《粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)》教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生工程思維能力的培養(yǎng)

吉曉莉

摘要：《粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)》課是我校無機(jī)非金屬材料專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有與工程實(shí)際緊密結(jié)合的特點(diǎn)。本文根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的特點(diǎn)，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生科技競(jìng)賽等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程思維能力的培養(yǎng)和工程方法的訓(xùn)練，理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)；教學(xué)；工程思維能力

中圖分類號(hào)：G642.4 ？搖文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）03-0071-02

《粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)》是我院無機(jī)非金屬材料專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要從理論上論述粉體在幾何特征、堆積、物理、界面化學(xué)、機(jī)械力化學(xué)、粉體力學(xué)、流體力學(xué)、流態(tài)化等方面的性質(zhì)和變化規(guī)律。其教學(xué)目的是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握粉體材料的基本性質(zhì)、制備理論及操作過程等的理論知識(shí)，從而能根據(jù)材料的性能要求，從粉體科學(xué)的角度，對(duì)粉狀原材料的顆粒幾何特征和表面物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行正確的表征和合理的設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)粉體制備與處理工藝及裝備技術(shù)奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生能從粉體過程工程的層面，掌握正確、合理地運(yùn)用粉體材料制備工藝和裝備技術(shù)的技能，從而培養(yǎng)他們進(jìn)行材料設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)和制備的能力。由于課程改革，本課程的學(xué)時(shí)數(shù)已減少為32學(xué)時(shí)，而教學(xué)大綱所要求的知識(shí)點(diǎn)卻沒有減少，因此，如何在少的學(xué)時(shí)數(shù)中使學(xué)生能夠系統(tǒng)掌握本門課的知識(shí)成為教師在教學(xué)中所面臨的問題。同時(shí)，本課程在三年級(jí)下學(xué)期或四年級(jí)上學(xué)期開設(shè)，這時(shí)的學(xué)生已進(jìn)入專業(yè)課的學(xué)習(xí)，并且即將面臨畢業(yè)論文寫作，如何能將本課程的知識(shí)與學(xué)生的專業(yè)課結(jié)合起來，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力和工程方法的訓(xùn)練，也是我們?cè)诮虒W(xué)中要著重關(guān)注的問題。為此我們通過《粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)》各環(huán)節(jié)的教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

一、理論教學(xué)中培養(yǎng)工程思維能力

《粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)》作為《粉體科學(xué)與工程》的基礎(chǔ)篇，其課程內(nèi)容與材料、冶金、化學(xué)工程、礦業(yè)、建筑、食品、醫(yī)藥、能源、電子及環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域都有極大的關(guān)系，是一門跨學(xué)科、跨行業(yè)的綜合性極強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科。本課程作為大三和大四學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，在課程講解中，注重理論結(jié)合實(shí)際，將課堂知識(shí)與實(shí)際的工程例子結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，使他們成為學(xué)習(xí)的主體。

