無機非金屬材料專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練的改革與實踐

何峰 謝峻林 文進 姜洪舟 楊虎

[摘 要]“工程設(shè)計訓(xùn)練”是無機非金屬材料工程專業(yè)方向的實訓(xùn)課程。課程旨在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，及參與工程設(shè)計的能力。針對不同材料制備過程中的熱工設(shè)備及相應(yīng)工藝條件，進行熱工設(shè)備的設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)圖繪制。通過本課程設(shè)計，初步掌握材料生產(chǎn)過程中熱工設(shè)備設(shè)計的基本方法和步驟，對學(xué)生進行基本工程設(shè)計能力和工程表達能力的訓(xùn)練，提高學(xué)生的綜合工程設(shè)計素養(yǎng)。通過在設(shè)計過程中對經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全等因素的綜合考慮，對企業(yè)和行業(yè)相關(guān)方針政策的了解，培養(yǎng)學(xué)生工程意識。

[關(guān)鍵詞]無機非金屬材料工程;工程設(shè)計;改革與實踐

[基金項目]2018年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“新工科背景下材料類專業(yè)BIM人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（201802039001）

[作者簡介]何 峰（1965—），男，重慶人，博士，無機非金屬材料工程系主任，武漢理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無機非金屬材料的研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-04[收稿日期] 2020-05-14

一、無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練課程開設(shè)的意義

我國經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)進入新常態(tài)，與之相對應(yīng)提出了“中國制造2025”[1]。隨著“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”基本方針的深化，到2025年我國制造業(yè)將邁入制造強國行列[2]。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。若沒有強大的制造業(yè)，則就沒有國家和民族的強盛。材料行業(yè)作為制造業(yè)中的基礎(chǔ)行業(yè)之一，也將在“中國制造2025”的行動中得以迅猛而健康的發(fā)展。在此過程中，對工程素養(yǎng)高的工程技術(shù)人的需求也將大幅度增長，培養(yǎng)符合“中國制造2025”需要的后備人才已勢在必行。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。無機非金屬材料品種繁多、用途各異，在國民經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用[3]。

由于無機非金屬材料工業(yè)所用原料的穩(wěn)定性和耐高溫性，要使它們相互反應(yīng)而生成新的高度穩(wěn)定的物質(zhì)或使其形成熔融體，必須要在較高的溫度下進行（一般都在1200℃以上），因此，大部分無機非金屬材料生產(chǎn)都有加熱過程，而且是整個生產(chǎn)的核心過程，一般都在用耐火材料砌筑的窯爐中進行。盡管不同產(chǎn)品的加熱方式和目的有所不同。但是，加熱過程中所遵循的基本原理卻是相同的（例如，熱的傳遞;氣體的流動;物質(zhì)的傳遞;熔體、氣體對爐體的侵蝕;氣氛的影響等）。在此過程中，加熱所需的熱量通常來自燃料的燃燒。因此，燃料的品種和質(zhì)量、燃燒的條件等，直接影響到溫度及其均勻性，以及燃料的消耗量。能否合理地組織燃料燃燒過程，是決定產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和成本的主要因素。此外，燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣和煙塵，將對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，也應(yīng)給予充分的重視。由此可見，在此過程中屬于無機非金屬材料制備過程中的復(fù)雜工程問題。

材料科學(xué)與工程及其相關(guān)專業(yè)與工程實際結(jié)合密切，要求其所培養(yǎng)的學(xué)生具有較強的工程實踐能力，最終要為解決生產(chǎn)實際中的工程問題服務(wù)。在先期修完“工程圖學(xué)”“材料工程基礎(chǔ)”“熱工設(shè)備”“無機非金屬材料工學(xué)”等課程的基礎(chǔ)上，圍繞“解決復(fù)雜工程問題”這一畢業(yè)要求，組織工程設(shè)計訓(xùn)練的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練”，將理論知識與解決實際工程問題相結(jié)合，以設(shè)計型問題為引領(lǐng)，剖析典型無機非金屬材料生產(chǎn)過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設(shè)計，體會開發(fā)設(shè)計的思路與過程。開設(shè)“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練”，對學(xué)生進行相關(guān)工程訓(xùn)練，提高工程素養(yǎng)與解決復(fù)雜工程問題的能力，其意義不言而喻。

