應用型本科院校材料工程基礎(chǔ)教學改革探討

齊銘 王琛 王栓強 宋夢華 馬瑩

[摘 要] 材料工程基礎(chǔ)是材料類專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教學目的要讓學生掌握基本的專業(yè)知識，并能在此基礎(chǔ)上聯(lián)系生產(chǎn)實際，將所學的知識應用到實踐環(huán)節(jié)。作為一所新建應用型本科高校，考慮到學生的生源和教師教學經(jīng)驗等實際情況，本文在教學內(nèi)容，教學方法，實驗教學，教學考評體系等方面闡述了課程改革的思路，提出適用于我校實際情況的改革方案并進行探討。

[關(guān)鍵詞] 材料工程基礎(chǔ);應用型;教學改革;探討

[基金項目] 2018年西安航空學院校級質(zhì)量工程項目“《材料工程基礎(chǔ)》核心課程建設項目”（18ZLGC101）

[作者簡介] 齊 銘（1983—），男，遼寧沈陽人，博士，西安航空學院材料工程學院講師，研究方向為超導材料和粉末冶金;王 ?。?984—），女，山東德州人，博士，西安航空學院材料工程學院副教授，研究方向為材料制備與檢測。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0153-03? ? [收稿日期] 2019-08-30

材料科學基礎(chǔ)所要講授的內(nèi)容包括晶體學、擴散、凝固、固態(tài)相變等，是從事材料工作的基本要求。需要研究材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系以及相關(guān)的科學問題。材料工程基礎(chǔ)所要研究的是工程應用方面的問題，工程是指將自然科學的理論應用到具體工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中形成的各學科的總稱，是科學和數(shù)學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過各結(jié)構(gòu)、機器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程，是以最短的時間和最少的人力、物力做出高效、可靠且對人類有用的東西。因此材料制備工藝制度的實現(xiàn)，以及在制備工程中的傳熱，傳質(zhì)效率，節(jié)能減排等都是材料工程基礎(chǔ)所要解決的問題。前者偏重于理論，后者更傾向于在有了良好理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)如何搞科研的思想和方法，二者密不可分。

一、課程特點及現(xiàn)狀

材料工程基礎(chǔ)是高等學校材料科學與工程一級學科專業(yè)課程體系中一門重要的學科基礎(chǔ)課程?；靖拍罘彪s抽象，有的還涉及復雜的數(shù)學推演，在授課之前需要學生掌握并熟練應用高等數(shù)學，線性代數(shù)，材料科學基礎(chǔ)，大學物理，大學化學等基礎(chǔ)課的重要知識點。因此，在教學過程中要保證學生的學習積極性，防止學生因沒有掌握前序知識，而失去對本課程的學習興趣。

根據(jù)不同高校材料類專業(yè)的辦學特色，材料工程基礎(chǔ)的授課內(nèi)容也各有不同，如安徽理工大學[1]選用孫晉濤教授編寫的《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》作為教材側(cè)重無機非金屬材料的制備技術(shù)。上海理工大學[2]選用了周美玲教授主編的《材料工程基礎(chǔ)》，授課學時32學時，僅介紹金屬、陶瓷、高分子材料以及其復合材料的制備過程，湖南大學[3]選用謝希文教授的《材料工程基礎(chǔ)》和徐德龍院士的《材料工程基礎(chǔ)》作為輔導教材，授課課時為64學時，將授課內(nèi)容分為兩部分，既包括各種材料復雜的材料制備原理，也包括傳輸原理，授課內(nèi)容多，難度大。

二、西安航空學院教學現(xiàn)狀

西安航空學院2012年由西安航空高等專科學校升格為本科，2013年在機械相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)上獲批材料成型與控制工程專業(yè)，2014年獲批材料科學與工程專業(yè)，2016年14級的兩個材料類專業(yè)開設材料工程基礎(chǔ)課程，此后材料科學與工程專業(yè)取消該課程，材料成型與控制工程專業(yè)15-18級培養(yǎng)大綱中繼續(xù)開設該課程。根據(jù)我校目前辦學的實際情況，和將以金屬材料為主要特色的辦學規(guī)劃，我校的材料工程基礎(chǔ)課程制定了以介紹傳輸原理為主要授課內(nèi)容，授課課時為48學時的培養(yǎng)方案，涉及傳輸原理的教材除了材料工程基礎(chǔ)，還包括以介紹流體流動、流體輸送機械、沉降與過濾、傳熱、吸收、蒸餾、干燥為主的化工原理[4] （P1-10），以介紹冶金過程動量、熱量和質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?、基本原理和?guī)律為主的冶金傳輸原理[5]。

