注重培養(yǎng)學(xué)生方方面面的綜合能力。

（二）典型案例的選取

教學(xué)案例的質(zhì)量高低，選用案例與教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)條件和學(xué)生自身情況的切合程度，都將直接影響案例教學(xué)的成敗[6]。所以怎樣選擇案例，才能更確切明了地說明問題且不失代表性與目的性，需要遵循以下幾個(gè)案例選取原則：

第一，需注重案例的真實(shí)性[6]。案例教學(xué)過程中所選的案例材料必須是真實(shí)發(fā)生過的，有理有據(jù)，有完整的過程記錄等等。這樣更容易使學(xué)生融入當(dāng)時(shí)的情景，從自身真實(shí)感受出發(fā)，做出理性的分析與判斷。

第二，需注重案例的典型性[6-7]。所選案例要與教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的有高度關(guān)聯(lián)性，這樣更容易激發(fā)學(xué)生的思維和應(yīng)變能力，達(dá)到真正的教學(xué)目的。

第三，選取的案例難度要適中[8]。選取案例的難易水平應(yīng)該與學(xué)生的真實(shí)水平相輔相成，同步提升，保證每個(gè)學(xué)生都能參與其中，積極探討學(xué)習(xí)。

三、案例教學(xué)的具體內(nèi)容

該案例教學(xué)以開發(fā)低成本鈦合金為主要目標(biāo)，主要從鈦合金特點(diǎn)、成分設(shè)計(jì)、熔煉方式、制備流程等方面向?qū)W生介紹有關(guān)低成本鈦合金開發(fā)的相關(guān)知識(shí)，先讓學(xué)生初步了解有關(guān)低成本鈦合金相關(guān)的知識(shí)。進(jìn)而成立案例討論小組，通過典型案例的講解、學(xué)生之間的互動(dòng)、探討解決方案、學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐等，對(duì)之前學(xué)習(xí)的知識(shí)加以應(yīng)用，以達(dá)到最終想要的教學(xué)效果。

（一）低成本鈦合金成分設(shè)計(jì)

想要得到低成本高性能的鈦合金，首先考慮的應(yīng)該是其成分問題，這也是從降低鈦合金原材料成本來得到低成本鈦合金的一種方法。該方法應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，案例選取就拿大家最熟悉的Ti-6Al-4V來說，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）采用相對(duì)廉價(jià)的元素進(jìn)行鈦合金成分設(shè)計(jì)，如采用Fe、Nb等廉價(jià)元素代替V等昂貴元素，用O、N等元素代替Al元素，設(shè)計(jì)出一種新型鈦合金Ti-6Al-xFe/Ti-6Al-xNb，在保證鈦合金優(yōu)良綜合性能的前提下降低原料成本;（2）返回料回收利用，鈦合金生產(chǎn)過程中，由于切頭、切邊、表面車削清理等加工需要，會(huì)產(chǎn)生大量的鈦合金返回料，而返回料重復(fù)利用的成本只有海綿鈦原料的30%～40%。因此在熔煉合金鑄錠時(shí)大量添加返回料，可起到顯著降低原料成本的作用。（3）利用元素合金化原理，改善鈦合金的冷熱變形性能，降低變形抗力，從而降低鈦合金的加工成本。這不僅可以讓學(xué)生了解到鈦合金本來的面貌，還可以更深入的吸引學(xué)生，使其能夠在日后的學(xué)習(xí)當(dāng)中找準(zhǔn)思路，明確目標(biāo)。

（二）低成本短流程鈦合金生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

目前最主流的生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠方法為真空自耗電弧爐（VAR），然而VAR技術(shù)不可避免的會(huì)出現(xiàn)宏觀和微觀偏析，殘鈦利用率低，不能有效去除高、低密度夾雜等，限制了其在熔煉高質(zhì)量鈦合金中的應(yīng)用。

本案例設(shè)計(jì)了一種開發(fā)鈦合金短流程連鑄連軋新型工藝技術(shù)。采用自主設(shè)計(jì)的連續(xù)進(jìn)料系統(tǒng)、等離子槍冷床熔煉系統(tǒng)和管棒材一體化結(jié)晶器系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金低成本短流程的制備工藝。相比較傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐（VAR）熔煉方式，該工藝省去了壓制電極，焊接電極等復(fù)雜工序，已逐步開展鈦合金熔體提純、鈦合金凝固等關(guān)鍵工藝技術(shù)方面的研究工作。本案例建設(shè)還是選取Ti-6Al-4V鈦合金棒材連鑄技術(shù)為對(duì)象，使學(xué)生更加深刻的了解，相比較傳統(tǒng)技術(shù)，通過短流程加工，如何將生產(chǎn)成本降低30%以上，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的思考。

（三）鈦合金的3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)集概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證與生產(chǎn)制造于一體，可快速實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時(shí)間。通過3D打印某些零件，可節(jié)約材料，3D打印所特有的增材制造技術(shù)能使原材料利用率高達(dá)90%，降低生產(chǎn)成本，沒有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時(shí)間，且可制造出形狀復(fù)雜的零部件?；谡n題組現(xiàn)有的研究成果及研究?jī)?nèi)容，也考慮到教師本身的教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)鈦合金3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用背景，對(duì)實(shí)現(xiàn)薄壁、復(fù)雜鈦合金產(chǎn)品的整體化制造上的成本優(yōu)勢(shì)進(jìn)行重點(diǎn)案例教學(xué)。這一重點(diǎn)案例教學(xué)，利于學(xué)生對(duì)比傳統(tǒng)工藝與新型工藝之間的優(yōu)缺點(diǎn)，在這里除了突出3D打印這一熱門技術(shù)的先進(jìn)性，更多的是想呈現(xiàn)其局限性，以及傳統(tǒng)加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，使學(xué)生了解到，傳統(tǒng)并不意味著落后，新型也并不意味著萬能，引發(fā)學(xué)生對(duì)研究方向的思考。

四、結(jié)束語

在“鈦合金低成本加工技術(shù)”的教學(xué)過程中，通過采用案例教學(xué)模式，讓學(xué)生了解低成本鈦合金生產(chǎn)過程，包括成分設(shè)計(jì)、加工方法選擇以及加工流程等。通過對(duì)傳統(tǒng)加工方法與新型加工工藝的對(duì)比，拿大家熟悉的案例作為教學(xué)材料，巧妙的將理論與實(shí)際結(jié)合起來，將學(xué)生置身于整個(gè)教學(xué)情境當(dāng)中，使得學(xué)生能積極參加討論交流，并且能很好的理解并掌握一些比較抽象的理論知識(shí)，鍛煉了學(xué)生獨(dú)自思考的能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也提高了整個(gè)課程的教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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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