材料科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計的實踐探討

王 劍 張王剛

太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024

材料科學(xué)興起于20 世紀60 年代初，材料科學(xué)與工程專業(yè)是研究材料成分、結(jié)構(gòu)、加工工藝與其性能和應(yīng)用的學(xué)科。太原理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）材料科學(xué)與工程專業(yè)是在原材料化學(xué)、材料物理和無機非金屬材料專業(yè)方向上整合而來，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握材料科學(xué)與工程學(xué)科基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，具有從事材料科學(xué)與工程領(lǐng)域相關(guān)科研與工程工作，解決材料領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，同時具有國際化視野、自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。

材料科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計，是在材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生修完相應(yīng)基礎(chǔ)課程及進行了生產(chǎn)實習(xí)之后，進行的一個重要實踐環(huán)節(jié)。其目的在于鞏固學(xué)生在課堂和生產(chǎn)實踐所學(xué)的知識，培養(yǎng)其綜合運用已學(xué)的材料基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識來解決材料制備、結(jié)構(gòu)、性能相關(guān)問題的能力。我校材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生通過前期課程學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握了材料結(jié)構(gòu)、加工制備工藝、性能之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，課程設(shè)計使學(xué)生能夠融會貫通地運用所學(xué)的知識，對材料制備及使用過程中的現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)變化和性能做出理論分析和解釋，制定切實可行的加工制備工藝，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析問題和解決問題的能力，同時通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生查閱、應(yīng)用文獻的能力。我校材料科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計的具體要求，能夠根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)書查閱相關(guān)手冊以及參考文獻資料，熟悉設(shè)計規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容；能夠綜合考慮環(huán)境、成本和安全等多方面因素進行設(shè)計，評價材料科學(xué)與工程專業(yè)工程實踐和復(fù)雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響；鍛煉正確書寫設(shè)計報告的基本技能，清晰表達設(shè)計內(nèi)容；熟悉常用材料的性能，能夠正確采集、準確分析并解釋數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)工程環(huán)境需要進行正確的選材；根據(jù)使用條件進行正確的試驗設(shè)計和措施選擇。

由于材料科學(xué)與工程專業(yè)發(fā)展時間較短，在課程設(shè)計方面并沒有成熟的方案可以參考，筆者通過參照其他學(xué)校材料類專業(yè)課程設(shè)計思路，針對材料科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計存在的問題，提出了關(guān)于材料科學(xué)與工程課程設(shè)計思路，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際和發(fā)現(xiàn)及解決問題的能力，達到課程設(shè)計目的。

一、材料科學(xué)與工程課程設(shè)計現(xiàn)存問題

（一）沒有成熟設(shè)計模式指導(dǎo)和參考

不同于傳統(tǒng)工科專業(yè)，例如材料成型及控制工程專業(yè)的課程設(shè)計以模具設(shè)計、鑄造設(shè)計［1］，機械工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)計等，有成熟的教材或方案參考［2］。而材料科學(xué)與工程專業(yè)課程設(shè)計相關(guān)文獻資料較少。盡管張宇等報道了新能源材料與器件專業(yè)“鋰離子電池課程設(shè)計”的改革與探索［3］，張勛高等分析了《材料分析與表征》課程設(shè)計與教學(xué)實踐［4］，但相關(guān)材料科學(xué)與工程的課程設(shè)計方案鮮有報道。如何從選題、布置任務(wù)、設(shè)計指導(dǎo)、設(shè)計評價等給出合理的課程設(shè)計方案是本專業(yè)需要思索的問題。

（二）課程設(shè)計題目選取存在難度

材料科學(xué)與工程課程設(shè)計傾向于實踐課程范疇，安排時間較短，筆者所在學(xué)校材料科學(xué)與工程課程設(shè)計，安排于大四最后一學(xué)期開學(xué)前，僅有兩周時間，這要求所給學(xué)生題目既不能太難，高于后續(xù)畢業(yè)設(shè)計的題目，也不能太簡單，讓學(xué)生覺得課程設(shè)計停留在簡單的理論課程作業(yè)水平。因此，如何給出科學(xué)合理的課程設(shè)計題目，讓學(xué)生在大學(xué)四年學(xué)習(xí)后達到學(xué)以致用是必須明確的問題。

