應用型本科院校材料工程基礎教學改革探討

齊銘 王琛 王栓強 宋夢華 馬瑩

[摘 要] 材料工程基礎是材料類專業重要的一門專業基礎課，教學目的要讓學生掌握基本的專業知識，并能在此基礎上聯系生產實際，將所學的知識應用到實踐環節。作為一所新建應用型本科高校，考慮到學生的生源和教師教學經驗等實際情況，本文在教學內容，教學方法，實驗教學，教學考評體系等方面闡述了課程改革的思路，提出適用于我校實際情況的改革方案并進行探討。

[關鍵詞] 材料工程基礎;應用型;教學改革;探討

[基金項目] 2018年西安航空學院校級質量工程項目“《材料工程基礎》核心課程建設項目”（18ZLGC101）

[作者簡介] 齊 銘（1983—），男，遼寧沈陽人，博士，西安航空學院材料工程學院講師，研究方向為超導材料和粉末冶金;王 ?。?984—），女，山東德州人，博士，西安航空學院材料工程學院副教授，研究方向為材料制備與檢測。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0153-03? ? [收稿日期] 2019-08-30

材料科學基礎所要講授的內容包括晶體學、擴散、凝固、固態相變等，是從事材料工作的基本要求。需要研究材料的結構和性能的關系以及相關的科學問題。材料工程基礎所要研究的是工程應用方面的問題，工程是指將自然科學的理論應用到具體工農業生產部門中形成的各學科的總稱，是科學和數學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各結構、機器、產品、系統和過程，是以最短的時間和最少的人力、物力做出高效、可靠且對人類有用的東西。因此材料制備工藝制度的實現，以及在制備工程中的傳熱，傳質效率，節能減排等都是材料工程基礎所要解決的問題。前者偏重于理論，后者更傾向于在有了良好理論的基礎上培養如何搞科研的思想和方法，二者密不可分。

一、課程特點及現狀

材料工程基礎是高等學校材料科學與工程一級學科專業課程體系中一門重要的學科基礎課程?；靖拍罘彪s抽象，有的還涉及復雜的數學推演，在授課之前需要學生掌握并熟練應用高等數學，線性代數，材料科學基礎，大學物理，大學化學等基礎課的重要知識點。因此，在教學過程中要保證學生的學習積極性，防止學生因沒有掌握前序知識，而失去對本課程的學習興趣。

根據不同高校材料類專業的辦學特色，材料工程基礎的授課內容也各有不同，如安徽理工大學[1]選用孫晉濤教授編寫的《硅酸鹽工業熱工基礎》作為教材側重無機非金屬材料的制備技術。上海理工大學[2]選用了周美玲教授主編的《材料工程基礎》，授課學時32學時，僅介紹金屬、陶瓷、高分子材料以及其復合材料的制備過程，湖南大學[3]選用謝希文教授的《材料工程基礎》和徐德龍院士的《材料工程基礎》作為輔導教材，授課課時為64學時，將授課內容分為兩部分，既包括各種材料復雜的材料制備原理，也包括傳輸原理，授課內容多，難度大。

二、西安航空學院教學現狀

西安航空學院2012年由西安航空高等專科學校升格為本科，2013年在機械相關專業的基礎上獲批材料成型與控制工程專業，2014年獲批材料科學與工程專業，2016年14級的兩個材料類專業開設材料工程基礎課程，此后材料科學與工程專業取消該課程，材料成型與控制工程專業15-18級培養大綱中繼續開設該課程。根據我校目前辦學的實際情況，和將以金屬材料為主要特色的辦學規劃，我校的材料工程基礎課程制定了以介紹傳輸原理為主要授課內容，授課課時為48學時的培養方案，涉及傳輸原理的教材除了材料工程基礎，還包括以介紹流體流動、流體輸送機械、沉降與過濾、傳熱、吸收、蒸餾、干燥為主的化工原理[4] （P1-10），以介紹冶金過程動量、熱量和質量傳輸的基本概念、基本原理和規律為主的冶金傳輸原理[5]。

