基于案例教學法的工程實踐課程教案設計研究

秦子 呂慶功 許文婧

摘要 工程實踐課程是高校以培養工科學生的大工程觀和實踐創新能力為目標開設的核心課程。文章以“鋼鐵生產虛擬仿真實踐”課程為對象進行教學改革研究，針對“轉爐煉鋼”核心教學內容開展了基于案例教學法的教學設計。通過引入、提問、分析、闡述、延伸和討論等教學環節設計，結合虛擬仿真教學手段，將教學案例作為主線貫穿于課程教學，專業知識與應用場景緊密結合。探索形成的“六步法”案例教學模式，不僅能夠激發學生的學習興趣，促進其對專業知識、工藝原理及工程理念的理解，而且能夠傳揚工匠精神，堅定專業自信，顯著提升實踐育人的效果。

關鍵詞 教案設計；案例教學；高等教育；工程實踐

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.7.036

“鋼鐵生產虛擬仿真實踐”是為工科相關專業本科三年級學生開設的工程實踐課程虛擬仿真操作實踐部分，是一門專業實踐類課程[1-2]。課程采用鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學系統，圍繞鋼鐵生產操作實踐環節的工藝計算和操控過程等進行講解、演示和輔導。通過學習，學生能夠熟練掌握特定生產環節的工藝參數設定及仿真生產操作，并利用自評系統完成課程考核。本課程旨在使學生熟悉和掌握現代鋼鐵生產流程中的生產操作和工藝計算，培養學生綜合分析和解決復雜工程問題的能力[3-4]。多年來，隨著課程教學的深入實踐積累，課程教學團隊不斷進行教學探索和優化[5-6]。特別是持續開展了基于案例教學法的教學模式改革探索，選取大量緊密貼合專業知識的教學案例有機融入課堂教學中，并針對課程的核心教學單元進行了教學設計研究。

1教學基本情況

1.1教學單元

本文選取“鋼鐵生產虛擬仿真實踐”課程中“轉爐煉鋼生產制度”為教學單元。重點講授轉爐煉鋼相關生產制度，熟悉轉爐煉鋼虛擬仿真操作流程，介紹轉爐煉鋼生產仿真操作的參數設定方法，指導學生自主開展仿真操作實踐。

1.2教學目標

第一，掌握工程實踐基礎知識。讓學生熟練掌握轉爐煉鋼生產全流程、工藝原理、設備功能等基礎知識。第二，獲得工程實踐基本技能。通過虛擬仿真操作實踐，使學生明確工程任務，了解轉爐煉鋼生產制度，掌握參數設置和優化方法。第三，培養工程問題解決能力。學生通過在虛擬生產場景中自主解決原料選用、工藝設計、參數設置、工序安排、安全防護、降低成本、節能環保、回收利用等問題，逐步提高解決專業工程問題的能力。第四，了解本專業工程應用場景。通過工程實踐讓學生熟悉了解本專業實際應用場景，更加明晰專業知識的應用領域及學習價值。第五，激發家國情懷和工匠精神。在教學過程中，通過工程典型案例的引入，使學生了解我國現階段鋼鐵工業的輝煌成就，激發學習興趣和家國情懷。同時，通過自主開展生產仿真操作實踐，引導學生體會、理解和磨煉精益求精的工匠精神。

