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摘要：选用空心和实心钢球成型工艺设计作为“材料成型技术基础”课程案例教学的作业题目，教学对象简单，易于实施教学内容和实现教学目标，易于取得课堂讲授理论和方法与课下自主学习工艺知识相结合的良好教学效果。教学实践表明，该案例教学调动了学生的学习热情和积极性，活跃了课堂教学过程，促进了学生解决工程问题的能力培养，推动了本课程的研究型教学的进展。
关键词：材料成型技术基础；空心和实心钢球案例；案例教学；设计与实施
作者简介：杨智勇（1976-），男，河北保定人，北京交通大学机械与电子控制工程学院，讲师；韩建民（1960-），男，山东青岛人，北京交通大学机械与电子控制工程学院，教授。（北京100044）
基金项目：本文系北京交通大学本科生教改项目（项目编号：D09-12）的研究成果。
中图分类号：C642.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）16-0076-02
“材料成形技术基础”是机械工程及自动化专业在先修的“机械制图”、“机械制造基础”、“工程力学”等课程基础上开设的一门技术基础必修课程，旨在培养学生厚基础、宽方向、适应性强的基础理论和工程技术基础。该课程既要加强讲授材料成型基本理论，又要重视培养学生在掌握零部件毛坯成型方法和工艺、结构工艺性设计和毛坯选用方面的实践和创新能力。“材料成形技术基础”的课程内容具有较强的实践特点，以往的教学模式偏重于知识传授，对学生的工程和实践能力的培养重视程度不够。在教学方法上，主要采用知识灌输性的教学方式为主，对学生的自主学习、自主探究能力的培养不足；[1]课堂教学过程中，学生被动学习现象较为突出，导致对本课程的学习兴趣不强、课堂教学过程欠活跃。[2]采用案例教学有助于提高学生的学习热情和效率，加强师生互动，活跃课堂教学过程，发挥同学学习的主观能动性和积极性，对提高教学效果、培养学生解决工程问题和创新能力有明显的促进作用。[3]
本文采用空心和实心钢球作为案例教学实施对象，针对不同成型方法，开展了案例教学的设计，并在“材料成形技术基础”课程教学中进行实践，取得了良好的教学效果。
一、案例教学法特点
案例教学法是基于某个工程对象或案例，在教师的精心设计和指导下，通过学生自主学习、独立思考和分析、开展研究和讨论，实现有关的教学内容和教学目标，提高学生分析和解决问题能力的一种教学方法。
首先，案例教学具有直观、生动等特点，是一种动态的开放式的教学方式，师生之间互动交流，课堂教学具有活力，教与学也成为富有个性化的创造过程。其次，案例教学的教学目标发生变化，从“授之以鱼”变为“授之以渔”。针对具体工程案例，教师指导和学生自学，不仅使学生“学会”，而且使学生“会学”，传授知识与培养自学能力相结合。再次，案例教学中的角色变化，学生成了教学活动中的主体，改变了教师讲、学生听的传统的以教定学的教学模式，创造了学生主动参与、自主学习的新型学习模式。[4]
实践证明，案例教学具有学习效率高的特点。学生在完成一个和他们的实际生活与学习密切相关而且比较有趣的“任务”时，会非常专心，乐此不疲，从而学习效率大幅提高，教学质量也相应提升。
二、“材料成形技术基础”课程案例教学设计
1.案例选择
“材料成形技术基础”课程的教学目标旨在培养学生材料成型的基础理论和工程技术，要求学生获得常用工程材料液态成型、塑性成型、焊接成型的工艺知识，提高学生运用所学知识，分析和解决工程问题的能力。