我們選用了徐德龍院士的《材料工程基礎(chǔ)》作為輔導教材，吳樹森教授的《材料加工冶金傳輸原理》為參考教材。作為一所以航空為特色的新建應用型本科高校，學校雖開有流體力學、傳熱學等介紹傳輸原理的相關(guān)課程，但是與材料專業(yè)所要求掌握的側(cè)重點不同，也就沒有適合材料專業(yè)的課程經(jīng)驗的積累，如何找到適合本校生源情況和教學情況的教學方法，使學生理解并掌握材料的工程問題，一切都要從頭摸索。

三、西安航空學院改進措施

根據(jù)我校的生源和教師教學經(jīng)驗等實際情況，在授課過程中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗，彌補教學經(jīng)驗的欠缺，提高學生的學習興趣和對知識點的接受能力，在教學內(nèi)容，教學方法，實驗教學，教學考評體系等方面提出了適合我校材料專業(yè)材料工程基礎(chǔ)教學的改革措施。

（一）教學內(nèi)容的改革

教學內(nèi)容的改革以工程研究方法為核心內(nèi)容。一是明確課程在專業(yè)中的地位，高屋建瓴地把握課程的知識脈絡;注重與前繼課程等相關(guān)課程的銜接，幫助學生理清學習思路，使學生達到較好的學習效果。二是在提高學生抽象、嚴密的邏輯推理的同時，注意與材料生產(chǎn)過程中實際案例的結(jié)合，將生產(chǎn)實際和生活中的實例引入到教學中，培養(yǎng)學生解決問題的能力。如飛機的氣動模型設計思路，熱處理中淬火劑的選取，散熱裝置的設計等。三是對知識單元做較科學的遴選，選取適合我校生源實際情況的知識點進行講授，對于數(shù)學推導難度大，影響因素多、不易理解的知識點進行簡化或不講授，如多元、非穩(wěn)態(tài)的傳輸過程。利用生活中常見的相關(guān)案例解釋理論知識，結(jié)合生產(chǎn)，生活現(xiàn)象，力求使各知識點通俗易懂。

在流體力學的學習中，包含大量的公式和定理。計算分析流體運動的過程所包括的知識面廣，知識點間有緊密的聯(lián)系，內(nèi)容枯燥難懂。授課內(nèi)容以歐拉法為研究方法，流體質(zhì)點為研究對象，通過對微元體的分析，建立描述流體運動的方程（連續(xù)方程和運動方程），從靜止流體到運動流體，從理想流體的運動到實際流體運動進行對比討論。教學過程中不僅需要注重基本概念的講解，而且特別關(guān)注方程的物理意義及其應用。對于復雜的公式推導要求學生理解思路，能自行建模并帶入相應物理定律，能用數(shù)學表達式列出方程。為了解材料工程中動量、能量和質(zhì)量傳遞規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

通過傳熱學基礎(chǔ)的教學使學生掌握傳熱現(xiàn)象的基本概念、基本規(guī)律，了解實際工程中影響傳熱效果的主要因素以及有關(guān)物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過建立熱阻的概念，采用傳熱網(wǎng)絡分析方法進行傳熱問題的分析討論。教學過程中，結(jié)合實際生活和典型的工程應用中換熱問題，加深對傳熱基本規(guī)律的理解和應用。類比傳熱過程與動量傳遞的關(guān)系，學生能分析傳熱過程中涉及的各項傳遞機理，能用數(shù)學表達式列出方程。為解決實際工程中傳熱問題提供良好的理論基礎(chǔ)。

質(zhì)量傳遞的教學使學生了解傳導傳質(zhì)、對流傳質(zhì)中分子擴散規(guī)律。在教學過程把這部分內(nèi)容與動量傳遞、熱量傳遞的內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)，利用學過的知識自行推導相應的傳遞方程，使學生了解三種傳遞過程的相似性及其應用方法。

（二）教學方法的改革

采用多層次的立體教學模式，緊密與現(xiàn)代化的教學手段相結(jié)合，在課堂教學過程中，將板書、多媒體、雨課堂相結(jié)合。成立了五人的教學團隊，根據(jù)每名教師的學術(shù)背景和授課經(jīng)驗進行分工，分別承擔流體力學，傳熱學和傳質(zhì)學三個方向的授課任務，開展材料工程基礎(chǔ)課堂教學改革實踐與探索。通過通識教育和信息技術(shù)的結(jié)合幫助學生理解和掌握該課程所要求的知識點。

1.課堂教學

課堂教學實施教書與育人相結(jié)合的方式，課堂形式靈活，講授中主要以啟發(fā)引導為主，輔助課堂討論和專題報告，幫助學生更好地理解。通過板書的展示，強調(diào)重要的知識點，理清知識脈絡，幫助學生理解物理模型的建立和方程的推導過程。

2.多媒體教學手段

多媒體課件中展示教學內(nèi)容和與知識點相關(guān)的生產(chǎn)生活實例。教師可以用多媒體進行講解并演示動態(tài)傳輸過程。

3.網(wǎng)絡教學手段

本課程的教學大綱、課件等在雨課堂的App上發(fā)布，學生可在課堂上下載，課后也可以了解各章節(jié)主要知識，復習鞏固所學知識，學生隨堂作業(yè)也通過App當堂提交給老師。

