材料工程基礎省級精品課程實踐教學平臺建設

陳 杰，陸樹河，廉曉慶，王志華

(西安科技大學 材料科學與工程學院，西安 710054)

0 引 言

材料工程基礎是材料類專業的學科基礎課，以注重加強材料工程基礎理論與培養工程實踐能力相結合為目標，探討材料制造和加工過程中動量、熱量和質量傳遞、干燥和燃料燃燒的基礎理論課程，是材料學科創新創業型人才培養的重要課程之一[1-3]。

實驗實踐環節是材料工程基礎課程的重要組成部分，是學生理解理論教學重點和難點的主要方式，是培養學生材料工程實踐與創新能力的重要途徑[4-5]。然而，教學中面臨幾點問題：①校內實踐教學環節改革與建設滯后，缺乏系統化與科學化，實驗儀器設備臺套數不足，學生無法將所學理論知識與實際生產快速結合；②校外實踐教學基地建設落地難，工業現場走馬觀花，多以參觀為主，實際工程訓練嚴重不足。

2015年起,在省級精品資源共享課程以及校級精品課程的資助下，開展了材料工程基礎課程實踐教學平臺建設，構建了材料工程基礎課程專業實驗、傳熱傳質仿真模擬實驗、校內材料合成中試實驗、校外產學研共建實習基地的一體化實踐教學平臺，為材料工程基礎省級精品課程建設以及創新型人才培養進行了有益的研究與探索。

1 校內實踐教學平臺建設與實踐

1.1 專業實踐教學開放平臺

(1)實驗教材建設。材料工程基礎課程主要研究材料領域內的各種材料及其制品加工的基礎共性規律，涉及流體力學、傳熱、傳質、干燥、燃料燃燒等5大部分，為了滿足學生對材料工程基礎理論的全面系統地掌握與理解，有效地培養學生的創新能力和動手能力，為學生進一步的專業課學習與實踐打下良好、扎實的基礎，總結多年教學實踐經驗，2010年在西北工業大學出版社出版了《無機材料科學與工程基礎實驗》教材，本書緊扣理論教學中的知識點，系統地介紹了材料工程基礎領域相關的基礎理論實驗，著重介紹了實驗設計原理、實驗研究方法、實驗數據處理等，主要包括絕熱材料導熱系數測定、松散材料導熱系數測定、管道流體阻力的測定等設計型實驗，干燥動力學實驗、綜合傳熱系數等綜合性實驗等14個實驗[6]。突出實驗內容之間的邏輯性、設計性、實際應用性。該教材被評為“第一屆全國煤炭高等教育優秀教材”。

(2)開放實驗平臺。高等學校實踐教學體系改革的重要內容是開放性實驗平臺的建設。開放實驗室對強化學生的基本技能和動手能力，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，促進學生創新意識、合作精神的協調發展，激發學生的科學探索精神具有十分重要的意義[7-9]。在材料工程基礎的實驗教學中，以陜西省礦物材料實驗教學示范中心為基礎，為學生構建了開放式的實驗教學平臺。依據實驗室所具備的實驗測試設備情況，在學生對實驗設備的特點和使用方法有充分了解的前提下，給定學生不同種類的材料或器件，提出測試要求，學生則根據所學知識并查閱相關資料，制定出實驗方案，在教師引導下進行討論、修改和完善，最后由學生自主完成實驗操作、實驗數據整理與分析等全過程。例如，學生可根據材料工程基礎理論，自行設計材料導熱系數測定的實驗方案、設計并制作簡單的材料合成爐、自主選擇并購買保溫材料等，自主選擇時間，在實驗教師的指導下開展實驗。通過以上方式，學生們加深了對課堂所學理論知識的理解，實驗動手能力和創新意識得到了提高。