案例教学中案例选取和设计对教学效果非常关键，在选择实施案例时，应该考虑如下两个方面：选择的案例应为同学所熟知的，这样可以避免他们花费太多时间去理解零部件的结构，把主要精力用在知识学习和工艺设计方面；选择的案例要求覆盖的工艺内涵丰富，有足够的探究空间，学生可以根据自己的理解和对理论知识的掌握，选择不同的成型方法，实施创新性设计，并通过小组讨论的方式完善工艺方案设计。
基于以上原则和教学目标的要求，本文选取空心和实心钢球作为案例教学的工程对象，实施了金属材料的液态成型、塑性成型（锻造成形、板料冲压）和焊接成型案例设计和教学内容。
铸造空心钢球作为液态成型案例，具有结构简单、成型方法多样、涉及工艺内容广泛等特点，适于开展案例教学。该案例教学内容要求学生了解钢的成型工艺性能，掌握分型面选择、浇注位置选择、型芯使用、浇口冒口设置、收缩率、公差和加工余量、工艺卡的制定、工装设计和铸件防护等工艺内容。
实心钢球为锻造成型案例，涵盖了自由锻和模锻两大基本锻造方法，学生对钢球也比较熟悉，适合案例教学。此案例要求学生掌握锻造毛坯结构的工艺性要求、金属材料的可锻性、常用锻造方法、坯料计算方法、加工余量、锻造比、锻造公差等工艺参数的含义及确定原则等内容，以及一般的锻造工艺流程。
焊接空心钢球作为板料冲压和焊接成型案例，涉及板料冲压中分离和变形两工序，还涉及材料的焊接性能、焊缝布局和焊接顺序、焊接变形等基本工艺内容，工艺内涵丰富。该案例能够让学生体会和掌握冲压件结构的工艺性要求、常用冲压工序，排样和板料计算方法、焊接结构的工艺性要求、金属材料的焊接性能评价方法等内容。
2.案例教学设计
案例教学的具体设计内容包括案例作业题目、任务布置、分组实施、课堂报告及讨论、教师点评和总结、学生完善报告、教师评分及反馈等七个方面。下面以空心钢球的铸造成型为例说明案例教学的设计。
（1）案例作业题目。案例教学题目应给出完成某项工作或工程的目标，并提出一些基本背景和条件等，针对铸造空心钢球对成型质量的要求不同，所考虑的工艺细节和所采用的成型方法也会不同，教师必须提出必要的工艺约束条件，使学生聚焦思考，但同时又不能约束得太多，限制他们的想象力。教学过程中规定材料为45号钢，直径为Φ200mm，壁厚为15mm。成型后，钢球表面光滑（允许打磨，但不允许实施补焊），造型方法为砂型手工造型。
（2）任务布置。提出完成案例题目的有关要求，应包括技术要求和教学安排，如完成铸造空心钢球成型工艺设计可以采取任何工艺措施，但不能在球外表面进行补焊，可以打磨等；设计出铸造工艺方案，画出铸造工艺图，并制定工艺卡；学生自由组合成5人一组，确定组长，确定各自的任务和分工；案例教学的实施是在相应章节课堂讲授内容结束后进行的，学生已经掌握了一些基本的概念和方法，通过查阅资料，并运用所学铸造成形知识完成案例作业；时间为两周等。
（3）分组实施。学生利用课余时间，自学有关知识，查阅资料，充分思考和讨论，集思广益，组长把各位同学的研究成果汇总成案例报告。
（4）课堂报告及讨论。在课堂教学课时中专门安排1个学时，报告会由任课教师主持，请各小组组长采用PPT的方式报告各自完成的案例，教师对学生的报告内容及时提出质疑，要求本组或其他小组思考并回答质疑。
（5）教师点评及总结。任课老师根据各组的报告，积极肯定学生正确的报告内容，指出错误的概念、方法和工艺，从个别到一般，总结归纳出必要的理论知识和基本原理，特别是要总结出要求同学们自学掌握的一些知识点。
（6）学生完善报告。要求学生根据课堂讨论、教师点评和总结，对本小组的案例报告进行修改和完善，在规定的时间内将最终报告提交任课教师。
（7）教师评分及反馈。任课老师查阅学生提交的最终案例报告，给各个小组的报告评分并撰写简要评语，将评分和评语反馈给他们。