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練，很好地將理論知識與過程實際相結(jié)合，為學(xué)生提供了一個將理論應(yīng)用于實踐的學(xué)習(xí)平臺。通過學(xué)生的系統(tǒng)訓(xùn)練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)與解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練教學(xué)基本目標(biāo)

“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練”，通過具體的設(shè)計選題，學(xué)生可以進行模仿練習(xí)，從中學(xué)習(xí)他人解決工程實際問題的思路和方法。學(xué)生經(jīng)過一定時間的訓(xùn)練，其工程素養(yǎng)會顯著提高。

本課程的具體教學(xué)目標(biāo)如下：（1）學(xué)會材料生產(chǎn)中熱工設(shè)備的設(shè)計程序和計算方法，了解改善熱工設(shè)備及熱工過程操作條件的基本方法;學(xué)會系統(tǒng)和全面思考工程問題的方法，具備綜合運用知識分析解決復(fù)雜問題的基本能力。（2）根據(jù)“工程設(shè)計任務(wù)書”的要求，能夠進行熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、燃燒計算和熱平衡計算，繪制所設(shè)計設(shè)備（熱工單元）的三視圖;掌握一定工程表達能力和基本工程設(shè)計能力，具備參與工程設(shè)計的初步能力。（3）能夠在設(shè)計過程中考慮局部參數(shù)對整體設(shè)計的影響，并考慮相關(guān)經(jīng)濟、環(huán)境和安全等因素;提高綜合分析和解決問題的能力，培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力;了解初步的工程設(shè)計過程，掌握初步的工程設(shè)計方法。

三、無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練的前期知識與技能要求

無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練，屬于重要的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，過程復(fù)雜、難度大、環(huán)節(jié)多，在課程前期需要掌握較為全面的專業(yè)理論知識與相關(guān)制度技能。本專業(yè)的學(xué)生需要在先期修完“工程圖學(xué)”“材料工程基礎(chǔ)”“熱工設(shè)備”“無機非金屬材料工學(xué)”等課程，在初步掌握相關(guān)工程設(shè)計軟件（Auto CAD，BIM）的基礎(chǔ)上，進行工程設(shè)計訓(xùn)練。

“工程圖學(xué)”課程，是研究工程與產(chǎn)品信息表達、交流與傳遞的學(xué)科?！肮こ虉D樣”是工程與產(chǎn)品信息的載體，是工程界表達、交流技術(shù)思想的語言。在工程設(shè)計中，“工程圖樣”作為構(gòu)思、設(shè)計與制造中工程與產(chǎn)品信息的定義、表達和傳遞的主要媒介[4]。

“材料工程基礎(chǔ)”課程，是無機非金屬材料工程專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程。圍繞材料生產(chǎn)過程主要涉及的工程理論，通過各個教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握材料工程的基本概念、基本理論和基本計算技能。通過學(xué)習(xí)本課程和進行相關(guān)內(nèi)容的工程設(shè)計訓(xùn)練，能夠掌握材料生產(chǎn)過程中相關(guān)的工程理論基本知識，從而具備一定的工程研究能力。本課程的教學(xué)，在傳授知識的同時，逐步培養(yǎng)學(xué)生具有思維能力、自學(xué)能力、獨立分析問題和解決問題的能力和綜合運用所學(xué)知識去分析和解決復(fù)雜問題的能力[5]。

“熱工設(shè)備”課程，是為無機非金屬材料領(lǐng)域內(nèi)的熱工設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)操作，科研活動而服務(wù)的，其最大特點在于理論聯(lián)系實際，所以其涉及的知識面較為寬廣。本課程也緊跟“節(jié)能減排”的時代要求，而且能夠?qū)⒗碚撝R與科技進步相結(jié)合、書本知識與生產(chǎn)實踐相結(jié)合來組織相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