1.課堂教學(xué)注重理論聯(lián)系實(shí)際。為提高課堂教學(xué)質(zhì)量，教師上課之前認(rèn)真?zhèn)湔n，熟悉課程內(nèi)容，精通所教課程的專業(yè)知識(shí)，在課堂上向?qū)W生講清楚各章節(jié)的基本原理及其在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用，并通過相關(guān)的習(xí)題訓(xùn)練使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，同時(shí)，教師也要不斷地把與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿知識(shí)和學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)提供給學(xué)生。在課堂教學(xué)中，盡量結(jié)合學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，選擇一些與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密的工程問題進(jìn)行引導(dǎo)、分析、討論和歸納總結(jié)。例如，在顆粒流體力學(xué)章節(jié)的教學(xué)中，先以北方常見的沙塵暴的形成和傳輸為例，如果風(fēng)持續(xù)的時(shí)間很長，形成懸移的浮塵能夠被輸送到很遠(yuǎn)的地方，所經(jīng)過的地區(qū)就會(huì)出現(xiàn)沙塵暴；當(dāng)風(fēng)速減弱到一定程度后，浮塵就會(huì)降落，該地就會(huì)出現(xiàn)降塵天氣，說明顆粒的粒度、流體（空氣）的速度是影響顆粒沉降的主要因素。再以顆粒在流體中的兩種沉降方式：重力沉降和離心沉降為例，舉例選礦生產(chǎn)中常用的重力選礦機(jī)和水泥生產(chǎn)中的離心選粉機(jī)，通過講述設(shè)備的工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生理解顆粒在流體中的兩種運(yùn)動(dòng)方式，引導(dǎo)學(xué)生如何在生產(chǎn)實(shí)際中根據(jù)顆粒的大小選用適宜的設(shè)備。例如，《顆粒堆積》一章是本課程的基礎(chǔ)篇，涉及顆粒的大小和分布的計(jì)算、等徑球形顆粒的堆積結(jié)構(gòu)，教師詳細(xì)講解應(yīng)用較多的經(jīng)典顆粒尺寸分布和堆積理論，讓學(xué)生明白堆積顆粒系統(tǒng)中的顆粒尺寸分布在許多產(chǎn)品的生產(chǎn)中起著重要作用，它不僅影響著最終產(chǎn)品的性質(zhì)，如氣孔率、密度、強(qiáng)度等，而且許多工藝性質(zhì)也取決于顆粒尺寸分布，如泥漿粘度、注漿速度、干燥速度等等。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)舉例講述水泥顆粒分布對(duì)水泥性能和混凝土施工性能的影響；陶瓷工業(yè)中密實(shí)陶瓷與多孔陶瓷的制備與顆粒堆積與分布的影響，并布置學(xué)生課外通過學(xué)校的圖書館資源以及其他網(wǎng)絡(luò)上的電子資源去查詢“利用顆粒大小和分布制備多孔陶瓷的方法”“陶瓷注漿成型中顆粒大小與分布對(duì)成型密度的影響”，用PPT的形式進(jìn)行課堂交流。這種交流拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，另外通過學(xué)生自己查閱科研文獻(xiàn)也激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，強(qiáng)化對(duì)工程觀念的檢驗(yàn)和應(yīng)用，同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“粉體科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程的興趣，有利于工程觀念的建立和提升。

2.課堂教學(xué)注重工程方法訓(xùn)練。工程實(shí)際問題多數(shù)因?yàn)橛绊懸蛩乇姸喽兊孟喈?dāng)復(fù)雜，依據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論還難以弄清問題的本質(zhì)，在目前的階段還做不到用嚴(yán)密的理論思維方式去解決，只能用工程近似的辦法來解決工程具體問題。工業(yè)上處理工程問題的常用方法有數(shù)學(xué)分析法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)學(xué)模型法等。教學(xué)中根據(jù)課程內(nèi)容將這些工程方法教授給學(xué)生，以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。例如以流體在顆粒固定床層中的透過流動(dòng)時(shí)壓降的計(jì)算為例，對(duì)于有無數(shù)個(gè)顆粒構(gòu)成的固定床而言，顆粒間的空隙形成許多可供流體通過的細(xì)小通道，這些細(xì)小通道是曲折而又相互交錯(cuò)、大小和形狀也很不規(guī)則，流體通過如此復(fù)雜的通道時(shí)的壓降自然很難直接用數(shù)學(xué)分析的方法求出。這時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生借用數(shù)學(xué)模型法來解決。即，將床層中復(fù)雜的不規(guī)則的通道簡化成一組管徑為de、長度為Le的平行細(xì)管，細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面積、細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙容積，將顆粒層內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)過程大幅度簡化，按這種簡化后的模型，流體通過固定床的壓降等同于流體通過一組當(dāng)量直徑為de、長度為Le的細(xì)管的壓降。簡化后的模型根據(jù)圓管中流體定態(tài)層流流動(dòng)時(shí)的沿程阻力損失計(jì)算公式，引入固定床流動(dòng)摩擦系數(shù)λ′為模型參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)來確定模型參數(shù)和檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的有效性。最后采用康采尼或歐根公式計(jì)算床層壓降，[1]就把一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際工程問題簡化為一個(gè)簡單的流體流動(dòng)問題。學(xué)生在其中經(jīng)歷了提出問題、分析問題、解決問題的過程，既加深了對(duì)公式的理解和認(rèn)識(shí)，又掌握了一種實(shí)用的工程問題解決方法。endprint