（三）課程設(shè)計存在“紙上談兵”現(xiàn)象

材料科學(xué)與工程的課程設(shè)置在前期偏理論，而課程設(shè)計的初衷正是希望學(xué)生可以將所學(xué)知識有所應(yīng)用。盡管所給課程設(shè)計題目盡量貼近實際，但大部分學(xué)生經(jīng)過設(shè)計后仍然感覺與實際生產(chǎn)遙遠，存在“紙上談兵”現(xiàn)象。因此，如何更好地讓學(xué)生在課程設(shè)計過程中充分理解所學(xué)知識，并應(yīng)用于實踐，完成用理論指導(dǎo)實踐，以實踐驗證理論的哲學(xué)升華是必須考慮的問題。

二、材料科學(xué)與工程課程設(shè)計改革思路

（一）結(jié)合實際給出課程設(shè)計題目

鑒于目前材料科學(xué)與工程課程設(shè)計參考題目較少，筆者在自己科研項目和前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合目前發(fā)展迅速或較為成熟的堿金屬負極材料制備及工業(yè)化，以及防腐蝕領(lǐng)域所用的緩蝕劑和防腐涂料制備及工業(yè)化，制定了5 個課程設(shè)計題目。這些題目分別是：百噸級硅碳負極材料制備及工藝設(shè)計、百噸級人造石墨材料制備及工藝設(shè)計、百噸級硬碳材料制備及工藝設(shè)計、環(huán)氧防腐蝕涂料選擇及制備設(shè)計、聚氨酯防水涂料選擇及制備設(shè)計。要求學(xué)生分別熟悉硅碳、人造石墨、硬碳、防腐涂料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與性能之間的關(guān)系等，確定最佳制備方案。設(shè)計并確定一種材料的生產(chǎn)工藝，討論設(shè)計配方，選擇生產(chǎn)（制備）原料、設(shè)計工藝過程、選擇生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)思生產(chǎn)線，繪制工藝框圖。上述題目既考慮了前期學(xué)習(xí)的材料結(jié)構(gòu)、制備和性能評價等基礎(chǔ)課程，又結(jié)合了實際生產(chǎn)要求的設(shè)備、工藝放大、安全、環(huán)保及經(jīng)濟和社會效益，對于提高學(xué)生結(jié)合實際生產(chǎn)理解所學(xué)材料理論知識有重要意義。

（二）設(shè)計過程給予正確指導(dǎo)

基于所學(xué)專業(yè)知識，面向生產(chǎn)實際中的復(fù)雜工程問題，明確設(shè)計任務(wù)的應(yīng)用背景和應(yīng)用對象，以解決實際工程問題為方向，充分吸納專業(yè)知識、經(jīng)濟管理、人文素養(yǎng)等進行融合，開展具有創(chuàng)新意義的材料類設(shè)計與制造實踐。以實踐項目為載體，引導(dǎo)學(xué)生開闊創(chuàng)新思維方式，設(shè)計過程中主動探究材料制備及工業(yè)化流程，綜合考慮環(huán)境、成本和安全等多方面因素進行設(shè)計，評價材料科學(xué)與工程專業(yè)工程實踐和復(fù)雜工程問題解決方案對環(huán)保、安全、經(jīng)濟和社會效益的影響。針對所給題目，進行較為詳細的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的初步選型，針對生產(chǎn)過程中的安全問題以及“三廢處理”詳細說明，并利用計算機CAD 軟件繪制生產(chǎn)工藝圖。