“無機非金屬材料工學(xué)”課程，是“無機非金屬材料工程專業(yè)”及“材料科學(xué)與工程專業(yè)”的主干課程。它包括水泥、玻璃、陶瓷、氣硬性膠凝材料、混凝土、耐火材料、人工晶體等無機非金屬材料。本課程著重介紹無機非金屬材料生產(chǎn)和制造過程中的共性規(guī)律，以單元操作為特色而全面系統(tǒng)地介紹有關(guān)無機非金屬材料產(chǎn)品的組成、生產(chǎn)工藝原理、生產(chǎn)裝備的結(jié)構(gòu)與性能和應(yīng)用，以及無機非金屬材料工業(yè)的環(huán)境污染防治[6]。

以上課程中的相關(guān)基礎(chǔ)理論、工藝原理、技術(shù)方法等內(nèi)容，都會對“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練”課程起到知識點的支撐作用。

四、與工程設(shè)計訓(xùn)練相關(guān)的教學(xué)改革

（一）與工程設(shè)計訓(xùn)練相關(guān)的理論教學(xué)改革

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練與工程實際密切相關(guān)，最終要為解決生產(chǎn)實際中的工程問題服務(wù)。在理論教學(xué)中，教師系統(tǒng)地講授了書本知識與相關(guān)知識點，如何將理論知識更加有效地與生產(chǎn)實際相聯(lián)系，則需要學(xué)生利用工程設(shè)計訓(xùn)練將掌握材料熱工工程的基本原理與典型無機非金屬材料生產(chǎn)過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設(shè)計相結(jié)合，體會開發(fā)設(shè)計的思路與過程。

從以往我校的無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練情況看，學(xué)生在面對典型無機非金屬材料生產(chǎn)過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設(shè)計等實際工程問題時，仍然存在無從下手，理論知識應(yīng)用能力較差等問題。就工程設(shè)計訓(xùn)練實操過程而言，學(xué)生普遍感到所學(xué)的理論抽象，工程問題較多，如何將抽象的理論具體化、圖形化，實現(xiàn)理論與工程問題相結(jié)合是教學(xué)實踐的重點，意義重大。另外，不少學(xué)生認(rèn)為無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練是大學(xué)中最難學(xué)習(xí)的實踐實訓(xùn)課程之一，形容完成這一過程是在“煎熬”中度過的。為此，我們開展了圍繞“解決工程問題”組織理論教學(xué)的方法。教學(xué)中講清基本概念、基本理論后，重點介紹理論知識在解決實際工程問題中的應(yīng)用，突出工程設(shè)計意識和方法的訓(xùn)練，以設(shè)計型問題為引領(lǐng)，剖析典型無機非金屬材料生產(chǎn)過程中工業(yè)熱工單元的開發(fā)設(shè)計思路。

另外，在相關(guān)的教學(xué)過程中，盡可能多地增加工程問題、工程設(shè)計案例分析。通過具體案例講解、查閱相關(guān)文獻資料，學(xué)習(xí)他人解決復(fù)雜工程問題的思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點。

（二）充實工程設(shè)計訓(xùn)練指導(dǎo)教師隊伍

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練與工程實際密切相關(guān)，對參與指導(dǎo)的教師要求越來越高。首先，要求參與工程設(shè)計訓(xùn)練的老師自身具有工程經(jīng)歷與素養(yǎng)，參與過實際的工程設(shè)計，對工程設(shè)計的過程熟悉。其次，對本專業(yè)學(xué)生在工程設(shè)計中容易出現(xiàn)的問題非常了解。再次，指導(dǎo)教師熟悉與無機非金屬材料相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)，了解企業(yè)質(zhì)量管理體系，并將以上內(nèi)容自覺、有效地落實到工程設(shè)計訓(xùn)練的教學(xué)活動中。

