材料工程基礎(chǔ)省級(jí)精品課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

陳 杰，陸樹河，廉曉慶，王志華

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054)

0 引 言

材料工程基礎(chǔ)是材料類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，以注重加強(qiáng)材料工程基礎(chǔ)理論與培養(yǎng)工程實(shí)踐能力相結(jié)合為目標(biāo)，探討材料制造和加工過程中動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞、干燥和燃料燃燒的基礎(chǔ)理論課程，是材料學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的重要課程之一[1-3]。

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是材料工程基礎(chǔ)課程的重要組成部分，是學(xué)生理解理論教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的主要方式，是培養(yǎng)學(xué)生材料工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要途徑[4-5]。然而，教學(xué)中面臨幾點(diǎn)問題：①校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革與建設(shè)滯后，缺乏系統(tǒng)化與科學(xué)化，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足，學(xué)生無法將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)快速結(jié)合；②校外實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)落地難，工業(yè)現(xiàn)場走馬觀花，多以參觀為主，實(shí)際工程訓(xùn)練嚴(yán)重不足。

2015年起,在省級(jí)精品資源共享課程以及校級(jí)精品課程的資助下，開展了材料工程基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，構(gòu)建了材料工程基礎(chǔ)課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、傳熱傳質(zhì)仿真模擬實(shí)驗(yàn)、校內(nèi)材料合成中試實(shí)驗(yàn)、校外產(chǎn)學(xué)研共建實(shí)習(xí)基地的一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，為材料工程基礎(chǔ)省級(jí)精品課程建設(shè)以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)進(jìn)行了有益的研究與探索。

1 校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

1.1 專業(yè)實(shí)踐教學(xué)開放平臺(tái)

(1)實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)。材料工程基礎(chǔ)課程主要研究材料領(lǐng)域內(nèi)的各種材料及其制品加工的基礎(chǔ)共性規(guī)律，涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、干燥、燃料燃燒等5大部分，為了滿足學(xué)生對(duì)材料工程基礎(chǔ)理論的全面系統(tǒng)地掌握與理解，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，為學(xué)生進(jìn)一步的專業(yè)課學(xué)習(xí)與實(shí)踐打下良好、扎實(shí)的基礎(chǔ)，總結(jié)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，2010年在西北工業(yè)大學(xué)出版社出版了《無機(jī)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》教材，本書緊扣理論教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，系統(tǒng)地介紹了材料工程基礎(chǔ)領(lǐng)域相關(guān)的基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)，著重介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)研究方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，主要包括絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定、松散材料導(dǎo)熱系數(shù)測定、管道流體阻力的測定等設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，干燥動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合傳熱系數(shù)等綜合性實(shí)驗(yàn)等14個(gè)實(shí)驗(yàn)[6]。突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的邏輯性、設(shè)計(jì)性、實(shí)際應(yīng)用性。該教材被評(píng)為“第一屆全國煤炭高等教育優(yōu)秀教材”。

(2)開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系改革的重要內(nèi)容是開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。開放實(shí)驗(yàn)室對(duì)強(qiáng)化學(xué)生的基本技能和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、合作精神的協(xié)調(diào)發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神具有十分重要的意義[7-9]。在材料工程基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以陜西省礦物材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為基礎(chǔ)，為學(xué)生構(gòu)建了開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室所具備的實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備情況，在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)和使用方法有充分了解的前提下，給定學(xué)生不同種類的材料或器件，提出測試要求，學(xué)生則根據(jù)所學(xué)知識(shí)并查閱相關(guān)資料，制定出實(shí)驗(yàn)方案，在教師引導(dǎo)下進(jìn)行討論、修改和完善，最后由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析等全過程。例如，學(xué)生可根據(jù)材料工程基礎(chǔ)理論，自行設(shè)計(jì)材料導(dǎo)熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)并制作簡單的材料合成爐、自主選擇并購買保溫材料等，自主選擇時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)。通過以上方式，學(xué)生們加深了對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的理解，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)得到了提高。

1.2 傳熱傳質(zhì)仿真模擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

材料合成尤其是無機(jī)材料大多在1 000 ℃以上的高溫下制備，動(dòng)量傳遞、熱量傳遞以及質(zhì)量傳遞始終貫穿在材料的制備中，嚴(yán)重影響材料制備的質(zhì)量、效率、成本及環(huán)保。數(shù)值模擬是研究熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的重要手段[10-12]。培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握ANSYS、FLUENT等數(shù)值計(jì)算軟件的應(yīng)用很有必要。2016年建立了材料數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)室，利用現(xiàn)有商用軟件平臺(tái)，將大型數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS、FLUENT引入傳熱、傳質(zhì)教學(xué)。式(1)～(4)為學(xué)生通過傳熱分析，依據(jù)材料工程基礎(chǔ)理論與碳化硅合成條件建立的碳化硅合成爐的數(shù)學(xué)模型，圖1為幾何模型，圖2為學(xué)生對(duì)碳化硅合成爐中溫度場模擬結(jié)果。

