無機非金屬材料專業(yè)工程設計訓練的改革與實踐

何峰 謝峻林 文進 姜洪舟 楊虎

[摘 要]“工程設計訓練”是無機非金屬材料工程專業(yè)方向的實訓課程。課程旨在提高學生的綜合素質，及參與工程設計的能力。針對不同材料制備過程中的熱工設備及相應工藝條件，進行熱工設備的設計計算與結構圖繪制。通過本課程設計，初步掌握材料生產過程中熱工設備設計的基本方法和步驟，對學生進行基本工程設計能力和工程表達能力的訓練，提高學生的綜合工程設計素養(yǎng)。通過在設計過程中對經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全等因素的綜合考慮，對企業(yè)和行業(yè)相關方針政策的了解，培養(yǎng)學生工程意識。

[關鍵詞]無機非金屬材料工程;工程設計;改革與實踐

[基金項目]2018年教育部產學合作協(xié)同育人項目“新工科背景下材料類專業(yè)BIM人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（201802039001）

[作者簡介]何 峰（1965—），男，重慶人，博士，無機非金屬材料工程系主任，武漢理工大學教授，博士生導師，主要從事無機非金屬材料的研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-04[收稿日期] 2020-05-14

一、無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練課程開設的意義

我國經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)進入新常態(tài)，與之相對應提出了“中國制造2025”[1]。隨著“創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本”基本方針的深化，到2025年我國制造業(yè)將邁入制造強國行列[2]。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。若沒有強大的制造業(yè)，則就沒有國家和民族的強盛。材料行業(yè)作為制造業(yè)中的基礎行業(yè)之一，也將在“中國制造2025”的行動中得以迅猛而健康的發(fā)展。在此過程中，對工程素養(yǎng)高的工程技術人的需求也將大幅度增長，培養(yǎng)符合“中國制造2025”需要的后備人才已勢在必行。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。無機非金屬材料品種繁多、用途各異，在國民經(jīng)濟建設與發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用[3]。

由于無機非金屬材料工業(yè)所用原料的穩(wěn)定性和耐高溫性，要使它們相互反應而生成新的高度穩(wěn)定的物質或使其形成熔融體，必須要在較高的溫度下進行（一般都在1200℃以上），因此，大部分無機非金屬材料生產都有加熱過程，而且是整個生產的核心過程，一般都在用耐火材料砌筑的窯爐中進行。盡管不同產品的加熱方式和目的有所不同。但是，加熱過程中所遵循的基本原理卻是相同的（例如，熱的傳遞;氣體的流動;物質的傳遞;熔體、氣體對爐體的侵蝕;氣氛的影響等）。在此過程中，加熱所需的熱量通常來自燃料的燃燒。因此，燃料的品種和質量、燃燒的條件等，直接影響到溫度及其均勻性，以及燃料的消耗量。能否合理地組織燃料燃燒過程，是決定產品質量、產量和成本的主要因素。此外，燃料燃燒產生的廢氣和煙塵，將對環(huán)境產生較大的污染，也應給予充分的重視。由此可見，在此過程中屬于無機非金屬材料制備過程中的復雜工程問題。

材料科學與工程及其相關專業(yè)與工程實際結合密切，要求其所培養(yǎng)的學生具有較強的工程實踐能力，最終要為解決生產實際中的工程問題服務。在先期修完“工程圖學”“材料工程基礎”“熱工設備”“無機非金屬材料工學”等課程的基礎上，圍繞“解決復雜工程問題”這一畢業(yè)要求，組織工程設計訓練的相關教學內容。“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練”，將理論知識與解決實際工程問題相結合，以設計型問題為引領，剖析典型無機非金屬材料生產過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設計，體會開發(fā)設計的思路與過程。開設“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練”，對學生進行相關工程訓練，提高工程素養(yǎng)與解決復雜工程問題的能力，其意義不言而喻。

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練，很好地將理論知識與過程實際相結合，為學生提供了一個將理論應用于實踐的學習平臺。通過學生的系統(tǒng)訓練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)與解決復雜工程問題的能力。

二、無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練教學基本目標

“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練”，通過具體的設計選題，學生可以進行模仿練習，從中學習他人解決工程實際問題的思路和方法。學生經(jīng)過一定時間的訓練，其工程素養(yǎng)會顯著提高。