案例教学中，在说明案例题目和任务布置过程中，需要采用启发式的方式，预先提出案例的难点和问题，激发学生对案例题目的兴趣；实施过程要强调自学和查阅资料，鼓励在科学的基础上积极创新，鼓励学生借助计算机软件表达工艺思路、方法和设计，如采用Solidworks表达工艺思路、方法，以CAD绘出工艺设计图等。案例教学也对任课教师提出了较高的要求，如需要教师熟知专业知识，具有一定的工程能力、投入更多的时间等。
三、铸造空心钢球案例教学实践
1.案例作业题目及任务布置
以液态成型案例教学为例，总结案例教学实践内容。
案例作业题目为采用铸造成型的方法制备空心钢球，外径Φ200mm，壁厚15mm，造型方法为砂型手工造型，成型后，钢球表面光滑（允许打磨，但不允许实施补焊）。
该案例的教学目标是巩固课堂讲授的液态成型的有关理论和技术方法，学生以该案例为载体自学课堂上讲授枯燥、但又需要掌握的工艺方法、工艺参数、工艺规范和工艺卡等知识，加强对他们实践和工程能力的培养。在课堂教学完成了液态成型教授内容后，提出并布置该案例题目，强调在不采用任何焊接方法条件下，只采用液态成型方法制造出空心钢球的技术难点，以此激发同学们的思考热情和积极性，淡化材料种类、钢球尺寸大小等与案例教学目标关联不密切的内容，同时说明按照小组报告质量，同组成员获得同样成绩的集体评分方法。
2.分组实施及撰写报告
案例教学实践表明，学生针对空心钢球的技术难点，以极大的热情积极思考，通过自学和查阅资料，分析讨论，能够准时完成教学案例报告。此外，在集体荣誉感的推动下，小组成员积极投入案例教学，提高了学习效率和效果，加强了团队协作能力的培养。
3.课堂报告、讨论及点评
铸造空心钢球是一个开放式案例作业题目，无标准答案，由此可激发学生的创新思考和尝试。教师在评定学生课堂报告时，要注意把握工艺方法和方案的合理性及可行性，工艺设计的技术经济效果，基本理论运用，技术内容以及工艺细节的规范性。为获得较好的教学效果，教师要加强课堂调控能力，及时并积极肯定学生细小的合理创新想法、方案和技术细节，最大限度地调动他们的案例教学学习热情，在此基础上对存在的问题提出质疑，鼓励同学们解答质疑，引导深入思考和学习，活跃课堂讨论，达到老师和学生之间互动的教学效果。
空心钢球铸造工艺方案之一是采用金属型芯和芯撑工艺措施，见图1。这两项工艺措施在教科书中是没有的，课堂教学也不讲授，但学生带着“如何形成空心”和“如何保证壁厚均匀”两个问题查阅资料，是可以找到类似的解决答案的。一旦有学生在报告中体现类似的方法，教师不仅要积极肯定他们的方案设计，还要充分肯定他们的自学能力和效果。如果同学们的报告中没有金属型芯和芯撑工艺措施，教师可以结合他们的报告内容，质疑如何做出空心和保证壁厚均匀这两个问题，或引导其他同学提出有关的质疑，引导学生积极思考，寻找答案。教学实践表明，同学们是可以提出解决方案的，并在该过程中会出现活跃的课堂讨论。
4.评分和评语
为实现较好的教学效果，在课堂报告、讨论及点评后，要求学生根据讨论和点评，进一步修改和完善案例教学作业，对提交的作业评分，同时给出简要评语，学生查看评语后，会进一步提高有关知识的学习效果。
四、结论
案例教学法有助于提高学生的学习热情和效率，发挥学生的主观能动性和学习积极性，有利于师生互动，活跃课堂教学，提高教学效果和质量，是研究性教学方法的重要内容之一。案例教学也是一种双向的教学形式，有助于促使教师加深思考和教师教学水平的不断提高，同时也对教师提出了更高的要求。
参考文献：
[1]吕军书.浅析案例教学在研究生教学中的运用——以哈佛案例教学为实证[J].经济研究导刊,2011,(6):254-255.
[2]任国强,罗啸峰.案例教学法在《机械设计基础》教学中的应用[J].四川职业技术学院学报,2011,21(1):85-86.
[3]丁国锋,李云华,刘同刚,等.案例教学法在传染病学教学中的实践与探讨[J].西北医学教育,2011,(2):306-308.