4.課后練習手段

每章學完了基本理論后，所有需要掌握的知識點都給出一定量的課后習題作為練習，加深同學對課程內(nèi)容的理解和掌握。

5.完善課程設計，畢業(yè)設計的實施過程

鼓勵學生在課程結(jié)束后利用學校已有的設備條件和項目資金，設計、改進傳輸實驗裝置。

（三）實驗教學

目前我們開設的材料工程基礎(chǔ)課中包括三種傳輸過程，但缺少相應的實驗教具。圍繞工科院校學生工程實踐能力培養(yǎng)的目標、指導學生通過設計相關(guān)的實驗裝置，為材料工程基礎(chǔ)的教學提供簡單可行的實驗教學裝置，將理論知識運用到實踐中，相關(guān)的實驗演示可以激發(fā)學習興趣，促進對傳遞相關(guān)原理和公式的理解和記憶，將課堂中的理論知識應用到解決實際生產(chǎn)或生活中可能遇到的問題。學生在學習理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合學校，學院可以提供的場地，設施等條件，親自設計，制造，應用，改進教學裝置。鼓勵學生積極參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯等一系列創(chuàng)新訓練實驗項目。推進基于成果導向教育（outcome-based education）的工科學生工程實踐能力培養(yǎng)，指導教學改革實踐。

（四）建立新的教學考評體系

我們在考核過程中，以OBE為導向，以工程認證為標準，轉(zhuǎn)變教學評價觀，將評價考核由知識點考察轉(zhuǎn)變?yōu)樗刭|(zhì)和能力考察。改革考試形式，引導學生理論聯(lián)系實際，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和系統(tǒng)設計能力。課程的成績由課堂討論成績（10分）+作業(yè)成績（10分）+論文成績（20分）+課程理論考試成績（60分）構(gòu)成（理論考試成績由開卷考試20分和閉卷40分組成，其中對于需要選用復雜計算公式的應用題目進行開卷考試，由學生自行分析選取適用的公式，基本概念類的知識點進行閉卷考試，采用流水閱卷形式核算得分）。

四、改革成效

動量、能量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象是我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象。我們在授課過程中密切結(jié)合學生所熟悉的生活和生產(chǎn)的實際，認識和研究傳輸現(xiàn)象的主要特征和基本規(guī)律，從而使認識得到升華，使理解更加透徹。鼓勵學生將所學的傳輸理論轉(zhuǎn)化為實際應用。學生申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，設計并組裝流體流動阻力系數(shù)測試裝置，通過調(diào)試改進，已經(jīng)應用到流體力學的實驗教學中。根據(jù)學過的傳熱學知識，學生申報畢業(yè)設計題目《實驗室用小型真空退火爐設計》，其中真空退火爐中保溫系統(tǒng)的設計應用到傳熱學中的輻射，對流，傳導傳熱知識點，如圖1，2所示。

四、結(jié)束語

我校是省屬應用型院校，培養(yǎng)學生具有良好的科學素養(yǎng)和文化修養(yǎng)，接受從事研究與應用的基本訓練，受到良好的科學思維和科學實驗的基本訓練，系統(tǒng)地、較好地掌握材料科學與工程專業(yè)的基本理論、基本知識和基本技能與方法。初步了解學科當前的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，為未來在材料科學領(lǐng)域，從事一般研究、應用與開發(fā)或深造提供一個開展工作的堅實的專業(yè)知識基礎(chǔ)是我們的人才培養(yǎng)目標。

通過對我校三屆學生的授課改革實踐，該課程在講授過程中盡量減少理論推導過程和數(shù)學、物理等基礎(chǔ)學科的應用。在教學中要高度重視學生觀察事物現(xiàn)象、分析現(xiàn)象本質(zhì)及其各影響因素之間的相互關(guān)系，抓住主要矛盾并簡化定解問題，靈活運用解析解、相似法、類比法等分析和處理問題的思路和能力的培養(yǎng)。計劃在2年內(nèi)做好材料工程基礎(chǔ)教學講義的編制，以及課程設計書、配套的習題解，做好教材的立體化開發(fā)。在講義的基礎(chǔ)上編撰適合本校學生的教材。

參考文獻

[1]胡標，徐子芳.材料工程基礎(chǔ)課程理論與實踐教學探討[J].教育教學論壇，2015（52）：171-172.

[2]何代華，劉新寬，李偉.“材料工程基礎(chǔ)”課程教學改革探討[J].上海理工大學學報（社會科學版），2017（4）：388-391.

[3]楊建校，肖漢寧，陳石林，等.《材料工程基礎(chǔ)》課程教學的思考[J].教育教學論壇，2019（21）：209-211.

[4]王志魁.化工原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2018.

[5]張先棹.冶金傳輸原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.