基于案例教学法的工程实践课程教案设计研究

秦子 吕庆功 许文婧

摘要 工程实践课程是高校以培养工科学生的大工程观和实践创新能力为目标开设的核心课程。文章以“钢铁生产虚拟仿真实践”课程为对象进行教学改革研究，针对“转炉炼钢”核心教学内容开展了基于案例教学法的教学设计。通过引入、提问、分析、阐述、延伸和讨论等教学环节设计，结合虚拟仿真教学手段，将教学案例作为主线贯穿于课程教学，专业知识与应用場景紧密结合。探索形成的“六步法”案例教学模式，不仅能够激发学生的学习兴趣，促进其对专业知识、工艺原理及工程理念的理解，而且能够传扬工匠精神，坚定专业自信，显著提升实践育人的效果。

关键词 教案设计；案例教学；高等教育；工程实践

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.7.036

“钢铁生产虚拟仿真实践”是为工科相关专业本科三年级学生开设的工程实践课程虚拟仿真操作实践部分，是一门专业实践类课程[1-2]。课程采用钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学系统，围绕钢铁生产操作实践环节的工艺计算和操控过程等进行讲解、演示和辅导。通过学习，学生能够熟练掌握特定生产环节的工艺参数设定及仿真生产操作，并利用自评系统完成课程考核。本课程旨在使学生熟悉和掌握现代钢铁生产流程中的生产操作和工艺计算，培养学生综合分析和解决复杂工程问题的能力[3-4]。多年来，随着课程教学的深入实践积累，课程教学团队不断进行教学探索和优化[5-6]。特别是持续开展了基于案例教学法的教学模式改革探索，选取大量紧密贴合专业知识的教学案例有机融入课堂教学中，并针对课程的核心教学单元进行了教学设计研究。

1教学基本情况

1.1教学单元

本文选取“钢铁生产虚拟仿真实践”课程中“转炉炼钢生产制度”为教学单元。重点讲授转炉炼钢相关生产制度，熟悉转炉炼钢虚拟仿真操作流程，介绍转炉炼钢生产仿真操作的参数设定方法，指导学生自主开展仿真操作实践。

1.2教学目标

第一，掌握工程实践基础知识。让学生熟练掌握转炉炼钢生产全流程、工艺原理、设备功能等基础知识。第二，获得工程实践基本技能。通过虚拟仿真操作实践，使学生明确工程任务，了解转炉炼钢生产制度，掌握参数设置和优化方法。第三，培养工程问题解决能力。学生通过在虚拟生产场景中自主解决原料选用、工艺设计、参数设置、工序安排、安全防护、降低成本、节能环保、回收利用等问题，逐步提高解决专业工程问题的能力。第四，了解本专业工程应用场景。通过工程实践让学生熟悉了解本专业实际应用场景，更加明晰专业知识的应用领域及学习价值。第五，激发家国情怀和工匠精神。在教学过程中，通过工程典型案例的引入，使学生了解我国现阶段钢铁工业的辉煌成就，激发学习兴趣和家国情怀。同时，通过自主开展生产仿真操作实践，引导学生体会、理解和磨炼精益求精的工匠精神。