為了提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，采用學(xué)生按照任務(wù)書要求自主設(shè)計，教師指導(dǎo)和監(jiān)督的方式，指導(dǎo)過程中貫徹因材施教，將全班30 名同學(xué)分為5 個小組。每個小組首先查閱文獻資料內(nèi)容，理解所給題目設(shè)計的材料制備和工業(yè)化流程，并安排學(xué)生自己查閱相關(guān)工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備，詢問原材料價格，考慮車間布置情況、安全生產(chǎn)情況、環(huán)保要求、經(jīng)濟和社會效益等，組織分組討論，發(fā)揮學(xué)生的積極和創(chuàng)造性。由于設(shè)計時間僅為2 周，第一周主要進行布置任務(wù)、分組、資料查詢、確定方案、分組討論方案；第二周進行設(shè)計和相關(guān)計算、撰寫設(shè)計報告。設(shè)計過程中，針對設(shè)計可行性給出合理化建議。遇到問題時進行答疑解惑，筆者分別在設(shè)計開始的第3 天、第6 天和第9 天，針對學(xué)生疑問進行了3 次答疑，及時幫助學(xué)生理解了課程設(shè)計重點和難點，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、自主思考和解決問題能力。

（三）課程設(shè)計報告規(guī)范與評價方法

結(jié)合專業(yè)課程設(shè)計矩陣要求，課程設(shè)計報告制定了如下統(tǒng)一規(guī)范進行撰寫，包括前言；國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、設(shè)計題目意義；設(shè)計任務(wù)和思路；生產(chǎn)工藝設(shè)計（包括生產(chǎn)原料、生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工序、生產(chǎn)線及生產(chǎn)車間設(shè)備布置、安全生產(chǎn)和環(huán)境保護）；經(jīng)濟和社會效益；心得體會；參考文獻。評價分為日常成績（20%）、答辯成績（30%）和課程報告（50%）。日常成績主要考查學(xué)生是否按時到課，每次答疑時，可適當布置學(xué)生寫幾百字任務(wù)進展等給出成績。答辯成績針對每名學(xué)生均進行基礎(chǔ)提問，考查學(xué)生前期是否真正進行了思考，所設(shè)計課題相關(guān)問題如下表1 所示。課程報告在學(xué)生上交后按照書寫格式、邏輯思路等進行評價。

表1 材料科學(xué)與工程設(shè)計答辯環(huán)節(jié)回答問題總結(jié)

（四）安排學(xué)生參觀實習(xí)完成驗證

鑒于目前課程設(shè)計完成后，學(xué)生還不能對設(shè)計的理論和內(nèi)容進行充分理解，筆者組織學(xué)生分別在鋰電負極材料工廠和防腐涂料廠進行了實地參觀，讓學(xué)生更好地理解了自己所設(shè)計的理論知識，并驗證了所設(shè)計報告是否與實際相符合。

三、結(jié)語

通過課程設(shè)計，大部分學(xué)生均能在規(guī)定的時間內(nèi)順利完成。設(shè)計內(nèi)容既保障學(xué)生得到基本訓(xùn)練要求，又能使學(xué)習(xí)優(yōu)秀的學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新思維，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生通過本次課程設(shè)計收獲頗多，懂得了理論與實際結(jié)合的重要性，發(fā)現(xiàn)了之前理論學(xué)習(xí)過程的不足，培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新能力。此外，培養(yǎng)了學(xué)生收集、分析和利用信息的綜合能力，懂得了團隊合作的重要性，增強了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。真正利用自己的所思所想，所獲所得，撰寫課程設(shè)計報告和試驗論文，認真對待知識產(chǎn)權(quán)。綜上所述，課程設(shè)計的終極目標是應(yīng)用于實踐，應(yīng)該在今后的設(shè)計過程中更進一步優(yōu)化題目，全程指導(dǎo)，真正體現(xiàn)學(xué)生的自主性，為材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)合格人才把好課程設(shè)計關(guān)。