新工科背景下材料制備傳輸原理課程建設(shè)研究

司 晨

（北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100191；北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 北京 100191）

自然界中的物質(zhì)時(shí)刻處于變動(dòng)之中，對(duì)應(yīng)著物理量從非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)移也無時(shí)無刻不在發(fā)生。這是一種非常普遍的傳輸現(xiàn)象，與人類日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)。物質(zhì)變化過程中所傳輸?shù)奈锢砹恳话憧梢愿爬闊崃?、質(zhì)量和動(dòng)量等。材料制備傳輸原理就是一門研究傳輸現(xiàn)象的學(xué)科，主要介紹動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍睢⒃砗鸵?guī)律。作為一門融合了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料科學(xué)和物理化學(xué)等知識(shí)背景的獨(dú)立學(xué)科，它將物理理論與數(shù)學(xué)工具相結(jié)合，并重點(diǎn)關(guān)注物理過程[1]。在材料制備傳輸原理課程的傳統(tǒng)教學(xué)中，復(fù)雜的物理概念和數(shù)學(xué)方程常使學(xué)生感到枯燥乏味，難以理解課程的精髓，從而喪失學(xué)習(xí)興趣[2]，傳統(tǒng)的教學(xué)方法也未能充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。新工科教育理念要求學(xué)生具備綜合能力，包括扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備、創(chuàng)新能力、領(lǐng)導(dǎo)能力和實(shí)踐能力，以成為人文科學(xué)和工程領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物[3-4]。因此，在新工科背景下，材料制備傳輸原理課程需要進(jìn)行課程革新建設(shè)。

傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式逐漸被實(shí)踐性教學(xué)所取代，新工科強(qiáng)調(diào)工程教育要培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力。首先，課程需要將理論知識(shí)與實(shí)際工程問題相結(jié)合，使學(xué)生能夠在真實(shí)情景中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題。其次，新工科教育致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，課程應(yīng)該結(jié)合科學(xué)前沿，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行創(chuàng)新性研究，探索未知領(lǐng)域。此外，新工科鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科合作，使不同領(lǐng)域的知識(shí)交流融合以產(chǎn)生更有創(chuàng)意和影響力的工程實(shí)踐方案。課程也應(yīng)該引入更多相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)分析等，以便更好地應(yīng)對(duì)材料制備過程中的復(fù)雜問題?；谝陨闲鹿た平逃囊螅覀儗膬?yōu)化課程教學(xué)、創(chuàng)新教學(xué)方法和完善考核制度三個(gè)模塊來詳細(xì)闡述課程建設(shè)實(shí)踐的研究?jī)?nèi)容。

1 優(yōu)化課程教學(xué)

1.1 精煉課堂教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)邏輯體系

材料制備傳輸原理課程可以分為動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸三大模塊，旨在讓學(xué)生掌握三種傳輸方式的基本概念、適用條件及解析方法。精煉課堂教學(xué)內(nèi)容需要在教學(xué)內(nèi)容全面覆蓋的基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡(jiǎn)。動(dòng)量傳輸部分涵蓋牛頓黏性定律、微分方程和納維-斯托克斯方程，具體介紹管道中的流體流動(dòng)，探討相似原理并進(jìn)行量綱分析，從而提升管道系統(tǒng)輸運(yùn)性能。熱量傳輸部分包括導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種傳熱方式：導(dǎo)熱部分著重強(qiáng)調(diào)傅里葉定律、導(dǎo)熱微分方程及其工程應(yīng)用；對(duì)流傳熱主要包括管內(nèi)對(duì)流傳熱和一般常用模型分析；輻射傳熱部分介紹黑體輻射的基本定律和表面輻射的計(jì)算。質(zhì)量傳輸部分介紹基本概念和主要傳輸方式、菲克第一定律、質(zhì)量傳輸微分方程、分子定態(tài)擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)等。

凝練的教學(xué)內(nèi)容需要良好的教學(xué)邏輯體系來串聯(lián)，在建立傳輸模型的過程中，我們采用從實(shí)際情況入手抽象出物理概念，由淺入深，逐漸升維的邏輯思路。例如,在講授熱傳導(dǎo)部分時(shí)，從最簡(jiǎn)單的無限大單層平壁導(dǎo)熱問題開始，首先建立起單層平壁的幾何模型，然后通過殼體平衡法推導(dǎo)出其導(dǎo)熱微分方程，通過有限元分析、數(shù)值模擬等方法就可以得到模型的解析解，再由一維情況類比分析三維情況。這種物理上逐漸升維，對(duì)應(yīng)思想上由淺及深的教學(xué)方法更容易被學(xué)生理解和接受，可以提高他們對(duì)物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)表達(dá)能力。