2教学重点与难点

2.1教学重点

熟知转炉炼钢生产流程，了解转炉炼钢生产制度，理解生产参数设置的意义，掌握生产参数优化的方法。

2.2教学难点

一是如何进一步激发学生深度参与工程实践的兴趣；二是如何使学生快速理解转炉炼钢生产制度及参数意义；三是如何使学生熟练掌握转炉炼钢仿真操作参数设置及优化方法。

2.3对重点和难点的处理

教学中主要通过案例的融入和贯穿来对教学重点和难点加以解析和突破。一方面，结合本节课程内容，选取学生耳熟能详的我国“笔尖钢”材料攻坚克难的典型案例，以视频和图片的形式进行介绍，结合问答的方式，引起学生共鸣，激发兴趣，引发对转炉炼钢生产制度的探索。另一方面，通过回顾上节课所学习的炼钢基本任务，对“笔尖钢”案例的生产方法进行回应和分析，引导学生思考生产制度要求下所对应的参数设置的意义，并利用虚拟仿真手段，以工艺原理动画、三维仿真视频和生产现场视频等相结合的方式，对生产目标、生产制度和优化意义进行深入的阐述。三是通过学生互动问答的形式，围绕“笔尖钢”案例中的炼钢环节展开讨论，抓住学生的兴趣点，活跃课堂气氛。按照转炉炼钢生产步骤，讲解和演示相关生产制度所对应的仿真操作“参数设置”模块，使学生快速掌握参数设置方法及优化意义，并由学生自主完成实验结果优化。

3教学对象分析

3.1知识基础

课程教学对象为工科相关专业三年级的学生，开课时间为夏季小学期。学生们已经完成了大学前三年的课程学习，且在二年级完成了专业认识实习，对本专业的工程背景有了初步了解，具备了扎实的基础知识和专业知识。

3.2认知特点和学习风格

学生们接触和掌握新生事物速度快，具备扎实的基础知识，对专业知识和未来职业规划有很强的渴望，学习主动性和学习能力也比较强。综合以上特点，教学中可结合高水平信息化教学手段，增进学生对专业知识的理解，培养工程实践能力。同时，充分利用案例教学法，将知识传授与价值引领相结合，进一步提高学生缘事析理、明辨是非的能力，使其成为德才兼备、全面发展的专业人才。

4教学基本模式

4.1教学手段

充分利用虚拟仿真实践教学的特色和优势，将典型案例视频、生产流程图、三维仿真原理视频、工程现场视频、辅助影像资料以及虚拟仿真操作系统等教学素材有机融合，生动形象地展现教学内容，并设计学生互动问答环节，激发学习兴趣，提高学习效率。

4.2教学方法

重点通过基于案例教学的“六步法”，对专业典型案例进行引入、提问、分析、阐述、延伸和讨论，以“案例”这一主线将专业知识充分贯穿和融入于每个环节的教学之中。同时，专业典型案例也能将知识传授与立德树人相结合，引人入胜，润物无声，形成良好的课堂氛围。在教学实施过程中，根据虚拟仿真实践教学的特点，结合学生对专业知识和已授内容的掌握情况，将教学进程主要划分为案例引入、问题提出、案例分析、重点阐述、操作演示和总结讨论等主要教学环节。

5教学设计思路

5.1案例引入，润物无声

以问答形式引入“笔尖钢”案例，让学生进一步理解钢铁生产的重要意义，增加学生对专业的了解和认同感。开课伊始，以学生常用的圆珠笔笔尖材质来提问，引入我国“笔尖钢”攻坚克难的典型案例，结合观看“笔尖钢”研究现状的教学视频，不仅使学生更直观了解这种钢铁材料的实际应用，引发对研发难点的思考，而且有助于引发兴趣和共鸣，为接下来的实践任务及知识点引出做铺垫。

5.2问题提出，明确任务

以“是否想亲自冶炼一炉笔尖钢”提问，引出本节课程的“针对给定钢种，冶炼合格钢水”实践任务。利用工艺原理动画，重点回顾转炉炼钢生产流程。一方面，使学生进一步加深印象，增进理解，查找知识遗漏点；另一方面，能够引发学生对知识的探求和渴望，并为后续“生产制度”和“参数设置”的引出奠定良好的基础。

5.3案例分析，引出核心

在明确实践任务后，对“笔尖钢”案例进行回应和深入分析，引出本节课要讲授的核心知识点。首先，对笔尖球座部分不锈钢材料的极高性能要求进行分析，阐明微量元素配比对钢材质量的影响，从而引出本节的主要内容“转炉炼钢生产制度”。随后，对转炉炉型、设备参数、钢种、冶炼终点控制、产品成分、生产成本、生产时间、生产目标及实验考核标准进行明确，使学习思路从基本生产流程深入至生产制度，进一步回应核心知识点。同时，深入分析其中包含的科学和工程问题，引导学生在学习、生活和工作中辩证地看待对与错、利与害、得与失。

