王國星 王佳杰 楊闖 （黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院）

一、工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的課程教學(xué)

工程推動社會進(jìn)步，工程教育決定人類未來。工程教育專業(yè)認(rèn)證起源于美國，是目前世界上在教育領(lǐng)域比較成熟的認(rèn)證機(jī)制。[1]為提高我國工程教育質(zhì)量，為工程教育適應(yīng)政府、行業(yè)和社會需求服務(wù)，我國加入《華盛頓協(xié)議》。[2]進(jìn)行專業(yè)認(rèn)證的主旨是提高大學(xué)生工程實(shí)踐能力，進(jìn)而提高本科專業(yè)建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)國家本科教育國際化，提升中國工程教育國際競爭力。本校材料科學(xué)與工程專業(yè)于2017年6月通過材料類專業(yè)認(rèn)證委員會認(rèn)證。

“材料力學(xué)性能”課程是材料類、機(jī)械類專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課，特點(diǎn)是概念多、機(jī)理多、實(shí)驗(yàn)多、內(nèi)容繁雜、知識點(diǎn)分散，是一門集理論與實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。[3]傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以達(dá)到較好的教學(xué)效果。同時，隨著科技的進(jìn)步，新理論、新技術(shù)不斷推出并被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，對課程教學(xué)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的教學(xué)模式更難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。[4]

工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中針對畢業(yè)要求有明確的闡述：“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論?！睆闹锌梢钥闯鰧I(yè)認(rèn)證對學(xué)生綜合、系統(tǒng)知識運(yùn)用能力提出很高、很全面的要求。因此，課程教學(xué)上必須采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段和方式強(qiáng)化教學(xué)效果，提升學(xué)生的知識運(yùn)用能力。

案例教學(xué)法20世紀(jì)由哈佛大學(xué)蘭德爾提出，后來廣泛地應(yīng)用于普通教育領(lǐng)域。案例教學(xué)以學(xué)生在課堂內(nèi)外對真實(shí)事件和情境的分析、思辨為重點(diǎn)，使學(xué)生自主開展討論、質(zhì)疑和反思，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題或復(fù)雜工程問題的能力的目的，對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高具有重要意義。[5-7]

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下進(jìn)行多輪次課程案例教學(xué)改革嘗試，從中積累了豐富的案例和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

二、教學(xué)案例的設(shè)計(jì)

（一）課程教學(xué)目標(biāo)

支撐本門課程的工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求，指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的課程教學(xué)目標(biāo)可描述為：“能夠利用材料力學(xué)性能基本原理，結(jié)合查閱文獻(xiàn)資料，在教師指導(dǎo)下通過案例分析討論等形式，針對材料復(fù)雜工程問題中涉及的力學(xué)性能內(nèi)容，進(jìn)行識別、表達(dá)?！睆闹锌梢钥闯?，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)將案例輔助教學(xué)深入到課程教學(xué)目標(biāo)。

（二）課程目標(biāo)案例達(dá)成方式

本課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置三個，具體的課程目標(biāo)通過案例達(dá)成（見表1）。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)通過案例達(dá)成方式

從上表可以看出，課程教學(xué)目標(biāo)一、二都通過教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)和考試實(shí)現(xiàn)，教學(xué)目標(biāo)三通過教學(xué)案例、案例分析作業(yè)和考試等途徑達(dá)到?？梢姲咐虒W(xué)滲透到教學(xué)過程的每個環(huán)節(jié)之中，有益于課程教學(xué)實(shí)施。

案例教學(xué)開展的效果最終可以通過期末考試進(jìn)行評定。特別是區(qū)別于傳統(tǒng)的試卷，都是基礎(chǔ)知識相關(guān)題型。在試卷中增加實(shí)際工程案例分析主觀題型，可以綜合考查學(xué)生對專業(yè)知識的綜合運(yùn)用、分析、思辨等能力。

（三）案例的選擇與設(shè)計(jì)

