新工科背景下《材料工程基礎(chǔ)》課程的審視與幾點(diǎn)思考

趙國(guó)營(yíng) 吳丹丹 申慧 江國(guó)健

【摘要】《材料工程基礎(chǔ)》是材料類專業(yè)的一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，主要講授材料在加工、生產(chǎn)、制造等環(huán)節(jié)遇到的質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量傳遞等工程實(shí)際內(nèi)容。本文在“新工科”專業(yè)建設(shè)背景下，重新審視了我校該課程的授課內(nèi)容和授課形式，并對(duì)存在的問題提出了幾點(diǎn)思考和建議，希望為“新工科”課程建設(shè)提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】材料工程基礎(chǔ)? 新工科? 研討

【基金項(xiàng)目】上海市屬高校應(yīng)用型本科“材料科學(xué)與工程（建筑節(jié)能材料）”試點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：4521ZK 190008001）;上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)《材料性能》校企合作課程建設(shè)項(xiàng)目。

【中圖分類號(hào)】G64 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）35-0197-02

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料物理（光電材料）專業(yè)于2011年根據(jù)“培養(yǎng)新興產(chǎn)業(yè)急需人才”的目的和宗旨獲批設(shè)立招生。緊密圍繞國(guó)家和上海市重點(diǎn)發(fā)展的光電產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)具有一定工程技術(shù)能力的應(yīng)用型人才，聚焦領(lǐng)域包括發(fā)光與顯示材料、激光材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、新能源材料與光催化材料等。經(jīng)過十年的發(fā)展，已經(jīng)形成學(xué)校特色鮮明的品牌專業(yè)。

依據(jù)學(xué)校高水平應(yīng)用創(chuàng)新型大學(xué)的發(fā)展定位，參照教育部發(fā)布的材料類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我校材料物理專業(yè)于本年度面向大三下學(xué)期學(xué)生開設(shè)《材料工程基礎(chǔ)》課程。授課內(nèi)容以質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量傳遞為主線，統(tǒng)領(lǐng)材料在加工制備環(huán)節(jié)遇到的流體運(yùn)動(dòng)、熱量導(dǎo)入、兩相反應(yīng)、揮發(fā)與干燥、燃料燃燒等基本形式。2016年，“新工科（Emerging Engineering Education，3E）”基于國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略新需求首次被提出[1]。經(jīng)過全國(guó)多所工科高校近5年的建設(shè)與發(fā)展，如今已呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)。盡管新工科建設(shè)在各高校取得了一些成果，并逐漸有新的學(xué)校在嘗試，然而對(duì)應(yīng)時(shí)代發(fā)展變化的系統(tǒng)性工程，新工科課程體系建設(shè)從提出、發(fā)展到成熟不是一蹴而就的，也沒有成熟的模式可以照搬。這樣，各高校開展新工科課程改革就具有明顯的因地制宜屬性。

在新工科建設(shè)的大背景下，針對(duì)《材料工程基礎(chǔ)》的課程內(nèi)容和授課形式，在充分融合知識(shí)性、時(shí)效性、交叉性、信息化等改革思路的前提下，結(jié)合我校培養(yǎng)一流創(chuàng)新型應(yīng)用技術(shù)人才的發(fā)展定位，本年度我們對(duì)《材料工程基礎(chǔ)》的授課內(nèi)容和授課形式進(jìn)行了一系列的改革舉措，希望能夠?yàn)椴牧衔锢韺I(yè)的新工科課程體系建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

一、《材料工程基礎(chǔ)》在材料物理專業(yè)課程體系中的定位

《材料工程基礎(chǔ)》是面向材料物理專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它的各個(gè)知識(shí)模塊之間銜接程度較差，彼此相互獨(dú)立，因此知識(shí)的連貫性差導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要及時(shí)的切換研究對(duì)象和學(xué)習(xí)方法。本門課程根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，加入了大量的經(jīng)驗(yàn)公式，因此在授課過程中有大段的公式函數(shù)推導(dǎo)過程，數(shù)學(xué)運(yùn)算符號(hào)多，推導(dǎo)過程復(fù)雜晦澀，且部分的函數(shù)運(yùn)算在高等數(shù)學(xué)和矩陣論中并沒有提及，因此需要向?qū)W生先行講解函數(shù)符號(hào)意義和運(yùn)算方法。同時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到《材料工程基礎(chǔ)》課程是融合了工業(yè)生產(chǎn)中最常見的流體、導(dǎo)熱、傳質(zhì)、干燥、燃燒等現(xiàn)象，對(duì)于基本想象的理解和把握決定了學(xué)生工程實(shí)踐的能力，是應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求，不能因?yàn)榛逎y懂、錯(cuò)綜繁冗而降低學(xué)習(xí)要求。