[4]隋晶秋,黄芳.法学案例教学的设计与实践[J].黑龙江省政法管理干部学院学报,2007,(4):121-123.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：材料成型技术基础；空心和实心钢球案例；案例教学；设计与实施
作者简介：杨智勇（1976-），男，河北保定人，北京交通大学机械与电子控制工程学院，讲师；韩建民（1960-），男，山东青岛人，北京交通大学机械与电子控制工程学院，教授。（北京100044）
基金项目：本文系北京交通大学本科生教改项目（项目编号：D09-12）的研究成果。
中图分类号：C642.4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）16-0076-02
“材料成形技术基础”是机械工程及自动化专业在先修的“机械制图”、“机械制造基础”、“工程力学”等课程基础上开设的一门技术基础必修课程，旨在培养学生厚基础、宽方向、适应性强的基础理论和工程技术基础。该课程既要加强讲授材料成型基本理论，又要重视培养学生在掌握零部件毛坯成型方法和工艺、结构工艺性设计和毛坯选用方面的实践和创新能力。“材料成形技术基础”的课程内容具有较强的实践特点，以往的教学模式偏重于知识传授，对学生的工程和实践能力的培养重视程度不够。在教学方法上，主要采用知识灌输性的教学方式为主，对学生的自主学习、自主探究能力的培养不足；[1]课堂教学过程中，学生被动学习现象较为突出，导致对本课程的学习兴趣不强、课堂教学过程欠活跃。[2]采用案例教学有助于提高学生的学习热情和效率，加强师生互动，活跃课堂教学过程，发挥同学学习的主观能动性和积极性，对提高教学效果、培养学生解决工程问题和创新能力有明显的促进作用。[3]
本文采用空心和实心钢球作为案例教学实施对象，针对不同成型方法，开展了案例教学的设计，并在“材料成形技术基础”课程教学中进行实践，取得了良好的教学效果。
一、案例教学法特点
案例教学法是基于某个工程对象或案例，在教师的精心设计和指导下，通过学生自主学习、独立思考和分析、开展研究和讨论，实现有关的教学内容和教学目标，提高学生分析和解决问题能力的一种教学方法。
首先，案例教学具有直观、生动等特点，是一种动态的开放式的教学方式，师生之间互动交流，课堂教学具有活力，教与学也成为富有个性化的创造过程。其次，案例教学的教学目标发生变化，从“授之以鱼”变为“授之以渔”。针对具体工程案例，教师指导和学生自学，不仅使学生“学会”，而且使学生“会学”，传授知识与培养自学能力相结合。再次，案例教学中的角色变化，学生成了教学活动中的主体，改变了教师讲、学生听的传统的以教定学的教学模式，创造了学生主动参与、自主学习的新型学习模式。[4]
实践证明，案例教学具有学习效率高的特点。学生在完成一个和他们的实际生活与学习密切相关而且比较有趣的“任务”时，会非常专心，乐此不疲，从而学习效率大幅提高，教学质量也相应提升。
二、“材料成形技术基础”课程案例教学设计
1.案例选择
“材料成形技术基础”课程的教学目标旨在培养学生材料成型的基础理论和工程技术，要求学生获得常用工程材料液态成型、塑性成型、焊接成型的工艺知识，提高学生运用所学知识，分析和解决工程问题的能力。
案例教学中案例选取和设计对教学效果非常关键，在选择实施案例时，应该考虑如下两个方面：选择的案例应为同学所熟知的，这样可以避免他们花费太多时间去理解零部件的结构，把主要精力用在知识学习和工艺设计方面；选择的案例要求覆盖的工艺内涵丰富，有足够的探究空间，学生可以根据自己的理解和对理论知识的掌握，选择不同的成型方法，实施创新性设计，并通过小组讨论的方式完善工艺方案设计。
