材料工程基礎課程優化設計及教學改革探索

趙志廣 瞿曉玲（韶關學院化學與土木工程學院，廣東韶關512005）

0 引言

材料工程基礎是材料科學領域的一門重要的基礎專業課程，旨在研究材料加工、生產、建造等過程中的動量理論，傳熱傳質等。材料工程基礎是無機金屬材料工程專業的核心基礎課，由于無機非金屬材料的組成、結構與性能千差萬別，易受原料、制備工藝等條件綜合影響。但是，由于該課程本質上是高度理論性的，并且與生產和加工的實際過程密切相關，因此相對于該課程的內容而言相對深奧、枯燥，這使學生難以理解和產生厭倦感。因此，本課程對于專業知識體系的系統構建具有橋梁作用，也是學生建立材料學基本理論與應用能力的重要基礎保障，該課程的教學質量與效果直接影響學生的專業素養與創新應用能力，對培養無機非金屬材料工程及相關專業學生的工程實踐能力具有無可代替的作用[1-2]。同時教學方式采用多元化，并對課堂進行科學性、人性化的管理。

1 材料工程基礎課程的教學現狀

1.1 課程教材設計迥異

目前各高校的材料學相關專業均設置材料工程基礎課程作為專業基礎或核心課程，但所用的教材卻千差萬別。例如：武漢理工大學出版的材料工程基礎以材料制備的“三傳一反”現象為主線，通過揭示動量、能量和質量傳遞的本質，介紹流體力學、傳熱學、傳質學等基礎理論知識，在此基礎上，結合物料干燥與燃料燃燒兩個應用，串聯整個知識結構。北京航空航天大學出版的材料工程基礎則廣泛介紹陶瓷、金屬以及有機高分子材料的成型過程中的原理、工藝以及技術，重點論述材料制備、材料加工、材料改性以及材料復合過程中的基本原理與工藝特點[3]。不同學校的材料工程基礎課程側重點不同，選用教材來源不同，教學內容也有差別，導致老師和學生在閱讀相關資料的過程中無所適從。

1.2 課程教學內容理論性強

針對本學院無機非金屬材料工程專業的發展特點，材料工程基礎課程主要涉及硅酸鹽材料，其制備過程中往往需要高溫煅燒，這其中動量、能量和質量三種傳遞現象是其主要過程，學習這三種現象的本質對于正確理解無機非金屬材料的制備原理具有重要意義。而這些現象一方面非常貼近工程實踐，另一方面在講解和學習過程中比較抽象，導致存在理論性強的特點。基本概念也繁多，理論知識龐雜，有些理論需要數學推導，對學生的數學基礎要求較高，導致學生學習興趣下降，學習難度增大。

1.3 章節知識點關聯薄弱

材料的種類繁多，涉及的制備工藝千差萬別，導致課程內容中知識點跨度非常大[4]。比如：第一章流體力學主要介紹流體流動過程中基本理論和規律，而第二章傳熱學主要介紹熱量傳遞的基本規律，二者之間雖然具有相似性，但是所遵循的具體理論與學習方法完全不同。這就導致學生在學習過程中學習不連貫、知識點掌握不牢固。另外，內容上的跨度大也會造成教學知識點繁多，且各知識點之間沒有明顯的關聯性，教學內容綜合性很強，因此需重新梳理知識體系，優化教學設計方法。

2 關鍵問題分析

根據材料工程基礎各章節內容的特點，教學內容設計上擬將教材中的章節內容進行模塊化整理、分類，主要包括動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞三個模塊以及應用模塊，如表1 所示。另外，材料工程基礎實驗及課程設計單獨設課，為實踐教學。

3 基于思維導圖與工程實例選擇性滲透的材料工程基礎課程優化設計及教學改革探索

在前期的探索基礎上，筆者對材料工程基礎課程中的眾多知識點進行有機關聯，在繼續沿用模塊化課程設計的基礎上，選取典型工程實例為主線，將不同的教學模塊進行整體串聯，有助于提高課程內部知識體系的邏輯性和關聯性[5]。具體來說，項目實施過程主要是同一模塊內部采取思維導圖方法對各個知識點進行有機整合和關聯，不同模塊之間通過工程實例進行整體串聯。

3.1 優化教學內容、凝練教學重點

根據本學院專業設置特點，結合本地就業特點與學生興趣，我們針對水泥、陶瓷、耐火材料等傳統硅酸鹽材料以及新型材料的制備工藝特征，我們的教學內容主要介紹硅酸鹽材料生產與應用過程中常見的流體（煙氣、空氣以及液體）流動問題、高效傳熱與換熱問題、燃燒理論與燃燒器等，從而形成切合實際的教學體系。

3.2 優化教學設計、強化教學效果

通過分析同一模塊以及模塊之間知識點之間的關聯性，構建課程內部的關聯模型，借助思維導圖的理念和工具，直觀地將知識點之間的關系圖呈現給學生。此外，無機非金屬材料制備全過程中往往涉及流體力學基礎、傳熱和傳質、燃料及燃燒等所有知識，因此，選取代表性的工程實例，結合課程背景及應用的講解，可以以具體的工程實例為主線，將不同模塊之間有機地串聯起來。

表1 材料工程基礎課程主要內容

3.3 改進教學方法

材料工程基礎是典型的應用型綜合性較強的學科，理論性較強，采用傳統的講授法（LBL）能充分發揮教師對學生進度的掌控，利于學生系統性的全面學習[6-7]。對于實踐綜合應用型章節，如燃料燃燒、物料干燥等，采用PBL 法進行教學，教師以應用背景為引導，5-6 個學生為一組，通過預先查資料，并及時交流討論，然后制成PPT 或相關材料，由一名學生講解同時回答提問。在各組學生講解結束后，教師根據情況對各個知識點和講解重難點進行點評和總結，培養學生的自學能力和應用能力。

3.4 豐富教學手段

教學手段的改革目的就是要提高課程教學內容的形象性、生動性和通俗易懂性，提高教與學的效率，提高教學質量。采用現代教育技術，形成課程結構的立體結構，集視聽、教案、習題、知識于一體。創造性地利用數值模擬（MATLAB、ANSYS）的方法，對流體力學、傳熱傳質現象進行全方位立體呈現，增強學生的視覺感，提高教學質量[8]。最終，設計和完善與課程配套的教案、習題、課件和視頻文件等多種教學資料。

4 結語

目前，材料工程基礎的相關教材及教學過程均將不同知識內容劃分為模塊，造成知識點之間以及不同知識模塊之間的關聯性降低。我們以提高學生的學習效果，激發學生的學習興趣為根本目標來優化材料工程基礎課程知識體系。以實用性較高的思維導圖模式，并結合典型工程案例，對課程知識內容進行整合、優化，結合先進的教學法，實現教師為主體和學生為主體的兩種教學模式相結合，打通理論課和實驗課鴻溝，實現理實一體化教學，為學生個性發展與素質和能力培養創設條件與環境。