本課程的具體教學目標如下：（1）學會材料生產中熱工設備的設計程序和計算方法，了解改善熱工設備及熱工過程操作條件的基本方法;學會系統(tǒng)和全面思考工程問題的方法，具備綜合運用知識分析解決復雜問題的基本能力。（2）根據(jù)“工程設計任務書”的要求，能夠進行熱工設備的結構設計計算、燃燒計算和熱平衡計算，繪制所設計設備（熱工單元）的三視圖;掌握一定工程表達能力和基本工程設計能力，具備參與工程設計的初步能力。（3）能夠在設計過程中考慮局部參數(shù)對整體設計的影響，并考慮相關經(jīng)濟、環(huán)境和安全等因素;提高綜合分析和解決問題的能力，培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力;了解初步的工程設計過程，掌握初步的工程設計方法。

三、無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練的前期知識與技能要求

無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練，屬于重要的實踐訓練環(huán)節(jié)，過程復雜、難度大、環(huán)節(jié)多，在課程前期需要掌握較為全面的專業(yè)理論知識與相關制度技能。本專業(yè)的學生需要在先期修完“工程圖學”“材料工程基礎”“熱工設備”“無機非金屬材料工學”等課程，在初步掌握相關工程設計軟件（Auto CAD，BIM）的基礎上，進行工程設計訓練。

“工程圖學”課程，是研究工程與產品信息表達、交流與傳遞的學科。“工程圖樣”是工程與產品信息的載體，是工程界表達、交流技術思想的語言。在工程設計中，“工程圖樣”作為構思、設計與制造中工程與產品信息的定義、表達和傳遞的主要媒介[4]。

“材料工程基礎”課程，是無機非金屬材料工程專業(yè)的一門重要的學科基礎課程。圍繞材料生產過程主要涉及的工程理論，通過各個教學環(huán)節(jié)，使學生掌握材料工程的基本概念、基本理論和基本計算技能。通過學習本課程和進行相關內容的工程設計訓練，能夠掌握材料生產過程中相關的工程理論基本知識，從而具備一定的工程研究能力。本課程的教學，在傳授知識的同時，逐步培養(yǎng)學生具有思維能力、自學能力、獨立分析問題和解決問題的能力和綜合運用所學知識去分析和解決復雜問題的能力[5]。

“熱工設備”課程，是為無機非金屬材料領域內的熱工設備設計、生產操作，科研活動而服務的，其最大特點在于理論聯(lián)系實際，所以其涉及的知識面較為寬廣。本課程也緊跟“節(jié)能減排”的時代要求，而且能夠將理論知識與科技進步相結合、書本知識與生產實踐相結合來組織相關的教學內容。

“無機非金屬材料工學”課程，是“無機非金屬材料工程專業(yè)”及“材料科學與工程專業(yè)”的主干課程。它包括水泥、玻璃、陶瓷、氣硬性膠凝材料、混凝土、耐火材料、人工晶體等無機非金屬材料。本課程著重介紹無機非金屬材料生產和制造過程中的共性規(guī)律，以單元操作為特色而全面系統(tǒng)地介紹有關無機非金屬材料產品的組成、生產工藝原理、生產裝備的結構與性能和應用，以及無機非金屬材料工業(yè)的環(huán)境污染防治[6]。

以上課程中的相關基礎理論、工藝原理、技術方法等內容，都會對“無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練”課程起到知識點的支撐作用。

四、與工程設計訓練相關的教學改革

（一）與工程設計訓練相關的理論教學改革

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練與工程實際密切相關，最終要為解決生產實際中的工程問題服務。在理論教學中，教師系統(tǒng)地講授了書本知識與相關知識點，如何將理論知識更加有效地與生產實際相聯(lián)系，則需要學生利用工程設計訓練將掌握材料熱工工程的基本原理與典型無機非金屬材料生產過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設計相結合，體會開發(fā)設計的思路與過程。

