材料工程測試技術教學案例庫的構建與實踐

段廣彬，趙蔚琳，趙德剛，亓濱，范德華，劉宗明

（濟南大學 材料科學與工程學院，山東濟南 250022）

材料工程測試技術作為一門學位課程，在材料與化工專業學位研究生課程體系中起著舉足輕重的作用。一方面，該課程理論性較強，學生需要具有良好的流體力學、傳熱學等方面的基礎理論知識；另一方面，課程所講授的儀器儀表在材料工程中廣泛應用，實踐性較強。傳統的以課堂講授為主的教學方法是以教師為中心，以教材為工具[1]，不能很好地適應信息傳輸快速、方便的特點。為此，教研組對該課程案例教學模式進行了積極的探索和應用。

案例教學法是以提高學生發現、分析和解決問題的能力為主要目的，通過實際情景案例的呈現，踐行以學生為中心的理念，使學生加強對理論知識的理解和運用的教學方法[2-5]。這一教學方法對實踐性強、需要增強學生學習興趣的課程來說，教學效果較好。案例教學的基礎是教學案例庫的建設，即通過將現有理論知識進行重組，結合工程案例形成理論知識+實踐知識的案例庫，為課程的案例教學提供有效支撐[6]。

1 課程教學案例庫建設原則

案例教學法起源于19 世紀70 年代哈佛大學法學院對高等人才的培養，如今已經成為大學教學育人的重要方法[7-9]。我國從20 世紀90 年代開始開展相關研究工作，2015 年5 月，教育部印發《關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》，特別強調“加強案例教學，是強化專業學位研究生實踐能力培養，推進教學改革，促進教學與實踐有機融合的重要途徑，是推動專業學位研究生培養模式改革的重要手段。”[3，10]

考慮到材料工程測試技術教學內容的綜合性、實用性和前沿性，制定了該課程教學案例庫建設的基本原則，具體如下。

1.1 案例具有較好的規范性和邏輯性

案例的設置要以基本知識點和要點為核心，要重點突出，準確透徹，邏輯性強[11]。同時，案例的設置要具有較好的傳承性，這就需要將理論知識點合理重組，建立脈絡清晰的知識體系，同時要適當關聯案例，能夠將其進行區別和聯系[12]。

1.2 案例具有較好的實踐性和啟發性

教學案例設計要遵循由淺入深的原則，內容要能反映工程實踐，立足某一特定工程背景，具有較好的啟發性[13]。同時，要注重將科學研究、工程案例、生活實踐多維結合，以感知代替講授，強化學生的代入感。

1.3 案例具有較好的時代性和發展性

在教學案例庫建設的過程中，融入思政理念，注重學生創新創業意識、大國工匠意識、社會主義核心價值觀的培養，在對學生價值引領的前提下實現對知識的傳授和能力的培養[14]。

2 課程典型教學案例庫建設

教學團隊根據需要，將材料工程測試技術課程知識點重新梳理，結合工程案例和教師科研項目，將主要內容分為6 大模塊案例庫，每個案例庫包含3～4 個案例，有效案例共計18 個，案例庫案例分解如表1 所示，案例既相互獨立，又有很強的關聯性。

表1 案例庫案例分解

案例1 電阻式傳感器：主要講述了電阻式傳感器的特點、分類、工作原理及應用領域。通過該案例，引導學生制備常見薄膜式壓力傳感器，鍛煉學生的動手能力。

案例2 電容式傳感器：主要講述了電容式傳感器的特點、分類、工作原理及其應用領域。通過該案例，引導學生采用創新改變電容間距、面積及電解質的方法，制作電容傳感器，并對學生進行創業教育。

案例3 電感式傳感器：主要講述了電感式傳感器的特點、分類、工作原理、特點及應用。借助液體表面張力測試儀器訓練學生的動手能力與工程意識。

案例4 壓電式傳感器：主要講述了壓電式傳感器的特點、分類、工作原理、特點及應用。通過該案例，鼓勵學生探索壓力傳感器探測流體漏點的方法，增強他們解決實際問題的能力。

案例5 熱電偶測溫：主要講述了熱電偶測溫的原理、基本定律、結構與分類、設備研制與應用等方面的內容。通過引導學生思考采用開路熱電偶測量液態金屬溫度的案例，培養學生靈活運用知識的能力及開發相關設備的意識。

案例6 熱電阻測溫：主要講述了熱電阻測溫的原理、基本定律、結構與分類、設備研制與應用等方面的內容。通過該案例，引導學生設計開發熱敏電阻，形成合理的熱敏電阻開發方案，對其內部結構進行創新設計。

案例7 非接觸式溫度測量儀：主要講述了光學高溫計、比色高溫計、紅外高溫計的結構、工作原理與應用范疇。通過對知識的講授引導學生利用輻射換熱的方式設計開發不同類型的高溫計，鼓勵學生通過創新提升測溫儀表的精度。

案例8 液柱式測壓計：主要講述了液柱式測壓儀器的測量原理、測壓原理、安裝使用等方面的知識。通過該案例，引導學生進行微壓力、負壓力測試原理探索，進而開發出適用的液體壓力計。

案例9 彈性壓力測試儀：主要講述了儀器的構造、工作原理、分類及使用等知識點。通過該案例，引導學生進行膜盒或膜片式壓力計的集成與應用，鍛煉學生利用所學知識制作科研儀器的能力。