案例的內(nèi)容是提高案例教學(xué)有效性的關(guān)鍵, 應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要選擇案例內(nèi)容。[8]因此，要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容中重難點(diǎn)選擇切合度和緊密度高的案例。根據(jù)案例內(nèi)容繁雜程度可以將本門課程使用的案例分為兩類，第一類是簡單的案例，如一個實(shí)物、一個故事、一個歷史人物等。第二類是較為復(fù)雜、系統(tǒng)的案例，如構(gòu)件使用時發(fā)生斷裂，對構(gòu)件進(jìn)行失效分析就包括了取樣、宏觀分析、微觀分析、性能檢測等。然后根據(jù)結(jié)果綜合分析，包括的內(nèi)容較多，訓(xùn)練同學(xué)們綜合運(yùn)用專業(yè)知識體系的能力。案例還可以根據(jù)相關(guān)內(nèi)容性質(zhì)分類，包括日常生活、生產(chǎn)的案例、重大歷史事件案例、紅色案例、藍(lán)色案例、理論發(fā)展史案例、復(fù)雜系統(tǒng)的綜合案例。

三、案例教學(xué)實(shí)施

（一）日常生活、生產(chǎn)型案例

工程教育專業(yè)認(rèn)證從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)進(jìn)行課程體系和內(nèi)容設(shè)計(jì)，這有利于受教者對知識的獲得、加工和“反芻”。案例教學(xué)可以將很多知識點(diǎn)溶入一個應(yīng)用里，啟發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識體系去分析、解決問題。

如在緒論內(nèi)容性能部分講解工藝性能時，引入東北寒冷地區(qū)供暖需要采用高壓鍋爐。鍋爐加工通常采用最多的工藝為焊接，焊接就是一種工藝性能。比如采用埋弧焊工藝，焊接時要考慮電流、電壓等工藝參數(shù)，二者實(shí)際是獲得穩(wěn)定電弧和能量密度，那么材料的傳熱、膨脹就是其物理性能；焊接后的器件要注意防腐，這是化學(xué)性能；焊接后的構(gòu)件屬于正壓設(shè)備受到工作壓力，這就是力學(xué)性能。考慮鍋爐生產(chǎn)時采用材料、工藝、用電、人工等生產(chǎn)成本問題就關(guān)乎經(jīng)濟(jì)性問題。這樣通過一個鍋爐的案例就將金屬材料的物、化、力、工藝、經(jīng)濟(jì)性能全都囊括其中，便于同學(xué)們?nèi)嬲莆铡?/p>

（二）重大歷史事件案例

此類案例是大學(xué)生較為感興趣的一類案例，這些案例基本均與材料的力學(xué)性能有關(guān)，在講述中以學(xué)生感興趣的事件為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程知識領(lǐng)域，使學(xué)生更深刻地掌握事件背后的知識奧秘。

如在講解到金屬低溫脆性問題時，涉及一個跨越百年的歷史大事件，就是拿破侖與錫的故事。1812年5月，拿破侖率領(lǐng)57萬大軍遠(yuǎn)征俄國，一路高歌猛進(jìn)，直抵莫斯科，最終卻遇到了莫斯科的大火和俄國的嚴(yán)寒，57萬大軍只剩下3萬人逃回。拿破侖夢斷俄國暴風(fēng)雪，讓多少人扼腕長嘆。其主要原因有人“考證”出拿破侖竟然是敗于錫元素。原來，法軍士兵的紐扣都是用錫做的，錫在室溫保持常見的金屬狀態(tài)；但在低溫時，錫會產(chǎn)生“錫瘟”現(xiàn)象完全變成粉末狀。所以，法軍在寒風(fēng)暴雪中如同敞胸露懷，非戰(zhàn)斗減員就是不可避免的了。從中可以得出就是金屬錫的低溫晶格轉(zhuǎn)變變脆問題。

（三）紅色案例

紅色案例也是思政案例。如于2017年10月建成通車的港珠澳大橋，目前創(chuàng)多項(xiàng)世界之最。這個世紀(jì)偉大工程充分體現(xiàn)出我國工程建設(shè)者的智慧和偉大，增強(qiáng)大學(xué)生的民族自豪感和歷史使命感，激勵學(xué)生加倍努力學(xué)習(xí)，未來成為行業(yè)中的佼佼者。再如在講授到硬度知識點(diǎn)時，采用中國傳統(tǒng)文化案例，以中國古話“沒有金剛鉆就不要攬瓷器活”，引出中國過去的一種 “鋦碗匠”職業(yè),匠人從事的技藝出現(xiàn)在《清明上河圖》上，現(xiàn)在這種技藝多出現(xiàn)在考古修復(fù)方面。從而最終引出硬度的概念。讓同學(xué)們從中體會中國古代勞動人民的偉大。