基于以上原则和教学目标的要求，本文选取空心和实心钢球作为案例教学的工程对象，实施了金属材料的液态成型、塑性成型（锻造成形、板料冲压）和焊接成型案例设计和教学内容。
铸造空心钢球作为液态成型案例，具有结构简单、成型方法多样、涉及工艺内容广泛等特点，适于开展案例教学。该案例教学内容要求学生了解钢的成型工艺性能，掌握分型面选择、浇注位置选择、型芯使用、浇口冒口设置、收缩率、公差和加工余量、工艺卡的制定、工装设计和铸件防护等工艺内容。
实心钢球为锻造成型案例，涵盖了自由锻和模锻两大基本锻造方法，学生对钢球也比较熟悉，适合案例教学。此案例要求学生掌握锻造毛坯结构的工艺性要求、金属材料的可锻性、常用锻造方法、坯料计算方法、加工余量、锻造比、锻造公差等工艺参数的含义及确定原则等内容，以及一般的锻造工艺流程。
焊接空心钢球作为板料冲压和焊接成型案例，涉及板料冲压中分离和变形两工序，还涉及材料的焊接性能、焊缝布局和焊接顺序、焊接变形等基本工艺内容，工艺内涵丰富。该案例能够让学生体会和掌握冲压件结构的工艺性要求、常用冲压工序，排样和板料计算方法、焊接结构的工艺性要求、金属材料的焊接性能评价方法等内容。
2.案例教学设计
案例教学的具体设计内容包括案例作业题目、任务布置、分组实施、课堂报告及讨论、教师点评和总结、学生完善报告、教师评分及反馈等七个方面。下面以空心钢球的铸造成型为例说明案例教学的设计。
（1）案例作业题目。案例教学题目应给出完成某项工作或工程的目标，并提出一些基本背景和条件等，针对铸造空心钢球对成型质量的要求不同，所考虑的工艺细节和所采用的成型方法也会不同，教师必须提出必要的工艺约束条件，使学生聚焦思考，但同时又不能约束得太多，限制他们的想象力。教学过程中规定材料为45号钢，直径为Φ200mm，壁厚为15mm。成型后，钢球表面光滑（允许打磨，但不允许实施补焊），造型方法为砂型手工造型。
（2）任务布置。提出完成案例题目的有关要求，应包括技术要求和教学安排，如完成铸造空心钢球成型工艺设计可以采取任何工艺措施，但不能在球外表面进行补焊，可以打磨等；设计出铸造工艺方案，画出铸造工艺图，并制定工艺卡；学生自由组合成5人一组，确定组长，确定各自的任务和分工；案例教学的实施是在相应章节课堂讲授内容结束后进行的，学生已经掌握了一些基本的概念和方法，通过查阅资料，并运用所学铸造成形知识完成案例作业；时间为两周等。
（3）分组实施。学生利用课余时间，自学有关知识，查阅资料，充分思考和讨论，集思广益，组长把各位同学的研究成果汇总成案例报告。
（4）课堂报告及讨论。在课堂教学课时中专门安排1个学时，报告会由任课教师主持，请各小组组长采用PPT的方式报告各自完成的案例，教师对学生的报告内容及时提出质疑，要求本组或其他小组思考并回答质疑。
（5）教师点评及总结。任课老师根据各组的报告，积极肯定学生正确的报告内容，指出错误的概念、方法和工艺，从个别到一般，总结归纳出必要的理论知识和基本原理，特别是要总结出要求同学们自学掌握的一些知识点。
（6）学生完善报告。要求学生根据课堂讨论、教师点评和总结，对本小组的案例报告进行修改和完善，在规定的时间内将最终报告提交任课教师。
（7）教师评分及反馈。任课老师查阅学生提交的最终案例报告，给各个小组的报告评分并撰写简要评语，将评分和评语反馈给他们。
案例教学中，在说明案例题目和任务布置过程中，需要采用启发式的方式，预先提出案例的难点和问题，激发学生对案例题目的兴趣；实施过程要强调自学和查阅资料，鼓励在科学的基础上积极创新，鼓励学生借助计算机软件表达工艺思路、方法和设计，如采用Solidworks表达工艺思路、方法，以CAD绘出工艺设计图等。案例教学也对任课教师提出了较高的要求，如需要教师熟知专业知识，具有一定的工程能力、投入更多的时间等。