二、現(xiàn)行課程內(nèi)容和授課形式存在的問題

1.各學(xué)校本門課程的授課內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)差異大

《材料工程基礎(chǔ)》被教育部材料專業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)寫入課程體系中，因此面向大多數(shù)材料類課程均開設(shè)了本門課程。在各個(gè)高校，材料類專業(yè)的培養(yǎng)方向具有顯著差異，有的高校聚焦金屬材料、有的側(cè)重于無機(jī)材料、有的側(cè)重于高分子材料。因此導(dǎo)致本門課程的授課內(nèi)容也變得差異較大。根據(jù)授課內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，授課教師選用的教材千差萬別，比較多被采用的是孫晉濤教授編寫的《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》、周美玲教授主編的《材料工程基礎(chǔ)》、徐德龍?jiān)菏康摹恫牧瞎こ袒A(chǔ)》。

2.公式多、推導(dǎo)多、定理多、模型多，理論性強(qiáng)

本門課程的前期基礎(chǔ)課程包括《高等數(shù)學(xué)》《線性代數(shù)》《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《物理化學(xué)》等。只有在這些知識(shí)扎實(shí)掌握基礎(chǔ)上，才能夠進(jìn)一步加深對(duì)于本門課程中對(duì)于公式推導(dǎo)的理解。而對(duì)于前期基礎(chǔ)不扎實(shí)的學(xué)生，顯然是加重了對(duì)公式推導(dǎo)的抵觸心理。限于課程所涵蓋知識(shí)點(diǎn)的多面性，公式推導(dǎo)、模型演繹在不同的板塊均有涉及，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性被反復(fù)打擊，造成教學(xué)效果欠佳。

3.知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容模塊化，各章節(jié)關(guān)聯(lián)性差

我們以徐德龍?jiān)菏恐骶幍摹恫牧瞎こ袒A(chǔ)》為例闡述，授課內(nèi)容主要講授基本的“三傳一反”內(nèi)容，擴(kuò)展之后包括流體力學(xué)、兩相運(yùn)動(dòng)、傳熱學(xué)、質(zhì)量傳遞、物料干燥、燃燒等內(nèi)容，每個(gè)部分都是獨(dú)立的內(nèi)容，研究對(duì)象都具有明顯的差異性，且教學(xué)重點(diǎn)也有著明顯不同，因此各個(gè)章節(jié)知識(shí)體系連接性較差，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候?qū)W習(xí)內(nèi)容碎片化，理解和記憶的難度增加。

三、新工科背景下本門課程建設(shè)的構(gòu)想

2011年，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（時(shí)稱上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院）立足學(xué)校發(fā)展目標(biāo)，根據(jù)服務(wù)長(zhǎng)三角區(qū)域發(fā)展的自身地位，緊跟時(shí)代潮流與高端制造業(yè)，開設(shè)了材料物理專業(yè)，并以光電材料為發(fā)展特色。十年來，已有近千人從這里畢業(yè)走向社會(huì)崗位。與此同時(shí)，材料物理專業(yè)的人才培養(yǎng)方案與課程大綱幾經(jīng)修訂，時(shí)刻追隨本領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，強(qiáng)調(diào)以德育人、知識(shí)育人，整個(gè)人才培養(yǎng)方案的科學(xué)性、合理性、實(shí)用性。2021年面向本專業(yè)大三下學(xué)期的學(xué)生開始開設(shè)《材料工程基礎(chǔ)》課程，這既是參考了教育部材料類國(guó)家質(zhì)量課程體系，又是本專業(yè)培養(yǎng)工程技術(shù)人才的內(nèi)在要求。我們選用了徐德龍?jiān)菏康摹恫牧瞎こ袒A(chǔ)》作為參考教材，當(dāng)前的光電材料形態(tài)包括激光晶體、熒光粉、光學(xué)玻璃、光功能陶瓷等等，這些材料是合成過程中主要遇到了加熱、成型、干燥、流延等，而這些想象的理解和把握不可避免的用到了《材料工程基礎(chǔ)》知識(shí)，因此本門課程沒有明顯的側(cè)重點(diǎn)。經(jīng)過一輪次的初探，并授課內(nèi)容和形式進(jìn)行了小幅度的改革后，有幾個(gè)想法值得去認(rèn)真思考。