2教學重點與難點

2.1教學重點

熟知轉爐煉鋼生產流程，了解轉爐煉鋼生產制度，理解生產參數設置的意義，掌握生產參數優化的方法。

2.2教學難點

一是如何進一步激發學生深度參與工程實踐的興趣；二是如何使學生快速理解轉爐煉鋼生產制度及參數意義；三是如何使學生熟練掌握轉爐煉鋼仿真操作參數設置及優化方法。

2.3對重點和難點的處理

教學中主要通過案例的融入和貫穿來對教學重點和難點加以解析和突破。一方面，結合本節課程內容，選取學生耳熟能詳的我國“筆尖鋼”材料攻堅克難的典型案例，以視頻和圖片的形式進行介紹，結合問答的方式，引起學生共鳴，激發興趣，引發對轉爐煉鋼生產制度的探索。另一方面，通過回顧上節課所學習的煉鋼基本任務，對“筆尖鋼”案例的生產方法進行回應和分析，引導學生思考生產制度要求下所對應的參數設置的意義，并利用虛擬仿真手段，以工藝原理動畫、三維仿真視頻和生產現場視頻等相結合的方式，對生產目標、生產制度和優化意義進行深入的闡述。三是通過學生互動問答的形式，圍繞“筆尖鋼”案例中的煉鋼環節展開討論，抓住學生的興趣點，活躍課堂氣氛。按照轉爐煉鋼生產步驟，講解和演示相關生產制度所對應的仿真操作“參數設置”模塊，使學生快速掌握參數設置方法及優化意義，并由學生自主完成實驗結果優化。

3教學對象分析

3.1知識基礎

課程教學對象為工科相關專業三年級的學生，開課時間為夏季小學期。學生們已經完成了大學前三年的課程學習，且在二年級完成了專業認識實習，對本專業的工程背景有了初步了解，具備了扎實的基礎知識和專業知識。

3.2認知特點和學習風格

學生們接觸和掌握新生事物速度快，具備扎實的基礎知識，對專業知識和未來職業規劃有很強的渴望，學習主動性和學習能力也比較強。綜合以上特點，教學中可結合高水平信息化教學手段，增進學生對專業知識的理解，培養工程實踐能力。同時，充分利用案例教學法，將知識傳授與價值引領相結合，進一步提高學生緣事析理、明辨是非的能力，使其成為德才兼備、全面發展的專業人才。

4教學基本模式

4.1教學手段

充分利用虛擬仿真實踐教學的特色和優勢，將典型案例視頻、生產流程圖、三維仿真原理視頻、工程現場視頻、輔助影像資料以及虛擬仿真操作系統等教學素材有機融合，生動形象地展現教學內容，并設計學生互動問答環節，激發學習興趣，提高學習效率。

4.2教學方法

重點通過基于案例教學的“六步法”，對專業典型案例進行引入、提問、分析、闡述、延伸和討論，以“案例”這一主線將專業知識充分貫穿和融入于每個環節的教學之中。同時，專業典型案例也能將知識傳授與立德樹人相結合，引人入勝，潤物無聲，形成良好的課堂氛圍。在教學實施過程中，根據虛擬仿真實踐教學的特點，結合學生對專業知識和已授內容的掌握情況，將教學進程主要劃分為案例引入、問題提出、案例分析、重點闡述、操作演示和總結討論等主要教學環節。

5教學設計思路

5.1案例引入，潤物無聲

以問答形式引入“筆尖鋼”案例，讓學生進一步理解鋼鐵生產的重要意義，增加學生對專業的了解和認同感。開課伊始，以學生常用的圓珠筆筆尖材質來提問，引入我國“筆尖鋼”攻堅克難的典型案例，結合觀看“筆尖鋼”研究現狀的教學視頻，不僅使學生更直觀了解這種鋼鐵材料的實際應用，引發對研發難點的思考，而且有助于引發興趣和共鳴，為接下來的實踐任務及知識點引出做鋪墊。

5.2問題提出，明確任務

以“是否想親自冶煉一爐筆尖鋼”提問，引出本節課程的“針對給定鋼種，冶煉合格鋼水”實踐任務。利用工藝原理動畫，重點回顧轉爐煉鋼生產流程。一方面，使學生進一步加深印象，增進理解，查找知識遺漏點；另一方面，能夠引發學生對知識的探求和渴望，并為后續“生產制度”和“參數設置”的引出奠定良好的基礎。

5.3案例分析，引出核心

在明確實踐任務后，對“筆尖鋼”案例進行回應和深入分析，引出本節課要講授的核心知識點。首先，對筆尖球座部分不銹鋼材料的極高性能要求進行分析，闡明微量元素配比對鋼材質量的影響，從而引出本節的主要內容“轉爐煉鋼生產制度”。隨后，對轉爐爐型、設備參數、鋼種、冶煉終點控制、產品成分、生產成本、生產時間、生產目標及實驗考核標準進行明確，使學習思路從基本生產流程深入至生產制度，進一步回應核心知識點。同時，深入分析其中包含的科學和工程問題，引導學生在學習、生活和工作中辯證地看待對與錯、利與害、得與失。