我們選用了徐德龍院士的《材料工程基礎》作為輔導教材，吳樹森教授的《材料加工冶金傳輸原理》為參考教材。作為一所以航空為特色的新建應用型本科高校，學校雖開有流體力學、傳熱學等介紹傳輸原理的相關課程，但是與材料專業所要求掌握的側重點不同，也就沒有適合材料專業的課程經驗的積累，如何找到適合本校生源情況和教學情況的教學方法，使學生理解并掌握材料的工程問題，一切都要從頭摸索。

三、西安航空學院改進措施

根據我校的生源和教師教學經驗等實際情況，在授課過程中不斷積累和總結經驗，彌補教學經驗的欠缺，提高學生的學習興趣和對知識點的接受能力，在教學內容，教學方法，實驗教學，教學考評體系等方面提出了適合我校材料專業材料工程基礎教學的改革措施。

（一）教學內容的改革

教學內容的改革以工程研究方法為核心內容。一是明確課程在專業中的地位，高屋建瓴地把握課程的知識脈絡;注重與前繼課程等相關課程的銜接，幫助學生理清學習思路，使學生達到較好的學習效果。二是在提高學生抽象、嚴密的邏輯推理的同時，注意與材料生產過程中實際案例的結合，將生產實際和生活中的實例引入到教學中，培養學生解決問題的能力。如飛機的氣動模型設計思路，熱處理中淬火劑的選取，散熱裝置的設計等。三是對知識單元做較科學的遴選，選取適合我校生源實際情況的知識點進行講授，對于數學推導難度大，影響因素多、不易理解的知識點進行簡化或不講授，如多元、非穩態的傳輸過程。利用生活中常見的相關案例解釋理論知識，結合生產，生活現象，力求使各知識點通俗易懂。

在流體力學的學習中，包含大量的公式和定理。計算分析流體運動的過程所包括的知識面廣，知識點間有緊密的聯系，內容枯燥難懂。授課內容以歐拉法為研究方法，流體質點為研究對象，通過對微元體的分析，建立描述流體運動的方程（連續方程和運動方程），從靜止流體到運動流體，從理想流體的運動到實際流體運動進行對比討論。教學過程中不僅需要注重基本概念的講解，而且特別關注方程的物理意義及其應用。對于復雜的公式推導要求學生理解思路，能自行建模并帶入相應物理定律，能用數學表達式列出方程。為了解材料工程中動量、能量和質量傳遞規律奠定基礎。

通過傳熱學基礎的教學使學生掌握傳熱現象的基本概念、基本規律，了解實際工程中影響傳熱效果的主要因素以及有關物理量之間的內在聯系。通過建立熱阻的概念，采用傳熱網絡分析方法進行傳熱問題的分析討論。教學過程中，結合實際生活和典型的工程應用中換熱問題，加深對傳熱基本規律的理解和應用。類比傳熱過程與動量傳遞的關系，學生能分析傳熱過程中涉及的各項傳遞機理，能用數學表達式列出方程。為解決實際工程中傳熱問題提供良好的理論基礎。

質量傳遞的教學使學生了解傳導傳質、對流傳質中分子擴散規律。在教學過程把這部分內容與動量傳遞、熱量傳遞的內容進行關聯，利用學過的知識自行推導相應的傳遞方程，使學生了解三種傳遞過程的相似性及其應用方法。

（二）教學方法的改革

采用多層次的立體教學模式，緊密與現代化的教學手段相結合，在課堂教學過程中，將板書、多媒體、雨課堂相結合。成立了五人的教學團隊，根據每名教師的學術背景和授課經驗進行分工，分別承擔流體力學，傳熱學和傳質學三個方向的授課任務，開展材料工程基礎課堂教學改革實踐與探索。通過通識教育和信息技術的結合幫助學生理解和掌握該課程所要求的知識點。

1.課堂教學

課堂教學實施教書與育人相結合的方式，課堂形式靈活，講授中主要以啟發引導為主，輔助課堂討論和專題報告，幫助學生更好地理解。通過板書的展示，強調重要的知識點，理清知識脈絡，幫助學生理解物理模型的建立和方程的推導過程。