1.2 學(xué)科內(nèi)容交叉融合，發(fā)展創(chuàng)新思維培養(yǎng)的新路徑

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的迅速崛起，高等教育的學(xué)科內(nèi)容設(shè)置也迎來了全新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前的工科學(xué)科幾乎涵蓋了包括材料、計(jì)算機(jī)、信息、電子、機(jī)械、電氣等學(xué)科在內(nèi)的所有知識(shí)和相關(guān)技術(shù)工藝。新工科教育的獨(dú)特之處在于綜合應(yīng)用，不受單一理論體系的束縛。材料制備傳輸原理課程建設(shè)將重點(diǎn)優(yōu)化學(xué)科內(nèi)容的跨界交叉和綜合融合[5]，引入相關(guān)學(xué)科知識(shí)和研究方法，特別是將流體力學(xué)和物理化學(xué)等領(lǐng)域與本課程有機(jī)融合。舉例來說，在傳熱過程的講解中，可以融入流體力學(xué)的流動(dòng)模型以及物理化學(xué)中的熱傳導(dǎo)機(jī)制，有助于學(xué)生更好地理解不同流動(dòng)模式下傳熱的特點(diǎn)。此外，通過應(yīng)用Python 語言，學(xué)生能夠編寫程序來處理和分析傳輸過程中的數(shù)據(jù)。這對(duì)于解決涉及多個(gè)因素和復(fù)雜計(jì)算的問題非常有用，將為其未來的工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 創(chuàng)新教學(xué)方法

2.1 開放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)教學(xué)局限于書本理論知識(shí)傳授，教學(xué)方法主要是教師板書授課，期末考核也以閉卷考試為主，學(xué)生容易局限在理論基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握上，與實(shí)踐結(jié)合不足，教師與學(xué)生之間沒有形成良好的互動(dòng)關(guān)系，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況也沒有形成完善的反饋機(jī)制，很難得知學(xué)生是否真正理解了課程思想并且能應(yīng)用于實(shí)際，因此在凝練創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，教學(xué)方法也要革新進(jìn)步才能滿足新工科教育的需要。

在保持教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)不變的前提下，我們可以改變教師和學(xué)生的角色，讓學(xué)生將課程內(nèi)容與自己感興趣的前沿領(lǐng)域相結(jié)合，進(jìn)行案例分析并在課堂上展示。每位學(xué)生可以通過演講介紹他們感興趣領(lǐng)域中的傳輸原理案例。這種方法不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)傳輸原理課程的興趣，還可以激發(fā)他們的創(chuàng)新潛力。學(xué)生不再感到枯燥乏味，因?yàn)樗麄兛梢蕴剿饕苯饌鬏斣碓谄渌I(lǐng)域的應(yīng)用，從而提高他們的視野和獨(dú)立思考能力。這種開放式的教學(xué)方法非常有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維和批判性思維。

2.2 仿真模擬與理論知識(shí)相結(jié)合，直觀化理解理論知識(shí)

將仿真模擬與理論知識(shí)相結(jié)合，創(chuàng)新材料制備傳輸原理課程的教學(xué)方法。以焊接熔池模擬仿真為例[6]：在傳統(tǒng)課程中，學(xué)生學(xué)習(xí)焊接傳輸原理時(shí)，可能會(huì)受到抽象理論知識(shí)的束縛，難以直觀理解焊接熔池內(nèi)部的復(fù)雜傳輸過程。在新工科的教育理念下，可以引入焊接熔池模擬軟件，如Comsol、Multiphysics、Ansys 等。結(jié)合課程中的質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒原理，學(xué)生可以使用這些仿真工具來構(gòu)建焊接熔池的數(shù)值模型，模擬焊接過程中熔池內(nèi)的溫度分布、液態(tài)金屬流動(dòng)、傳熱和質(zhì)量傳輸?shù)任锢憩F(xiàn)象。通過調(diào)整模型中的參數(shù)，可以直觀地觀察到不同焊接條件下熔池的行為變化，例如溫度分布、焊縫形態(tài)等，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用能力，契合新工科的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.3 加強(qiáng)科研創(chuàng)新培養(yǎng)，培育優(yōu)秀工程人才

