工程教育專業認證背景下案例教學的實施

王國星 王佳杰 楊闖

[摘 要]以工程教育專業認證為出發點，對“材料力學性能”課程進行案例教學改革。首先闡明教學目標、案例教學達成方式、案例的設計及選擇原則，然后分別從日常生活生產案例、重大歷史事件案例、紅色案例、藍色案例、理論發展史等案例類型角度，詳細闡述進行案例教學的改革過程和意義。

[中圖分類號] G642 ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2022） 01-0086-03

一、工程教育專業認證背景下的課程教學

工程推動社會進步，工程教育決定人類未來。工程教育專業認證起源于美國，是目前世界上在教育領域比較成熟的認證機制。[1]為提高我國工程教育質量，為工程教育適應政府、行業和社會需求服務，我國加入《華盛頓協議》。[2]進行專業認證的主旨是提高大學生工程實踐能力，進而提高本科專業建設水平和人才培養質量，從而實現國家本科教育國際化，提升中國工程教育國際競爭力。本校材料科學與工程專業于2017年6月通過材料類專業認證委員會認證。

“材料力學性能”課程是材料類、機械類專業一門專業基礎課，特點是概念多、機理多、實驗多、內容繁雜、知識點分散，是一門集理論與實踐性較強的課程。[3]傳統的教學模式難以達到較好的教學效果。同時，隨著科技的進步，新理論、新技術不斷推出并被逐漸應用于生產實踐中，對課程教學提出了更高的要求，傳統的教學模式更難以實現教學目的。[4]

工程教育認證通用標準中針對畢業要求有明確的闡述：“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。”從中可以看出專業認證對學生綜合、系統知識運用能力提出很高、很全面的要求。因此，課程教學上必須采用恰當的教學手段和方式強化教學效果，提升學生的知識運用能力。

案例教學法20世紀由哈佛大學蘭德爾提出，后來廣泛地應用于普通教育領域。案例教學以學生在課堂內外對真實事件和情境的分析、思辨為重點，使學生自主開展討論、質疑和反思，達到培養學生綜合運用知識解決實際問題或復雜工程問題的能力的目的，對人才培養質量的提高具有重要意義。[5-7]

課程教學團隊在進行工程教育專業認證背景下進行多輪次課程案例教學改革嘗試，從中積累了豐富的案例和教學經驗。

二、教學案例的設計

（一）課程教學目標

支撐本門課程的工程教育專業認證畢業要求，指標點對應的課程教學目標可描述為：“能夠利用材料力學性能基本原理，結合查閱文獻資料，在教師指導下通過案例分析討論等形式，針對材料復雜工程問題中涉及的力學性能內容，進行識別、表達。”從中可以看出，課程教學團隊將案例輔助教學深入到課程教學目標。

（二）課程目標案例達成方式

本課程的教學目標設置三個，具體的課程目標通過案例達成（見表1）。

從上表可以看出，課程教學目標一、二都通過教學案例、實驗和考試實現，教學目標三通過教學案例、案例分析作業和考試等途徑達到。可見案例教學滲透到教學過程的每個環節之中，有益于課程教學實施。

案例教學開展的效果最終可以通過期末考試進行評定。特別是區別于傳統的試卷，都是基礎知識相關題型。在試卷中增加實際工程案例分析主觀題型，可以綜合考查學生對專業知識的綜合運用、分析、思辨等能力。

（三）案例的選擇與設計

案例的內容是提高案例教學有效性的關鍵， 應根據教學需要選擇案例內容。[8]因此，要根據教學內容中重難點選擇切合度和緊密度高的案例。根據案例內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，如一個實物、一個故事、一個歷史人物等。第二類是較為復雜、系統的案例，如構件使用時發生斷裂，對構件進行失效分析就包括了取樣、宏觀分析、微觀分析、性能檢測等。然后根據結果綜合分析，包括的內容較多，訓練同學們綜合運用專業知識體系的能力。案例還可以根據相關內容性質分類，包括日常生活、生產的案例、重大歷史事件案例、紅色案例、藍色案例、理論發展史案例、復雜系統的綜合案例。

三、案例教學實施

（一）日常生活、生產型案例

工程教育專業認證從工程實際應用出發進行課程體系和內容設計，這有利于受教者對知識的獲得、加工和“反芻”。案例教學可以將很多知識點溶入一個應用里，啟發學生綜合應用所學知識體系去分析、解決問題。

如在緒論內容性能部分講解工藝性能時，引入東北寒冷地區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，二者實際是獲得穩定電弧和能量密度，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，這是化學性能;焊接后的構件屬于正壓設備受到工作壓力，這就是力學性能。考慮鍋爐生產時采用材料、工藝、用電、人工等生產成本問題就關乎經濟性問題。這樣通過一個鍋爐的案例就將金屬材料的物、化、力、工藝、經濟性能全都囊括其中，便于同學們全面掌握。

