《材料工程基礎》課程內容探討

摘 要:作者通過對材料工程基礎的現狀進行分析，指出材料工程基礎的內容應該避開各種材料制備和加工的具體特點，教授各種材料過程中所共有的工程基礎問題即物料和能量衡算、物質輸送、傳熱理論和傳質理論。結合講授最新的科技成果特別是計算機技術在材料工程中的應用，使學生掌握計算機計算和設計的基本程序和方法。

關鍵詞:材料工程基礎 教學內容 材料工程

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2012)03(a)-0193-02

提高質量，培養高素質人才是高等教育永恒的主題，當前教育改革的主要目標。隨著社會的發展，對高等工程型應用人才提出了新的、更高的要求。我校適應社會發展需要，近年來采取了眾多舉措努力培養工程技術人才:卓越工程師培養計劃、專業學位碩士等。與此相適應，作為新世紀高科技的支撐，材料類專業人才在掌握基本理論的同時，必須具有一定的工程開發和研究能力、創新能力?！安牧瞎こ袒A”是教育部21世紀初高等教育教學改革項目“材料科學與工程專業人才培養方案及教學內容體系改革的研究”中主干專業基礎課程，也是我們材料學院的平臺課程，長期以來，一直備受學校和院領導的重視，建立與新的材料科學與工程專業人才培養方案及教學體系相適應的教學內容、教學方法是當務之急。

1 《材料工程基礎》課程現狀

1.1 教學內容的選擇無一定標準

目前，全國各高校材料科學與工程專業均開設了材料工程基礎或類似名稱課程，作為各學院的專業基礎課程或平臺課，意在通過教學內容的實施，使學生掌握材料領域工程問題的基本規律，為解決工程實際問題打下堅實理論基礎。但同為材料工程基礎的課程，授課內容卻迥然不同，例如:武漢理工大學，以動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三大傳遞過程為主線，以燃燒過程和干燥過程為過程綜合的應用，以基本理論理解和應用貫穿全部教學內容;四川大學，重點講授金屬材料的物理冶金問題，闡明鋼的合金化原理，力圖使學生掌握金屬及合金材料的化學成分、組織結構，生產過程及環境因素對其性能影響的基本規律;浙江大學沒有開設材料工程基礎，但開設了材料工藝基礎，介紹各種材料的性能和制備方法;西南石油大學的材料工程基礎則主要闡明材料的加工、制備、合成、與改性的基本工藝原理、技術方法和質量控制等，學生在修完本課程后能基本了解材料科學與工程領域內主要材料的加工工藝過程、制備技術與方法，獲得較廣泛的材料工程的基礎知識和基本理論。

1.2 材料工程基礎的基礎界定不明確

造成材料工程基礎內容的多樣性的根本原因是什么?是材料工程基礎界定不明確或者說很困難。這是由于材料的多樣性、綜合性和跨學科應用造成的。根據兩院院士師昌緒先生的定義:材料是人類制造生活和生產用的物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。材料除了具有重要性和普遍性以外，還具有多樣性。材料的多樣性決定了分類標準的多樣性。從物理化學屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料所組成的復合材料。從行業來分，可分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。從應用來分，又可分為結構材料與功能材料等等。中國科學院院士姚熹先生在同濟大學校慶報告會做了題為《Essenceand Methodology of Material Science》指出，材料科學的精髓有三點:（1）材料科學是一門實驗科學;（2）材料科學是一門制備科學;（3）材料科學是一門綜合性的交叉科學。因此，從實驗科學與制備科學的觀點出發，凡是材料制備過程中所涉及技術和方法問題都屬材料工程問題，包括原材料的輸送、原材料精制、合成、產品精制、后加工、包裝、運輸等生產工序原理以及為完成上述工序的一些配套工序，如生產過程中的傳熱問題、三廢處理問題。由于材料的多樣性，各種材料制備、加工方法千差萬別，材料工程問題就顯得錯綜復雜了，如何從這多種多樣的工程問題中提煉出各種材料制備與加工的共同涉及基礎問題，建立材料學的平臺課程—— 材料工程基礎完整的知識體系成了當務之急。

1.3 高校的教材跟不上企業技術的更新，呈現相對滯后的現象

教材是教學的主要依據，教材不但要反映一門學科的基礎理論知識與結論，還要反映現代先進的技術手段學科中的應用。材料工程基礎課程有義務介紹工業界最新的技術和最新的設備，不僅如此，當今的工業過程設計大多通過商業軟件進行設計，筆者強烈建議在材料工程基礎中向學生介紹商業軟件，計算機輔助設計依賴于設計者嚴謹的工作作風和正確的工程判斷，通過課程的講解，學生掌握計算機輔助設計的基本原理、應用軟件和基本方法。