案例10 遠傳壓力變送器：主要講述了壓力遠傳變送器的類型、分類標準、工作原理、結構特性等方面的知識。通過該案例，引導學生利用評測差動壓力變送器的結構與工作原理設計開發互感式壓力變送器，創新工作機制。

案例11 容積式流量測量儀：主要講述了容積式流量測量儀的結構、工作原理、種類及使用范疇等內容。引導學生利用所學知識進行新產品開發，培養學生的創新創業意識。

案例12 速度式流量測量儀：主要講述了速度式流量測量儀的分類、結構特點、工作原理及安裝使用等方面的內容。通過該案例，引導學生設計并開發震動式流量傳感器，培養學生的創新意識。

案例13 超聲波流量測量儀：主要講述了超聲波流量測量儀的工作原理、組成安裝及使用方面的內容。通過該案例，引導學生根據超聲波流量測量儀測試原理設計并開發新型的用于兩相流動的測試裝置，形成創新方案。

案例14 節流式流量測量儀：主要講述了節流式流量測量儀的組成、結構原理、分類及代表性流量測量儀的安裝要求與選用方法。通過該案例，引導學生設計并開發基于文丘里管式的流量測量儀，培養學生的創業意識。

案例15 液位測量儀：主要講述了液位測量儀的分類、工作原理、應用范圍及選用原則。通過該案例，激勵學生設計并開發壓差式液位測量儀，學會利用基礎知識、原理進行設備開發，培養其創新意識。

案例16 固體料位儀：主要講述了固體料位儀的類型、工作原理，接觸式料位儀與非接觸式料位儀的組成、性能指標及工作過程。通過該案例，激發學生利用非接觸式料位儀的工作原理進行相關設備的開發。

案例17 奧氏氣體分析儀：主要講述了設備的結構、工作原理、測試方案與參數等內容。通過該案例，鼓勵學生探索制作煙氣測試動態設備，激發學生學習新知、創新創業的興趣。

案例18 紅外線氣體分析儀：主要介紹了儀器的結構、工作原理、使用方法及其適用范圍。通過該案例，鼓勵學生利用紅外線熱技術開發新型測溫、氣體成分分析技術，設計開發新型測試裝置。

3 典型案例教學實踐：熱電偶測溫

本文以一個實際教學案例進行說明。

該節的教學目標為掌握熱電偶的測溫原理、基本定律、結構、分類等理論知識，學會利用熱電偶的測溫原理設計與開發新型熱電偶傳感器。

工程案例：目前大量熱工窯爐使用的測溫儀器是熱電偶，讓學生查閱文獻，了解熱電偶的工作原理及使用方法，如圖1 所示。

圖1 常用熱電偶

教學實施過程：首先給出一個教學案例，讓學生先通過查閱文獻或視頻對熱電偶有初步認識，也即了解熱電偶的測溫原理，明確塞貝克效應。詳細了解后根據該效應明確熱電偶的組成：由兩種不同材料的金屬絲A、B焊接而成閉合回路。熱電偶分為熱端和冷端，熱端置于被測介質中，冷端被稱為參比端，放置于環境溫度中，與測量儀表相連接，通過測試二者之間的電勢差，即可得到冷端與熱端的溫度差。

參與式學習：讓學生根據所學的電子電工學的知識推導出熱電偶回路總的熱電勢。

學生采用理論學習與工程實踐相結合的形式學習熱電偶的基本定律。第一個是均質導體定律，其工程應用為當一種材料組成的閉合回路存在溫差時，在所形成的閉合回路中如果有熱電勢的存在，則證明導體材料是不純或者不均勻的，據此可以驗證熱電極材料的均勻性。此處讓學生討論一個工程案例，如何判斷某一種合金材料是否均勻？第二個是中間導體定律，其原理是將熱電偶參比端斷開，接入第三種導體，只要第三種導體兩端溫度保持一致，那么接入導體后對回路總電動勢無影響。根據這個定律，讓學生思考如下工程問題：為什么熱電偶在測試的時候可以接入儀表？第三個是中間溫度定律，其具體描述為在熱電偶回路中，兩接點溫度的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為不同點的相應熱電勢的代數和。依據該定律，制備得出了熱電勢與溫度之間的分度表，也為熱電偶的大規模使用提供了依據。接下來，讓學生通過線上資源學習標準熱電偶與非標準熱電偶的結構、工作原理及適用范圍，并歸納總結，形成思維導圖。最后結合工程案例，讓學生設計一套適用于大于300 m 深度隧道溫度測試的熱電偶，完成對該知識點的學習。

4 結語

材料工程測試技術是一門理論與工程實踐結合緊密、適用于材料與化工專業學位研究生培養的學位課程。課程的培養目標是：學生通過學習該課程，能夠掌握常用材料工程類測試的基本概念、理論，明確測試儀表的構造原理與測試原理，了解各類儀表的使用范圍；在工程測試的過程中遇到與之相關的問題時，能夠綜合運用所學知識分析和解決問題，同時培養學生工程探索與勇于創新的素質和精神。

教研組將課程教學與實際案例結合，將線上資源與線下資源融合，構建了材料工程測試技術教學案例庫。通過案例教學，對傳統教學方式形成了較好的補充。教學實踐證明：案例教學大幅增加了教學工作量，激發了學生的學習興趣，取得了較好的學習效果。同時，學生通過對案例的詳細思考和討論，提高了分析、解決問題的綜合能力。