2.多媒體教學手段

多媒體課件中展示教學內容和與知識點相關的生產生活實例。教師可以用多媒體進行講解并演示動態傳輸過程。

3.網絡教學手段

本課程的教學大綱、課件等在雨課堂的App上發布，學生可在課堂上下載，課后也可以了解各章節主要知識，復習鞏固所學知識，學生隨堂作業也通過App當堂提交給老師。

4.課后練習手段

每章學完了基本理論后，所有需要掌握的知識點都給出一定量的課后習題作為練習，加深同學對課程內容的理解和掌握。

5.完善課程設計，畢業設計的實施過程

鼓勵學生在課程結束后利用學校已有的設備條件和項目資金，設計、改進傳輸實驗裝置。

（三）實驗教學

目前我們開設的材料工程基礎課中包括三種傳輸過程，但缺少相應的實驗教具。圍繞工科院校學生工程實踐能力培養的目標、指導學生通過設計相關的實驗裝置，為材料工程基礎的教學提供簡單可行的實驗教學裝置，將理論知識運用到實踐中，相關的實驗演示可以激發學習興趣，促進對傳遞相關原理和公式的理解和記憶，將課堂中的理論知識應用到解決實際生產或生活中可能遇到的問題。學生在學習理論知識的基礎上，結合學校，學院可以提供的場地，設施等條件，親自設計，制造，應用，改進教學裝置。鼓勵學生積極參加大學生創新創業、互聯網+、挑戰杯等一系列創新訓練實驗項目。推進基于成果導向教育（outcome-based education）的工科學生工程實踐能力培養，指導教學改革實踐。

（四）建立新的教學考評體系

我們在考核過程中，以OBE為導向，以工程認證為標準，轉變教學評價觀，將評價考核由知識點考察轉變為素質和能力考察。改革考試形式，引導學生理論聯系實際，激發學生的創新能力和系統設計能力。課程的成績由課堂討論成績（10分）+作業成績（10分）+論文成績（20分）+課程理論考試成績（60分）構成（理論考試成績由開卷考試20分和閉卷40分組成，其中對于需要選用復雜計算公式的應用題目進行開卷考試，由學生自行分析選取適用的公式，基本概念類的知識點進行閉卷考試，采用流水閱卷形式核算得分）。

四、改革成效

動量、能量和質量的傳輸現象是我們日常生活和工業生產中普遍存在的現象。我們在授課過程中密切結合學生所熟悉的生活和生產的實際，認識和研究傳輸現象的主要特征和基本規律，從而使認識得到升華，使理解更加透徹。鼓勵學生將所學的傳輸理論轉化為實際應用。學生申報大學生創新創業訓練項目，設計并組裝流體流動阻力系數測試裝置，通過調試改進，已經應用到流體力學的實驗教學中。根據學過的傳熱學知識，學生申報畢業設計題目《實驗室用小型真空退火爐設計》，其中真空退火爐中保溫系統的設計應用到傳熱學中的輻射，對流，傳導傳熱知識點，如圖1，2所示。

四、結束語

我校是省屬應用型院校，培養學生具有良好的科學素養和文化修養，接受從事研究與應用的基本訓練，受到良好的科學思維和科學實驗的基本訓練，系統地、較好地掌握材料科學與工程專業的基本理論、基本知識和基本技能與方法。初步了解學科當前的發展現狀和未來的發展趨勢，為未來在材料科學領域，從事一般研究、應用與開發或深造提供一個開展工作的堅實的專業知識基礎是我們的人才培養目標。

通過對我校三屆學生的授課改革實踐，該課程在講授過程中盡量減少理論推導過程和數學、物理等基礎學科的應用。在教學中要高度重視學生觀察事物現象、分析現象本質及其各影響因素之間的相互關系，抓住主要矛盾并簡化定解問題，靈活運用解析解、相似法、類比法等分析和處理問題的思路和能力的培養。計劃在2年內做好材料工程基礎教學講義的編制，以及課程設計書、配套的習題解，做好教材的立體化開發。在講義的基礎上編撰適合本校學生的教材。

參考文獻

[1]胡標，徐子芳.材料工程基礎課程理論與實踐教學探討[J].教育教學論壇，2015（52）：171-172.

[2]何代華，劉新寬，李偉.“材料工程基礎”課程教學改革探討[J].上海理工大學學報（社會科學版），2017（4）：388-391.

[3]楊建校，肖漢寧，陳石林，等.《材料工程基礎》課程教學的思考[J].教育教學論壇，2019（21）：209-211.

[4]王志魁.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2018.

[5]張先棹.冶金傳輸原理[M].北京：冶金工業出版社，1991.