5.4重點闡述，仿真教學

利用虛擬仿真手段，結合課件要點文字，著重闡述轉爐煉鋼相關生產制度。與傳統教學方式相比，虛擬仿真教學能夠針對鋼鐵生產中難看到、看不到、難做到或做不到的實踐內容，通過三維虛擬仿真視頻的形式給予更加形象的呈現。特別是通過工藝原理動畫，更直觀展現生產制度的工藝原理，極大地促進了學生們對知識點的理解。同時，仿真模型和數據均來源于生產和科研，保障了教學內容的真實性和可靠性，使學生更容易理解和掌握。

5.5操作演示，虛擬生產

通過教學演示、自主操作、互動問答的形式，讓學生快速掌握仿真操作參數設置與優化方法。教師在仿真操作系統中進行參數設置的操作演示，同時設計能夠激發學生興趣的互動問答環節，請一個學生提出疑惑，其他同學幫忙解答，老師最后給予補充，從而讓學生掌握生產制度指導下的參數設置方法及優化意義，并根據實驗目標不斷優化轉爐煉鋼仿真生產操作的最終實驗結果。

5.6總結討論，重點強化

結合本節課學習的裝料制度、供氧制度、造渣制度、溫度制度以及終點控制等轉爐煉鋼生產制度，進一步討論如何通過生產制度指導生產過程，從而實現“筆尖鋼”的冶煉。請同學們分享通過試錯方式初步了解的不同工藝參數對實驗結果的影響。隨后，結合學生對生產制度的掌握，布置操作任務及課后作業，指導學生在課后利用虛擬仿真線上教學系統，進一步鞏固轉爐煉鋼相關知識及仿真操作實踐技能，并撰寫操作實踐報告及案例學習體會。

6結語

本教案設計充分體現了工程實踐教學的目標及特色。課程以具有學校歷史傳承和優勢學科特色的鋼鐵生產工程領域作為教學背景，緊密貼合學生的專業方向，能夠極大地激發學生們的學習興趣。課程重點通過“六步法”案例教學模式設計，將專業典型案例貫穿于整堂課程教學，通過對案例的引入、提問、分析、闡述、延伸和討論，將知識傳授與立德樹人相結合。該教學模式不僅可以使學生加深對專業、原理及工程理念的理解，而且能夠激發家國情懷，傳揚工匠精神，堅定專業自信。特別是課程運用了虛擬仿真教學手段，將三維虛擬仿真視頻、生產現場視頻、工藝原理動畫、設備虛擬拆分視頻等多種教學方式融入課程中，為學生在企業現場進行的工程實踐進行補充和支撐，提高了學生的動手能力，培養了學生綜合分析和解決復雜工程問題的能力。

基金項目：北京科技大學教學改革項目“基于模擬煉鋼生產的項目制工程實踐教學探索”（JG2020M52）；北京科技大學課程思政特色示范課程建設項目“鋼鐵生產虛擬仿真實踐A”（KC2019SZ17）。

參考文獻

[1]呂慶功，秦子，許文婧.鋼鐵生產虛擬仿真認知實踐[M].北京：冶金工業出版社，2021.

[2]秦子，呂慶功，許文婧，等.虛擬仿真在材料類專業卓越工程師培養實踐教學中的應用[J].中國冶金教育，2019（2）： 90-94.

[3]鐘良才，戰東平，閔義，等.冶金工程專業實習指導書-鋼鐵冶金[M].北京：冶金工業出版社，2019.

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[5]薛慶國，臧勇.北京科技大學“課程思政”案例選編[M].北京：冶金工業出版社，2020.

[6]習近平給北京科技大學老教授的回信[EB/OL].（2022-04-22）. http：// www.news.cn/politics/2022-04/22/c_1128584322.htm.