（二）重大歷史事件案例

此類案例是大學生較為感興趣的一類案例，這些案例基本均與材料的力學性能有關，在講述中以學生感興趣的事件為切入點，引導學生進入課程知識領域，使學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57萬大軍遠征俄國，一路高歌猛進，直抵莫斯科，最終卻遇到了莫斯科的大火和俄國的嚴寒，57萬大軍只剩下3萬人逃回。拿破侖夢斷俄國暴風雪，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;但在低溫時，錫會產生“錫瘟”現象完全變成粉末狀。所以，法軍在寒風暴雪中如同敞胸露懷，非戰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，目前創多項世界之最。這個世紀偉大工程充分體現出我國工程建設者的智慧和偉大，增強大學生的民族自豪感和歷史使命感，激勵學生加倍努力學習，未來成為行業中的佼佼者。再如在講授到硬度知識點時，采用中國傳統文化案例，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，匠人從事的技藝出現在《清明上河圖》上，現在這種技藝多出現在考古修復方面。從而最終引出硬度的概念。讓同學們從中體會中國古代勞動人民的偉大。

（四）藍色案例

藍色案例即為科技前沿型案例，代表著知識的創新和科技的進步。如在講述到塑性指標這個知識點時提到了我國最年輕的院士盧柯。2000年盧柯院士團隊發表于Science上的題為“Super plastic extensility of nanocrystalline copper at room temperature”文章，文中提道：團隊制備的納米銅的塑性斷后伸長率可以達到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1000%～2000% ，個別的可達6000% ，這種現象稱為超塑性。

還有涉及到的低溫脆性的新研究成果：北京科技大學張勇課題組在 2019 年Science China Materials 雜志上發表了名為“Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures”的論文，發現某高熵合金在4.2K極低溫環境下，仍然能夠保持高強度和極優異的塑性，低溫脆性不明顯。[9]從中可以得出某一科學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。所以說科學是沒有定論的東西。今天發現了真理，到明天又發現新的，就又推翻了原來的，它是個未定數。通過案例培養同學們實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，一直都在國內接受教育，是地地道道由中國本土培養出來的世界頂級科學家。這就更加堅定同學們追求科學真理的信心和勇氣。

（五）理論發展史

在材料力學性能課程中涉及很多力學理論和力學方面的科學家。如斷裂力學之父Griffth，27歲在玻璃斷裂研究中就提出了斷裂力學的概念。如中科院金屬所創始人李薰院士，1937年在謝菲爾德大學求學期間針對英國“噴火”戰機訓練時機毀人亡事故，研究飛機主軸時研制了一套定氫設備，做第一個吃螃蟹的人，發現“氫脆”現象。從中同學們可以認識到科學無國界，科學面前不分膚色、不分民族。同時，通過前輩的事跡案例將科學精神傳承給年輕學子，教育大學生尊重科學、追求真理，成為實事求是、開拓進取、團結協作、為國爭光的社會主義現代化建設人才。[10]

綜上，教學有法，教無定法，貴在得法。案例教學是一種高效的教學方法，其同樣也不是千篇一律的，具體實施方法可以多樣化。 授課教師對課程知識關聯的案例進行搜集、歸類、篩選，最終確定適合課程的各類案例。經過幾個學期的案例教學運行，學生的整體完成情況較好，教學效果較好，三個課程目標達成度基本呈逐年上升的趨勢。如工程教育專業認證中畢業要求通用標準里描述的關鍵詞那樣：案例教學是工程教育中培養學生解決復雜工程問題的較為有效的手段。當然，在案例教學過程中也發現了一些問題影響教學效果，如過多的案例占用教學資源，案例的性質、案例的時效性等，所以教師應與時俱進，緊密關注新科技、新材料發展，對案例進行持續更新，這都是應該在后續案例教學中關注的問題。

參考文獻：

[1]高麗敏，趙志鳳，高微.工程認證背景下混凝土學課程達成評價研究[J].黑龍江教育，2019（7）：102-103.

[2]方崢.中國工程教育認證國際化之路[J].高等工程教育研究，2013（6）： 72-76.

[3]胡建文，馬靜，孟永強，等.材料性能學精品課程建設與教學改革的探討[J].中國現代教育裝備，2013（23）：76-77，81.

[4]孫昊，趙莉萍.“材料性能學”課程的教學實踐與思考[J].內蒙古教育，2012（1）：111-112.

[5]張樂.案例教學法在C語言程序設計教學中的應用[J].運城學院學報，2016（3）：73-77.

[6]邵雪梅，馬駿，程輝.案例教學法在“C語言程序設計”課程中的應用[J].新鄉學院學報（ 自然科學版），2012（3）：283-284.

[7]郭忠興.案例教學過程優化研究[J].中國大學教學，2010（1）：59-61.

[8]陳新玲.對案例教學法的實踐與思考[J].運城學院學報，2005（6）：87- 89.

[9]LIU J，GUO X.，LIN Q，Z，et al.Excellent ductility of metastable CoCrFeNi high-entropy alloy at extremely low temperatures. Science China Materials 2019，62：853-863.

[10]吳傳棟，甘章華，劉靜，等.從材料力學性能特色案例談民族自豪感和歷史使命感[J].中國冶金教育，2020（5）：86-89.

（責任編輯： 王義祥）