從以往我校的無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練情況看，學生在面對典型無機非金屬材料生產過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計算與設計等實際工程問題時，仍然存在無從下手，理論知識應用能力較差等問題。就工程設計訓練實操過程而言，學生普遍感到所學的理論抽象，工程問題較多，如何將抽象的理論具體化、圖形化，實現(xiàn)理論與工程問題相結合是教學實踐的重點，意義重大。另外，不少學生認為無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練是大學中最難學習的實踐實訓課程之一，形容完成這一過程是在“煎熬”中度過的。為此，我們開展了圍繞“解決工程問題”組織理論教學的方法。教學中講清基本概念、基本理論后，重點介紹理論知識在解決實際工程問題中的應用，突出工程設計意識和方法的訓練，以設計型問題為引領，剖析典型無機非金屬材料生產過程中工業(yè)熱工單元的開發(fā)設計思路。

另外，在相關的教學過程中，盡可能多地增加工程問題、工程設計案例分析。通過具體案例講解、查閱相關文獻資料，學習他人解決復雜工程問題的思路和方法，培養(yǎng)學生的工程觀點。

（二）充實工程設計訓練指導教師隊伍

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練與工程實際密切相關，對參與指導的教師要求越來越高。首先，要求參與工程設計訓練的老師自身具有工程經(jīng)歷與素養(yǎng)，參與過實際的工程設計，對工程設計的過程熟悉。其次，對本專業(yè)學生在工程設計中容易出現(xiàn)的問題非常了解。再次，指導教師熟悉與無機非金屬材料相關的技術標準、知識產權、產業(yè)政策和法律法規(guī)，了解企業(yè)質量管理體系，并將以上內容自覺、有效地落實到工程設計訓練的教學活動中。

專業(yè)在充實工程設計訓練指導教師隊伍方面主要開展了兩個方面的工作，一是，形成無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練課程團隊，形成具有老、中、青相結合的師資隊伍。有能力、資格工程設計訓練與開設班級數(shù)量的比例為1.6∶1。二是，通過采取外聘相關行業(yè)設計院的工程技術人員來校參與指導本專業(yè)學生的工程設計訓練。三是，委派青年指導教師去相關行業(yè)設計院參與相關工程設計，以提升其工程經(jīng)歷與素養(yǎng)。通過相關實踐取得了較好的效果。

（三）保持專業(yè)與課程特色，注重工程設計訓練過程質量把控

我校的特色，在于針對不同無機非金屬材料生產過程中的熱工設備及相應工藝條件，進行典型熱工設備的設計、計算與結構圖繪制。通過本課程的設計訓練，初步掌握無機非金屬材料生產過程中熱工設備設計的基本方法和步驟，對學生進行基本工程設計能力、工程表達能力和現(xiàn)代繪圖軟件使用的訓練，提高學生的綜合素質，具備參與工程設計的能力。通過在設計過程中對技術、經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全等因素的綜合考慮，以及對行業(yè)和企業(yè)中的相關政策法規(guī)的學習，培養(yǎng)學生的工程意識和素養(yǎng)。

針對材料的不同產品對象而確定不同的工藝條件，確定設計的具體選題，做到一人一題。在設計過程中，注重引導學生綜合運用課程理論教學中的理論知識和相關工藝知識，培養(yǎng)學生的自主能力、創(chuàng)新意識和解決復雜工程問題的能力。

對于工程設計訓練過程的質量把控比其結果把控更加現(xiàn)實、有效。只有當工程設計訓練過程中的各階段的質量做到被控制后，學生才會對工程設計訓練有所體會，對工程設計能力、工程表達方法有切身體會與掌握。在我校無機非金屬材料工程專業(yè)工程設計訓練的過程中，通過多年的探索，我們發(fā)現(xiàn)將工程設計訓練過程順序，有機切分成四個可以考核的階段是非常有效的，只有當前一個訓練內容完成并達到基本要求時才能夠進入下一個階段的訓練。

1.學生領取工程設計訓練設計任務書與初步設計階段，根據(jù)一人一題的原則，對設計任務書的內容對相關知識點進行回顧，講解設計中的難點，設計與計算的內容、方法，以及相關注意事項。提出工程設計訓練的內容要求、設計規(guī)范及時間節(jié)點要求，并且按時間節(jié)點要求進行相應的考核。要求同一個班級按同步的時間節(jié)點完成相關內容。