5.4重点阐述，仿真教学

利用虚拟仿真手段，结合课件要点文字，着重阐述转炉炼钢相关生产制度。与传统教学方式相比，虚拟仿真教学能够针对钢铁生产中难看到、看不到、难做到或做不到的实践内容，通过三维虚拟仿真视频的形式给予更加形象的呈现。特别是通过工艺原理动画，更直观展现生产制度的工艺原理，极大地促进了学生们对知识点的理解。同时，仿真模型和数据均来源于生产和科研，保障了教学内容的真实性和可靠性，使学生更容易理解和掌握。

5.5操作演示，虚拟生产

通过教学演示、自主操作、互动问答的形式，让学生快速掌握仿真操作参数设置与优化方法。教师在仿真操作系统中进行参数设置的操作演示，同时设计能够激发学生兴趣的互动问答环节，请一个学生提出疑惑，其他同学帮忙解答，老师最后给予补充，从而让学生掌握生产制度指导下的参数设置方法及优化意义，并根据实验目标不断优化转炉炼钢仿真生产操作的最终实验结果。

5.6总结讨论，重点强化

结合本节课学习的装料制度、供氧制度、造渣制度、温度制度以及终点控制等转炉炼钢生产制度，进一步讨论如何通过生产制度指导生产过程，从而实现“笔尖钢”的冶炼。请同学们分享通过试错方式初步了解的不同工艺参数对实验结果的影响。随后，结合学生对生产制度的掌握，布置操作任务及课后作业，指导学生在课后利用虚拟仿真线上教学系统，进一步巩固转炉炼钢相关知识及仿真操作实践技能，并撰写操作实践报告及案例学习体会。

6结语

本教案设计充分体现了工程实践教学的目标及特色。课程以具有学校历史传承和优势学科特色的钢铁生产工程领域作为教学背景，紧密贴合学生的专业方向，能够极大地激发学生们的学习兴趣。课程重点通过“六步法”案例教学模式设计，将专业典型案例贯穿于整堂课程教学，通过对案例的引入、提问、分析、阐述、延伸和讨论，将知识传授与立德树人相结合。该教学模式不仅可以使学生加深对专业、原理及工程理念的理解，而且能够激发家国情怀，传扬工匠精神，坚定专业自信。特别是课程运用了虚拟仿真教学手段，将三维虚拟仿真视频、生产现场视频、工艺原理动画、设备虚拟拆分视频等多种教学方式融入课程中，为学生在企业现场进行的工程实践进行补充和支撑，提高了学生的动手能力，培养了学生综合分析和解决复杂工程问题的能力。

基金项目：北京科技大学教学改革项目“基于模拟炼钢生产的项目制工程实践教学探索”（JG2020M52）；北京科技大学课程思政特色示范课程建设项目“钢铁生产虚拟仿真实践A”（KC2019SZ17）。

参考文献

[1]吕庆功，秦子，许文婧.钢铁生产虚拟仿真认知实践[M].北京：冶金工业出版社，2021.

[2]秦子，吕庆功，许文婧，等.虚拟仿真在材料类专业卓越工程师培养实践教学中的应用[J].中国冶金教育，2019（2）： 90-94.

[3]钟良才，战东平，闵义，等.冶金工程专业实习指导书-钢铁冶金[M].北京：冶金工业出版社，2019.

[4]陳炜，冯捷，王强.转炉炼钢生产仿真实训[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[5]薛庆国，臧勇.北京科技大学“课程思政”案例选编[M].北京：冶金工业出版社，2020.

[6]习近平给北京科技大学老教授的回信[EB/OL].（2022-04-22）. http：// www.news.cn/politics/2022-04/22/c_1128584322.htm.