（四）藍(lán)色案例

藍(lán)色案例即為科技前沿型案例，代表著知識的創(chuàng)新和科技的進(jìn)步。如在講述到塑性指標(biāo)這個知識點(diǎn)時提到了我國最年輕的院士盧柯。2000年盧柯院士團(tuán)隊(duì)發(fā)表于Science上的題為“Super plastic extensility of nanocrystalline copper at room temperature”文章，文中提道：團(tuán)隊(duì)制備的納米銅的塑性斷后伸長率可以達(dá)到5100%。通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)1000%～2000% ，個別的可達(dá)6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。

還有涉及到的低溫脆性的新研究成果：北京科技大學(xué)張勇課題組在 2019 年Science China Materials 雜志上發(fā)表了名為“Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures”的論文，發(fā)現(xiàn)某高熵合金在4.2K極低溫環(huán)境下，仍然能夠保持高強(qiáng)度和極優(yōu)異的塑性，低溫脆性不明顯。[9]從中可以得出某一科學(xué)理論在某一時間段可能是正確的，但是隨著研究者的前赴后繼的鉆研，理論可能就會被推翻。所以說科學(xué)是沒有定論的東西。今天發(fā)現(xiàn)了真理，到明天又發(fā)現(xiàn)新的，就又推翻了原來的，它是個未定數(shù)。通過案例培養(yǎng)同學(xué)們實(shí)事求是積極探索的精神。其中還要說的是盧柯院士是“中國制造”，從本科到博士研究生，一直都在國內(nèi)接受教育，是地地道道由中國本土培養(yǎng)出來的世界頂級科學(xué)家。這就更加堅(jiān)定同學(xué)們追求科學(xué)真理的信心和勇氣。

（五）理論發(fā)展史

在材料力學(xué)性能課程中涉及很多力學(xué)理論和力學(xué)方面的科學(xué)家。如斷裂力學(xué)之父Griffth，27歲在玻璃斷裂研究中就提出了斷裂力學(xué)的概念。如中科院金屬所創(chuàng)始人李薰院士，1937年在謝菲爾德大學(xué)求學(xué)期間針對英國“噴火”戰(zhàn)機(jī)訓(xùn)練時機(jī)毀人亡事故，研究飛機(jī)主軸時研制了一套定氫設(shè)備，做第一個吃螃蟹的人，發(fā)現(xiàn)“氫脆”現(xiàn)象。從中同學(xué)們可以認(rèn)識到科學(xué)無國界，科學(xué)面前不分膚色、不分民族。同時，通過前輩的事跡案例將科學(xué)精神傳承給年輕學(xué)子，教育大學(xué)生尊重科學(xué)、追求真理，成為實(shí)事求是、開拓進(jìn)取、團(tuán)結(jié)協(xié)作、為國爭光的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)人才。[10]

綜上，教學(xué)有法，教無定法，貴在得法。案例教學(xué)是一種高效的教學(xué)方法，其同樣也不是千篇一律的，具體實(shí)施方法可以多樣化。 授課教師對課程知識關(guān)聯(lián)的案例進(jìn)行搜集、歸類、篩選，最終確定適合課程的各類案例。經(jīng)過幾個學(xué)期的案例教學(xué)運(yùn)行，學(xué)生的整體完成情況較好，教學(xué)效果較好，三個課程目標(biāo)達(dá)成度基本呈逐年上升的趨勢。如工程教育專業(yè)認(rèn)證中畢業(yè)要求通用標(biāo)準(zhǔn)里描述的關(guān)鍵詞那樣：案例教學(xué)是工程教育中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的較為有效的手段。當(dāng)然，在案例教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題影響教學(xué)效果，如過多的案例占用教學(xué)資源，案例的性質(zhì)、案例的時效性等，所以教師應(yīng)與時俱進(jìn)，緊密關(guān)注新科技、新材料發(fā)展，對案例進(jìn)行持續(xù)更新，這都是應(yīng)該在后續(xù)案例教學(xué)中關(guān)注的問題。