1.授課內(nèi)容改革

《材料工程基礎(chǔ)》是架通基礎(chǔ)與實(shí)踐的橋梁，授課內(nèi)容有很強(qiáng)的邏輯性。需要學(xué)生在前期高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、物理化學(xué)學(xué)習(xí)良好的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，然而我校學(xué)生在數(shù)學(xué)公示理解與換算方面存在明顯短板，有少量同學(xué)是讀預(yù)科而進(jìn)入大學(xué)，這種基礎(chǔ)的差異導(dǎo)致學(xué)生在遇到公式推導(dǎo)等內(nèi)容的厭惡感，以至于對(duì)于后期學(xué)習(xí)內(nèi)容也無法提起興趣。以流體力學(xué)為例，我們處理流體靜止與運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)用到大量的微積分方程，甚至還會(huì)用到散度的概念，這是歐拉法處理數(shù)學(xué)模型常用的方法，但是課堂教學(xué)效果明顯很差。因此在強(qiáng)調(diào)實(shí)用性的基礎(chǔ)上，我們對(duì)課程內(nèi)容中部分公式推導(dǎo)、邏輯運(yùn)算等抽象內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)化，供學(xué)有余力的同學(xué)用作探索式學(xué)習(xí)。

2.授課形式改革

新工科改革下的課程建設(shè)強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉性、時(shí)效性、智能制造等內(nèi)容。因此針對(duì)實(shí)用性強(qiáng)的課程內(nèi)容，相應(yīng)的授課形式也遇到挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的老師在講臺(tái)講課，學(xué)生在臺(tái)下聽課的形式并不能起到良好的教學(xué)效果。因此在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)，我們把基本概念放到課堂教學(xué)，注重講解與學(xué)生的理解。綜合利用多媒體手段，將常用的流體運(yùn)動(dòng)、燃燒等做成動(dòng)態(tài)演示，加深學(xué)生對(duì)全過程的理解。積極爭(zhēng)取虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，通過模型建設(shè)，使學(xué)生能夠身臨其境的感受動(dòng)態(tài)過程。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

由于是第一次開設(shè)本課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的場(chǎng)地與設(shè)備暫缺。但是根據(jù)本門課程的研究對(duì)象，開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，能夠?qū)W(xué)生理解并掌握的基礎(chǔ)工程知識(shí)運(yùn)用于指導(dǎo)實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果將起到良好的推動(dòng)作用。能夠開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課包括比托管的使用、流體阻力計(jì)算、粘度測(cè)試、燃料衡算等內(nèi)容。依托這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生參加包括“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯、無機(jī)非金屬材料教學(xué)大賽等學(xué)科競(jìng)賽，推動(dòng)學(xué)生學(xué)以致用，加深對(duì)工程知識(shí)的熱愛。

4.OBE達(dá)成度模塊改革

本學(xué)期我們將學(xué)生的評(píng)價(jià)體系覆蓋了教學(xué)的所有環(huán)節(jié)，學(xué)生的個(gè)人總評(píng)成績(jī)=40%試卷成績(jī)+40%過程化考核成績(jī)+10%實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)+10%平時(shí)成績(jī)。以O(shè)BE達(dá)成度為目標(biāo)，將總評(píng)成績(jī)分割為四個(gè)模塊，既能全面反應(yīng)所有的教學(xué)環(huán)節(jié)，又能充分體現(xiàn)新工科背景下全過程育人，全方位育人的指導(dǎo)原則，徹底打破固有的平時(shí)不學(xué)，臨考突擊的應(yīng)試模式。

四、結(jié)束語

通過對(duì)我校一輪次的《材料工程基礎(chǔ)》授課探索實(shí)踐，結(jié)合材料物理專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，我們提出了很多改革的舉措并付諸實(shí)踐。在實(shí)踐的過程中既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。對(duì)授課內(nèi)容、授課形式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及最后的OBE評(píng)價(jià)，在今后的教學(xué)過程中，我們還會(huì)精雕細(xì)琢，使其更加符合新工科背景的育人模式，為本門課程的新工科建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭雨，陳君華，俞浩，陳俊明，郭騰，丁志杰，周永生，魏居孟.新工科視角下玻璃方向?qū)I(yè)課體系的審視與序貫構(gòu)建[J].紅河學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，19（2）：114-119

作者簡(jiǎn)介：

趙國(guó)營(yíng)（1986年2月-），漢族，山東人，男，博士，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向：光電玻璃。