1.2 傳熱傳質仿真模擬實踐教學平臺

材料合成尤其是無機材料大多在1 000 ℃以上的高溫下制備，動量傳遞、熱量傳遞以及質量傳遞始終貫穿在材料的制備中，嚴重影響材料制備的質量、效率、成本及環保。數值模擬是研究熱量傳遞和質量傳遞的重要手段[10-12]。培養學生了解和掌握ANSYS、FLUENT等數值計算軟件的應用很有必要。2016年建立了材料數值模擬仿真實驗室，利用現有商用軟件平臺，將大型數值計算軟件ANSYS、FLUENT引入傳熱、傳質教學。式(1)～(4)為學生通過傳熱分析，依據材料工程基礎理論與碳化硅合成條件建立的碳化硅合成爐的數學模型，圖1為幾何模型，圖2為學生對碳化硅合成爐中溫度場模擬結果。

(1)

初始條件：

T(x,y)|t=o=T環

(2)

外邊界條件：

(3)

內邊界條件：

(4)

式中:w0為熱流密度，b和h為熱源的寬和高，T1，T2，…Tn為實驗所測爐體表面各點溫度，T環為當時當地的環境溫度。

圖1 碳化硅合成爐邊界條件

圖2 合成爐內不同合成時間下的溫度場(℃)

通過開展材料計算仿真實驗，學生不但能夠掌握溫度場、濃度場、熱流密度、溫度梯度等基本概念和等溫線運移情況，并且了解了建立傳熱傳質數學模型對解決實際工程問題的重要價值與意義，對抽象、枯燥的數學傳輸方程有了新的認識，激發了學習興趣，取得了很好的教學效果，對今后解決工作中出現的復雜工程問題大有裨益。

1.3 中試實驗教學平臺

以學校礦物加工工程和機械工程材料博士點、材料科學與工程一級學科碩士點為依托，以無機非金屬材料工程、金屬材料工程、高分子材料工程和化學工程與工藝專業等為基礎建設的陜西省硅鎂材料工程中心，是國內首家以煤炭和礦物原料為主要資源進行硅類材料、鎂類材料和復合材料及其生產工藝技術研發、孵化、中試及工業性實驗的專業研究機構。以此為平臺，開展綜合性和實踐性強的現場教學，取得了明顯成效。例如利用工程中心的碳化硅高溫中試爐進行現場實踐教學，使學生充分認識到實際生產中的熱量傳遞、質量傳遞現象，以及實際生產中如何強化有益傳熱、削弱有害傳熱的措施。解決了學生工程能力訓練所需的校內實踐平臺缺失，工程創新和工程應用創業實踐場地、儀器設備嚴重不足的問題，為材料工程基礎創新人才的培養提供了優質資源。

2 校外實踐實習基地教學平臺

校外實踐實習教學基地是連接學校和社會的橋梁[13-15]。通過校外企業的實踐教學環節，學生進一步了解社會，認識企業，將材料工程基礎課程中的工程基礎理論及基礎知識與工程實踐結合起來，并在實踐中將材料工程專業知識轉化為具體的實踐技能。

然而，我國大部分企業現代化程度高、技術保密性強，場地以及環境要求嚴格，很難一次性長時間的大規模接待學生進行實踐訓練，影響了校外實踐教學的質量，不能滿足創新型人才培養的需求。為此，以校企科研聯盟為切入點，以產學研合作為基礎，本著優勢互補、資源共享、互惠互利、共同發展的原則，構建集科技服務、實踐教學及人才培養為一體的產學研基地平臺，形成了校企雙方產學研合作的良好格局。目前我院已與陜西渭南新秦金屬鎂有限公司、陜西省有色金屬控股公司、南玻集團、西安博爾新材料有限責任公司等單位建立了長期、緊密的校企合作關系，為材料工程基礎省級精品資源共享課程的實習、實訓提供了空間。

3 結 語

材料工程基礎精品課程實踐教學平臺的建設，通過構建材料工程基礎課程專業實驗開放平臺、傳熱傳質仿真模擬實驗平臺、校內材料合成中試實驗、校外產學研共建實習基地的一體化實踐教學平臺，大幅提高了學生對材料工程基礎理論及基礎知識的理解以及材料工程實踐能力與創新能力的培養，取得了良好的成績，我院學生先后獲得第三屆“互聯網+”大學生創新創業大賽全國銅獎，陜西省金獎，教育部主辦的第一屆和第二屆全國高校無機非金屬材料基礎知識競賽二、三等獎。并獲得多項國家級和省級的大學生創新創業訓練計劃項目。