(1)

初始條件：

T(x,y)|t=o=T環(huán)

(2)

外邊界條件：

(3)

內(nèi)邊界條件：

(4)

式中:w0為熱流密度，b和h為熱源的寬和高，T1，T2，…Tn為實(shí)驗(yàn)所測爐體表面各點(diǎn)溫度，T環(huán)為當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度。

圖1 碳化硅合成爐邊界條件

圖2 合成爐內(nèi)不同合成時(shí)間下的溫度場(℃)

通過開展材料計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但能夠掌握溫度場、濃度場、熱流密度、溫度梯度等基本概念和等溫線運(yùn)移情況，并且了解了建立傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)解決實(shí)際工程問題的重要價(jià)值與意義，對(duì)抽象、枯燥的數(shù)學(xué)傳輸方程有了新的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，取得了很好的教學(xué)效果，對(duì)今后解決工作中出現(xiàn)的復(fù)雜工程問題大有裨益。

1.3 中試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

以學(xué)校礦物加工工程和機(jī)械工程材料博士點(diǎn)、材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)為依托，以無機(jī)非金屬材料工程、金屬材料工程、高分子材料工程和化學(xué)工程與工藝專業(yè)等為基礎(chǔ)建設(shè)的陜西省硅鎂材料工程中心，是國內(nèi)首家以煤炭和礦物原料為主要資源進(jìn)行硅類材料、鎂類材料和復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)、孵化、中試及工業(yè)性實(shí)驗(yàn)的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)。以此為平臺(tái)，開展綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)的現(xiàn)場教學(xué)，取得了明顯成效。例如利用工程中心的碳化硅高溫中試爐進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到實(shí)際生產(chǎn)中的熱量傳遞、質(zhì)量傳遞現(xiàn)象，以及實(shí)際生產(chǎn)中如何強(qiáng)化有益?zhèn)鳠?、削弱有害傳熱的措施。解決了學(xué)生工程能力訓(xùn)練所需的校內(nèi)實(shí)踐平臺(tái)缺失，工程創(chuàng)新和工程應(yīng)用創(chuàng)業(yè)實(shí)踐場地、儀器設(shè)備嚴(yán)重不足的問題，為材料工程基礎(chǔ)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了優(yōu)質(zhì)資源。

2 校外實(shí)踐實(shí)習(xí)基地教學(xué)平臺(tái)

校外實(shí)踐實(shí)習(xí)教學(xué)基地是連接學(xué)校和社會(huì)的橋梁[13-15]。通過校外企業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)一步了解社會(huì)，認(rèn)識(shí)企業(yè)，將材料工程基礎(chǔ)課程中的工程基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)知識(shí)與工程實(shí)踐結(jié)合起來，并在實(shí)踐中將材料工程專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)踐技能。

然而，我國大部分企業(yè)現(xiàn)代化程度高、技術(shù)保密性強(qiáng)，場地以及環(huán)境要求嚴(yán)格，很難一次性長時(shí)間的大規(guī)模接待學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，影響了校外實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，不能滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。為此，以校企科研聯(lián)盟為切入點(diǎn)，以產(chǎn)學(xué)研合作為基礎(chǔ)，本著優(yōu)勢互補(bǔ)、資源共享、互惠互利、共同發(fā)展的原則，構(gòu)建集科技服務(wù)、實(shí)踐教學(xué)及人才培養(yǎng)為一體的產(chǎn)學(xué)研基地平臺(tái)，形成了校企雙方產(chǎn)學(xué)研合作的良好格局。目前我院已與陜西渭南新秦金屬鎂有限公司、陜西省有色金屬控股公司、南玻集團(tuán)、西安博爾新材料有限責(zé)任公司等單位建立了長期、緊密的校企合作關(guān)系，為材料工程基礎(chǔ)省級(jí)精品資源共享課程的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)提供了空間。

3 結(jié) 語

材料工程基礎(chǔ)精品課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，通過構(gòu)建材料工程基礎(chǔ)課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)開放平臺(tái)、傳熱傳質(zhì)仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、校內(nèi)材料合成中試實(shí)驗(yàn)、校外產(chǎn)學(xué)研共建實(shí)習(xí)基地的一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，大幅提高了學(xué)生對(duì)材料工程基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)知識(shí)的理解以及材料工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，取得了良好的成績，我院學(xué)生先后獲得第三屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國銅獎(jiǎng)，陜西省金獎(jiǎng)，教育部主辦的第一屆和第二屆全國高校無機(jī)非金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)競賽二、三等獎(jiǎng)。并獲得多項(xiàng)國家級(jí)和省級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。