新工科的核心目標(biāo)之一是培養(yǎng)符合時(shí)代要求的工程人才，這要求課程內(nèi)容要與科技前沿和產(chǎn)業(yè)需求保持同步。材料制備傳輸原理課程也需要引入最新的科研成果和技術(shù)進(jìn)展，使學(xué)生了解并掌握當(dāng)前領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。這種緊密結(jié)合科研前沿的教學(xué)方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的敏感性和適應(yīng)性，使他們能夠更好地應(yīng)對(duì)日益變化的科技和產(chǎn)業(yè)環(huán)境。教師是在材料科學(xué)領(lǐng)域有豐富科研經(jīng)驗(yàn)的專家，在教學(xué)過程中，他們可結(jié)合自身科研經(jīng)歷，向?qū)W生介紹科學(xué)研究方法和相關(guān)科學(xué)技術(shù)前沿，例如，教師可以分享自己在某個(gè)領(lǐng)域的最新研究成果，如新型材料的傳輸性能優(yōu)化，新工藝的創(chuàng)新應(yīng)用，傳輸現(xiàn)象的理論更新等。以培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力[7]。

2.4 思政教育融入課堂，實(shí)現(xiàn)育人價(jià)值目標(biāo)

從課程類型來看，材料制備傳輸原理屬于工程類專業(yè)課程，其課程目標(biāo)需要同時(shí)包括知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值觀塑造，具體要求應(yīng)體現(xiàn)在知識(shí)、能力和價(jià)值觀三個(gè)方面[8]。其中，價(jià)值觀目標(biāo)不僅是課程思政的具體表現(xiàn)，也是課程思政建設(shè)的核心[9]。在材料制備傳輸原理課程中融入思政教育可以通過實(shí)際案例的方式來實(shí)現(xiàn)。例如，在講授熱傳輸時(shí)，可以引入有關(guān)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)能源的案例，教師可以介紹全球氣候變化對(duì)能源需求和材料選擇的影響，以及工程師和科學(xué)家在可再生能源領(lǐng)域的工作如何推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。這些案例的引入可以激發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們更加深入地思考課程內(nèi)容與社會(huì)倫理和可持續(xù)發(fā)展之間的聯(lián)系。

3 完善考核體系

為實(shí)現(xiàn)新工科教育的培養(yǎng)目標(biāo)，完善的考核體系作為培養(yǎng)合格人才的重要支撐必不可少。首先，應(yīng)在新工科的背景下改進(jìn)理論知識(shí)的考核方式。我們建立了一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)題庫(kù)，結(jié)合科學(xué)前沿不斷更新，引入更多工程實(shí)踐案例供學(xué)生學(xué)習(xí)和分析。我們將科研實(shí)踐中遇到的問題也納入考核內(nèi)容，使考試題型更加多樣化。其次，項(xiàng)目設(shè)計(jì)作為一種高可行性的考核方式，要求學(xué)生根據(jù)三種傳輸現(xiàn)象的基本原理，結(jié)合工程實(shí)踐案例，設(shè)計(jì)能夠解決具體問題的項(xiàng)目方案。此外，案例分析也是一種有效的考核方式，學(xué)生需要分析工程案例，解釋其中應(yīng)用的原理，評(píng)估案例的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)方案，這可以通過小組口頭演示或其他方式實(shí)施，有助于鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

最后，基于上述多元的考核內(nèi)容，我們形成了卷面筆試50%+項(xiàng)目設(shè)計(jì)20%+案例分析20%+平時(shí)表現(xiàn)10%的成績(jī)占比的多維度考核方式，以期做到理論知識(shí)學(xué)習(xí)、綜合能力提升、創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的全面考察。通過以上多元化的考核形式，更加注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，同時(shí)完善的考核體系也將推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的提高和教學(xué)改革的深入。

4 結(jié)語

材料制備傳輸原理課程教學(xué)改革是材料科學(xué)與工程專業(yè)課程新工科建設(shè)的重要內(nèi)容。本文根據(jù)材料制備傳輸原理課程的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，分析了該課程目前主要存在教學(xué)內(nèi)容理論與實(shí)踐聯(lián)系不足、教學(xué)方法缺乏創(chuàng)新、考核形式單一等問題。針對(duì)現(xiàn)有問題，提出了從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法和完善考核體系三個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)行探索改革的思路和舉措。通過對(duì)課程的改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的科研精神和創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)新工科背景下材料工程專業(yè)綜合型人才做出了積極的探索和嘗試。