三、铸造空心钢球案例教学实践
1.案例作业题目及任务布置
以液态成型案例教学为例，总结案例教学实践内容。
案例作业题目为采用铸造成型的方法制备空心钢球，外径Φ200mm，壁厚15mm，造型方法为砂型手工造型，成型后，钢球表面光滑（允许打磨，但不允许实施补焊）。
该案例的教学目标是巩固课堂讲授的液态成型的有关理论和技术方法，学生以该案例为载体自学课堂上讲授枯燥、但又需要掌握的工艺方法、工艺参数、工艺规范和工艺卡等知识，加强对他们实践和工程能力的培养。在课堂教学完成了液态成型教授内容后，提出并布置该案例题目，强调在不采用任何焊接方法条件下，只采用液态成型方法制造出空心钢球的技术难点，以此激发同学们的思考热情和积极性，淡化材料种类、钢球尺寸大小等与案例教学目标关联不密切的内容，同时说明按照小组报告质量，同组成员获得同样成绩的集体评分方法。
2.分组实施及撰写报告
案例教学实践表明，学生针对空心钢球的技术难点，以极大的热情积极思考，通过自学和查阅资料，分析讨论，能够准时完成教学案例报告。此外，在集体荣誉感的推动下，小组成员积极投入案例教学，提高了学习效率和效果，加强了团队协作能力的培养。
3.课堂报告、讨论及点评
铸造空心钢球是一个开放式案例作业题目，无标准答案，由此可激发学生的创新思考和尝试。教师在评定学生课堂报告时，要注意把握工艺方法和方案的合理性及可行性，工艺设计的技术经济效果，基本理论运用，技术内容以及工艺细节的规范性。为获得较好的教学效果，教师要加强课堂调控能力，及时并积极肯定学生细小的合理创新想法、方案和技术细节，最大限度地调动他们的案例教学学习热情，在此基础上对存在的问题提出质疑，鼓励同学们解答质疑，引导深入思考和学习，活跃课堂讨论，达到老师和学生之间互动的教学效果。
空心钢球铸造工艺方案之一是采用金属型芯和芯撑工艺措施，见图1。这两项工艺措施在教科书中是没有的，课堂教学也不讲授，但学生带着“如何形成空心”和“如何保证壁厚均匀”两个问题查阅资料，是可以找到类似的解决答案的。一旦有学生在报告中体现类似的方法，教师不仅要积极肯定他们的方案设计，还要充分肯定他们的自学能力和效果。如果同学们的报告中没有金属型芯和芯撑工艺措施，教师可以结合他们的报告内容，质疑如何做出空心和保证壁厚均匀这两个问题，或引导其他同学提出有关的质疑，引导学生积极思考，寻找答案。教学实践表明，同学们是可以提出解决方案的，并在该过程中会出现活跃的课堂讨论。
4.评分和评语
为实现较好的教学效果，在课堂报告、讨论及点评后，要求学生根据讨论和点评，进一步修改和完善案例教学作业，对提交的作业评分，同时给出简要评语，学生查看评语后，会进一步提高有关知识的学习效果。
四、结论
案例教学法有助于提高学生的学习热情和效率，发挥学生的主观能动性和学习积极性，有利于师生互动，活跃课堂教学，提高教学效果和质量，是研究性教学方法的重要内容之一。案例教学也是一种双向的教学形式，有助于促使教师加深思考和教师教学水平的不断提高，同时也对教师提出了更高的要求。
参考文献：
[1]吕军书.浅析案例教学在研究生教学中的运用——以哈佛案例教学为实证[J].经济研究导刊,2011,(6):254-255.
[2]任国强,罗啸峰.案例教学法在《机械设计基础》教学中的应用[J].四川职业技术学院学报,2011,21(1):85-86.
[3]丁国锋,李云华,刘同刚,等.案例教学法在传染病学教学中的实践与探讨[J].西北医学教育,2011,(2):306-308.
[4]隋晶秋,黄芳.法学案例教学的设计与实践[J].黑龙江省政法管理干部学院学报,2007,(4):121-123.
（责任编辑：宋秀丽）