2 合理選擇材料工程基礎課程教學內容的建議

各個高校在確定材料工程基礎授課內容時，都有其歷史沿革，并或多或少的與其專業特點和培養計劃相適應，有著一定的合理性，也都立足于解決材料工程問題。但作為教育部21世紀初高等教育教學改革項目“材料科學與工程專業人才培養方案及教學內容體系改革的研究”中主干專業基礎課程理應有一個相對統一的教材來規范教學內容，筆者的觀點是:材料工程基礎應該避開具體材料的制備和加工過程，研究材料生產和加工中普遍存在的最基礎的共性問題。

2.1 物料衡算和能量衡算是所有材料制備工業設計的基礎，理應成為材料工程基礎的基本內容

物料衡算是以質量守恒定律為基礎對物料平衡進行計算。物料平衡是指“在單位時間內進入系統(體系)的全部物料質量必定等于離開該系統的全部物料質量再加上損失掉的和積累起來的物科質量”。工藝設計中，物料衡算是在工藝流程確定后進行的。目的是根據原料與產品之間的定量轉化關系，計算原料的消耗量，各種中間產品、產品和副產品的產量，生產過程中各階段的消耗量以及組成，進而為熱量衡算、其他工藝計算及設備計算打基礎。當物料經物理或化學變化時，如果其動能、位能或對外界所作之功，對于總能量的變化影響甚小可以忽略時，能量守恒定律可以簡化為熱量衡算。它是建立過程數學模型的一個重要手段，是材料計算的重要組成部分。進行熱量衡算，可以確定為達到一定的物理或化學變化須向設備傳入或從設備傳出的熱量;根據熱量衡算可確定加熱劑或冷卻劑的用量以及設備的換熱面積，或可建立起進入和離開設備的物料的熱狀態（包括溫度、壓力、組成和相態）之間的關系。物料衡算和能量衡算各種材料制備過程中所涉及的基本問題，也是進一步進行經濟核算的根據。

2.2 物料輸送是生產過程中不可或缺的基本操作，是材料工程基礎的重要內容

任何材料的生產，都要涉及原材料和產品輸送問題。材料輸送問題包括固體物料的輸送和流體（氣體和液體）的輸送。許多種原料、半成品和成品產品是處于固體狀態，需要從一處輸送到另一處，固體物料的輸送要保證效率和維持物料的品質，通常有以下幾種輸送方法:帶式輸送、氣動輸送、斗式輸送和重力輸送等工藝。流體輸送則是利用泵或風機通過管道進行輸送。

2.3 在工業生產中，傳熱過程具有相當重要的地位

材料制備過程中，幾乎所有的化學反應過程都需要控制在一定的溫度下進行;反應物在進入反應器前常需加熱或冷卻到一定溫度，在過程進行中，由于反應物需要吸收或放出一定的熱量，故又要不斷地導入或移出熱量;許多設備或管道在高溫或低溫下操作，若要保證管路中輸送的流體能維持一定的溫度以及減少熱量損失，則需要保溫（或隔熱）。掌握熱量傳遞的基本原理，進行強化或削弱傳熱、傳熱設備的設計或選型，是一個材料工程師必需具備的基本素質。

2.4 原材料和產物的提純是材料制備中的基本操作

原材料和產品常常都是混合物，要制備合格的產品，常要進行混合物的分離。利用原物系中各組分間某種物性的差異，使其中某個組分（或某些組分）從一相轉移到另一相。物質在相間的轉移過程稱為物質傳遞過程。常見的傳質過程有蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附等單元操作。

2.5 其他

隨著科學技術的進步，計算機技術已經滲透到工程技術領域，工程技術和計算機輔助設計都已廣泛應用到材料工程技術中，材料工程基礎應引入材料計算軟件和工藝設計軟件基本知識以及應用這些軟件進行計算和設計的程序和方法。

3 結語

材料工程基礎應以材料生產過程中所共有的工程基礎問題即物料和能量衡算、物質輸送、傳熱理論和傳質理論為主要內容，同時結合最新的科技成果特別是計算機技術在材料工程中的應用，教授學生掌握計算機計算和設計的基本程序和方法。

參考文獻

[1]材料科學技術百科全書編輯委員會.材料科學技術百科全書[M].北京:中國大百科全書出版社，1995.

[2]文進，謝峻林.材料工程基礎課程改革與實踐[J].理工高教研究，2001，21(5):111～112.

[3]張春艷，楊明波，田中青，等.材料工程基礎課程建設探討與實踐[J].重慶科技學院學報(社會科學版)，2007(6):196～197.

①教改項目:同濟大學教改項目。