專業(yè)在充實工程設(shè)計訓(xùn)練指導(dǎo)教師隊伍方面主要開展了兩個方面的工作，一是，形成無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練課程團隊，形成具有老、中、青相結(jié)合的師資隊伍。有能力、資格工程設(shè)計訓(xùn)練與開設(shè)班級數(shù)量的比例為1.6∶1。二是，通過采取外聘相關(guān)行業(yè)設(shè)計院的工程技術(shù)人員來校參與指導(dǎo)本專業(yè)學(xué)生的工程設(shè)計訓(xùn)練。三是，委派青年指導(dǎo)教師去相關(guān)行業(yè)設(shè)計院參與相關(guān)工程設(shè)計，以提升其工程經(jīng)歷與素養(yǎng)。通過相關(guān)實踐取得了較好的效果。

（三）保持專業(yè)與課程特色，注重工程設(shè)計訓(xùn)練過程質(zhì)量把控

我校的特色，在于針對不同無機非金屬材料生產(chǎn)過程中的熱工設(shè)備及相應(yīng)工藝條件，進行典型熱工設(shè)備的設(shè)計、計算與結(jié)構(gòu)圖繪制。通過本課程的設(shè)計訓(xùn)練，初步掌握無機非金屬材料生產(chǎn)過程中熱工設(shè)備設(shè)計的基本方法和步驟，對學(xué)生進行基本工程設(shè)計能力、工程表達能力和現(xiàn)代繪圖軟件使用的訓(xùn)練，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，具備參與工程設(shè)計的能力。通過在設(shè)計過程中對技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全等因素的綜合考慮，以及對行業(yè)和企業(yè)中的相關(guān)政策法規(guī)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和素養(yǎng)。

針對材料的不同產(chǎn)品對象而確定不同的工藝條件，確定設(shè)計的具體選題，做到一人一題。在設(shè)計過程中，注重引導(dǎo)學(xué)生綜合運用課程理論教學(xué)中的理論知識和相關(guān)工藝知識，培養(yǎng)學(xué)生的自主能力、創(chuàng)新意識和解決復(fù)雜工程問題的能力。

對于工程設(shè)計訓(xùn)練過程的質(zhì)量把控比其結(jié)果把控更加現(xiàn)實、有效。只有當(dāng)工程設(shè)計訓(xùn)練過程中的各階段的質(zhì)量做到被控制后，學(xué)生才會對工程設(shè)計訓(xùn)練有所體會，對工程設(shè)計能力、工程表達方法有切身體會與掌握。在我校無機非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計訓(xùn)練的過程中，通過多年的探索，我們發(fā)現(xiàn)將工程設(shè)計訓(xùn)練過程順序，有機切分成四個可以考核的階段是非常有效的，只有當(dāng)前一個訓(xùn)練內(nèi)容完成并達到基本要求時才能夠進入下一個階段的訓(xùn)練。

1.學(xué)生領(lǐng)取工程設(shè)計訓(xùn)練設(shè)計任務(wù)書與初步設(shè)計階段，根據(jù)一人一題的原則，對設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容對相關(guān)知識點進行回顧，講解設(shè)計中的難點，設(shè)計與計算的內(nèi)容、方法，以及相關(guān)注意事項。提出工程設(shè)計訓(xùn)練的內(nèi)容要求、設(shè)計規(guī)范及時間節(jié)點要求，并且按時間節(jié)點要求進行相應(yīng)的考核。要求同一個班級按同步的時間節(jié)點完成相關(guān)內(nèi)容。

2.典型熱工單元的結(jié)構(gòu)與方案確定、草圖繪制階段，根據(jù)工程設(shè)計訓(xùn)練設(shè)計任務(wù)書的要求，學(xué)生進行相關(guān)的資料組織、熱工計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)確定。主要內(nèi)容包括：（1）對相關(guān)設(shè)備的工藝、結(jié)構(gòu)特點、主要指標(biāo)確定的依據(jù)等，同時了解行業(yè)企業(yè)在環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等方面的方針政策。（2）燃料燃燒的計算，對燃料的理論空氣量與實際空氣量、理論煙氣量與實際煙氣量、燃燒溫度等相關(guān)參數(shù)進行計算。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計計算：對設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，確定主要結(jié)構(gòu)形式和尺寸，對主要耐火材料進行科學(xué)選擇。（4）窯體表面散熱的計算，對窯體表面散熱進行計算，對絕熱或隔熱材料進行設(shè)計和選擇。在材料設(shè)計和選擇中，要考慮經(jīng)濟、環(huán)境和健康等方面因素。（5）進行熱平衡的計算確定適當(dāng)?shù)捏w系并進行熱量平衡的計算，以確定相應(yīng)參數(shù)。對主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)進行計算，包括對設(shè)備的熱力強度、熱效率等進行計算。（6）分析討論，對所設(shè)計的設(shè)備進行結(jié)構(gòu)、性能等方面進行分析和評價。（7）可根據(jù)指導(dǎo)教師的提問，向其準(zhǔn)確表達局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想與具體的設(shè)計參數(shù)，較為準(zhǔn)確地繪制出局部結(jié)構(gòu)草圖，用圖形表達設(shè)計思想與局部單元結(jié)構(gòu)。