2.典型熱工單元的結構與方案確定、草圖繪制階段，根據(jù)工程設計訓練設計任務書的要求，學生進行相關的資料組織、熱工計算、結構設計與參數(shù)確定。主要內容包括：（1）對相關設備的工藝、結構特點、主要指標確定的依據(jù)等，同時了解行業(yè)企業(yè)在環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等方面的方針政策。（2）燃料燃燒的計算，對燃料的理論空氣量與實際空氣量、理論煙氣量與實際煙氣量、燃燒溫度等相關參數(shù)進行計算。（3）結構設計計算：對設備的主要結構進行設計計算，確定主要結構形式和尺寸，對主要耐火材料進行科學選擇。（4）窯體表面散熱的計算，對窯體表面散熱進行計算，對絕熱或隔熱材料進行設計和選擇。在材料設計和選擇中，要考慮經(jīng)濟、環(huán)境和健康等方面因素。（5）進行熱平衡的計算確定適當?shù)捏w系并進行熱量平衡的計算，以確定相應參數(shù)。對主要經(jīng)濟技術指標進行計算，包括對設備的熱力強度、熱效率等進行計算。（6）分析討論，對所設計的設備進行結構、性能等方面進行分析和評價。（7）可根據(jù)指導教師的提問，向其準確表達局部結構的設計思想與具體的設計參數(shù)，較為準確地繪制出局部結構草圖，用圖形表達設計思想與局部單元結構。

3.正式圖紙繪制、說明書撰寫階段，在典型熱工單元的結構與方案確定、草圖繪制階段考察通過以后，利用相關工程設計軟件（Auto CAD，BIM）進行正式圖紙繪制，將所設計的典型熱工單元熱工裝備以三視圖的形式表達出來。圖紙的基本要求為，對設計的內容與結構表達清晰，圖紙布局合理，線型應用準確。說明書的撰寫對內容表達清楚，內容完整，計算設計參數(shù)正確，寫作層次分明，條例清楚。

4.綜合答辯階段，學生完成工程設計訓練的前三個階段之后，需要對自己的設計作品進行展示，介紹自己的設計內容，接受指導教師的提問，以考查學生工程素養(yǎng)與綜合能力。

以上四個階段中的2～4階段分別安排一定的分值，進行相應考察（見下表）。

五、結語

無機非金屬材料工程專業(yè)的工程設計訓練，很好地將理論知識與過程實際相結合，為學生提供了一個將理論應用于實踐的學習平臺。我們進行的一系列加強工程設計訓練的教學改革，通過學生的系統(tǒng)訓練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)與解決復雜工程問題的能力。工程設計訓練屬于難度很大的實踐教學環(huán)節(jié)，指導教師在技術層面對學生進行輔導，在心理層面對學生進行安慰，深受廣大學生的歡迎和積極參與，取得了良好的教學效果。

參考文獻

[1]武培鋒.創(chuàng)需引領未來[M].北京：現(xiàn)代出版社，2016：2.

[2]周蘇，王碩蘋，等.創(chuàng)新思維與方法[M].北京：中國鐵道出版社，2016：6.

[3]謝峻林，何峰，顧少軒，等.無機非金屬材料工學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：28.

[4]高金蓮.工程圖學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015：59.

[5]徐德龍.謝峻林.材料工程基礎[M].武漢：武漢理工大學出版社，2008：67.

[6]姜洪舟.無機非金屬材料熱工設備[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011：46.

Reform and Practice of Engineering Design Training in the Field of Inorganic Non-metallic Materials

HE Feng， XIE Jun-lin， WEN Jin， JIANG Hong-zhou， YANG Hu

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology，

Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Engineering Design Training is a practical training course in the field of inorganic non-metallic materials engineering. The purpose of the course is to improve the comprehensive quality of students and their ability to participate in engineering design. According to the thermal equipment and the corresponding technological conditions in the preparation of different materials， the design calculation and structure drawing of the thermal equipment are carried out. Through the design of this course， the students can master the basic methods and steps of thermal equipment design in the process of material production， train the students' basic engineering design ability and engineering expression ability， and improve the students' comprehensive engineering design literacy. Through comprehensive consideration of economic， environmental， legal， security and other factors in the design process and understanding the policies related to enterprises and industries students' awareness of engineering is to be cultivated.

Key words： inorganic non-metallic materials engineering; engineering design; reform and practice