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)化工程思維能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際環(huán)節(jié)，針對(duì)課程的內(nèi)容而進(jìn)行的驗(yàn)證、理解、鞏固和提高的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、流程組織、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、歸納總結(jié)等實(shí)驗(yàn)?zāi)芰??！胺垠w力學(xué)”是本門課的重點(diǎn)，粉體的流動(dòng)性是粉體力學(xué)性質(zhì)的最重要的表征。教師首先在教學(xué)中詳細(xì)講解粉體流動(dòng)性的內(nèi)涵以及各種測(cè)試方法，然后聯(lián)系工程實(shí)際舉例說明粉體的流動(dòng)性在粉體工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。比如，在粉末冶金、食品、制藥、鋼鐵和農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)過程中，廣泛涉及到顆粒物質(zhì)流動(dòng)，如工業(yè)上常見的筒倉卸料、傳輸、混合、流態(tài)化和固氣分離等，把握粉體材料的流動(dòng)特性，對(duì)于防止發(fā)生粉料堵塞、控制粉體內(nèi)顆粒成分的均勻性和一致性都具有至關(guān)重要的意義。水泥廠中許多操作過程都會(huì)涉及到粉體的重力流動(dòng)?！胺垠w力學(xué)”實(shí)驗(yàn)中設(shè)立了粉體流動(dòng)性綜合實(shí)驗(yàn)（Carr指數(shù)法）和粉體剪切實(shí)驗(yàn)（直剪實(shí)驗(yàn)）。兩組實(shí)驗(yàn)分別分成六組，每組兩人，每組的粉體種類不同、粒徑相同，或種類相同、粒徑不同，要求學(xué)生按規(guī)定測(cè)試步驟完成實(shí)驗(yàn)后，比較各組的測(cè)試計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出影響粉體流動(dòng)性的因素。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)自我總結(jié)出粉體流動(dòng)性與粒子的形狀、大小、表面狀態(tài)、密度、空隙率等因素關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生比較Carr指數(shù)法和直剪實(shí)驗(yàn)兩者的實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同，分析兩者用于工程實(shí)際時(shí)的使用范圍及不足之處，并提出改進(jìn)意見。通過學(xué)生主動(dòng)思考，可以將工程思維在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)得到強(qiáng)化和深化，變?yōu)閷W(xué)生自覺主動(dòng)的習(xí)慣。

三、結(jié)合學(xué)院科技競(jìng)賽，應(yīng)用工程思維能力

我院從2010年起每年組織“材料性能設(shè)計(jì)與制備”大學(xué)生科技競(jìng)賽活動(dòng)，全院大二到大四的本科生自由組合參加，競(jìng)賽旨在加強(qiáng)學(xué)生在材料性能設(shè)計(jì)與制備方面的綜合知識(shí)，提高學(xué)生分析問題，方案設(shè)計(jì)及動(dòng)手實(shí)踐能力，開拓創(chuàng)新。教師在上課時(shí)積極鼓勵(lì)學(xué)生參加競(jìng)賽活動(dòng)，并擔(dān)任競(jìng)賽指導(dǎo)老師。這兩屆的競(jìng)賽活動(dòng)圍繞“輕質(zhì)高強(qiáng)”材料制備，根據(jù)任課教師的研究方向，選定以多孔陶瓷為目標(biāo)。首先由老師講解，要求學(xué)生以所學(xué)的“顆粒堆積”理論為指導(dǎo)，通過查閱文獻(xiàn)資料，學(xué)生確定了有代表性的三種制備方法：顆粒堆積成孔工藝法、添加劑造孔工藝法，發(fā)泡工藝法。學(xué)生綜合運(yùn)用各方面知識(shí)，全面考慮材料多方性能，綜合比較幾種方法后自主設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，并經(jīng)指導(dǎo)教師修改認(rèn)可后進(jìn)入導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行原料準(zhǔn)備、球磨混料、成型、燒結(jié)、測(cè)試等工藝，在實(shí)驗(yàn)中不斷修改和完善實(shí)驗(yàn)方案，最終完成制備。學(xué)生對(duì)這種競(jìng)賽活動(dòng)非常積極，因?yàn)楸荣愡^程中，不僅要求同學(xué)們有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要應(yīng)用工程思維能力，勇于實(shí)踐探索，將理論基礎(chǔ)和動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，同時(shí)也使學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)增強(qiáng)。這種綜合運(yùn)用所學(xué)學(xué)科知識(shí)、自我設(shè)計(jì)創(chuàng)新科研性、自我制備的方式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性、獨(dú)立科研工作能力具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：162-163.endprint