3.正式圖紙繪制、說明書撰寫階段，在典型熱工單元的結(jié)構(gòu)與方案確定、草圖繪制階段考察通過以后，利用相關(guān)工程設(shè)計軟件（Auto CAD，BIM）進行正式圖紙繪制，將所設(shè)計的典型熱工單元熱工裝備以三視圖的形式表達出來。圖紙的基本要求為，對設(shè)計的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)表達清晰，圖紙布局合理，線型應(yīng)用準(zhǔn)確。說明書的撰寫對內(nèi)容表達清楚，內(nèi)容完整，計算設(shè)計參數(shù)正確，寫作層次分明，條例清楚。

4.綜合答辯階段，學(xué)生完成工程設(shè)計訓(xùn)練的前三個階段之后，需要對自己的設(shè)計作品進行展示，介紹自己的設(shè)計內(nèi)容，接受指導(dǎo)教師的提問，以考查學(xué)生工程素養(yǎng)與綜合能力。

以上四個階段中的2～4階段分別安排一定的分值，進行相應(yīng)考察（見下表）。

五、結(jié)語

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計訓(xùn)練，很好地將理論知識與過程實際相結(jié)合，為學(xué)生提供了一個將理論應(yīng)用于實踐的學(xué)習(xí)平臺。我們進行的一系列加強工程設(shè)計訓(xùn)練的教學(xué)改革，通過學(xué)生的系統(tǒng)訓(xùn)練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)與解決復(fù)雜工程問題的能力。工程設(shè)計訓(xùn)練屬于難度很大的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師在技術(shù)層面對學(xué)生進行輔導(dǎo)，在心理層面對學(xué)生進行安慰，深受廣大學(xué)生的歡迎和積極參與，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻

[1]武培鋒.創(chuàng)需引領(lǐng)未來[M].北京：現(xiàn)代出版社，2016：2.

[2]周蘇，王碩蘋，等.創(chuàng)新思維與方法[M].北京：中國鐵道出版社，2016：6.

[3]謝峻林，何峰，顧少軒，等.無機非金屬材料工學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：28.

[4]高金蓮.工程圖學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015：59.

[5]徐德龍.謝峻林.材料工程基礎(chǔ)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008：67.

[6]姜洪舟.無機非金屬材料熱工設(shè)備[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2011：46.

Reform and Practice of Engineering Design Training in the Field of Inorganic Non-metallic Materials

HE Feng， XIE Jun-lin， WEN Jin， JIANG Hong-zhou， YANG Hu

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology，

Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Engineering Design Training is a practical training course in the field of inorganic non-metallic materials engineering. The purpose of the course is to improve the comprehensive quality of students and their ability to participate in engineering design. According to the thermal equipment and the corresponding technological conditions in the preparation of different materials， the design calculation and structure drawing of the thermal equipment are carried out. Through the design of this course， the students can master the basic methods and steps of thermal equipment design in the process of material production， train the students' basic engineering design ability and engineering expression ability， and improve the students' comprehensive engineering design literacy. Through comprehensive consideration of economic， environmental， legal， security and other factors in the design process and understanding the policies related to enterprises and industries students' awareness of engineering is to be cultivated.

Key words： inorganic non-metallic materials engineering; engineering design; reform and practice