新工科背景下《材料工程基礎》課程的審視與幾點思考

趙國營 吳丹丹 申慧 江國健

【摘要】《材料工程基礎》是材料類專業的一門專業核心基礎課程，主要講授材料在加工、生產、制造等環節遇到的質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞等工程實際內容。本文在“新工科”專業建設背景下，重新審視了我校該課程的授課內容和授課形式，并對存在的問題提出了幾點思考和建議，希望為“新工科”課程建設提供參考與借鑒。

【關鍵詞】材料工程基礎? 新工科? 研討

【基金項目】上海市屬高校應用型本科“材料科學與工程（建筑節能材料）”試點專業建設項目（編號：4521ZK 190008001）;上海應用技術大學《材料性能》校企合作課程建設項目。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）35-0197-02

上海應用技術大學材料物理（光電材料）專業于2011年根據“培養新興產業急需人才”的目的和宗旨獲批設立招生。緊密圍繞國家和上海市重點發展的光電產業，培養具有一定工程技術能力的應用型人才，聚焦領域包括發光與顯示材料、激光材料、半導體材料、磁性材料、新能源材料與光催化材料等。經過十年的發展，已經形成學校特色鮮明的品牌專業。

依據學校高水平應用創新型大學的發展定位，參照教育部發布的材料類教學質量國家標準，我校材料物理專業于本年度面向大三下學期學生開設《材料工程基礎》課程。授課內容以質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞為主線，統領材料在加工制備環節遇到的流體運動、熱量導入、兩相反應、揮發與干燥、燃料燃燒等基本形式。2016年，“新工科（Emerging Engineering Education，3E）”基于國家發展戰略新需求首次被提出[1]。經過全國多所工科高校近5年的建設與發展，如今已呈現蓬勃之勢。盡管新工科建設在各高校取得了一些成果，并逐漸有新的學校在嘗試，然而對應時代發展變化的系統性工程，新工科課程體系建設從提出、發展到成熟不是一蹴而就的，也沒有成熟的模式可以照搬。這樣，各高校開展新工科課程改革就具有明顯的因地制宜屬性。

在新工科建設的大背景下，針對《材料工程基礎》的課程內容和授課形式，在充分融合知識性、時效性、交叉性、信息化等改革思路的前提下，結合我校培養一流創新型應用技術人才的發展定位，本年度我們對《材料工程基礎》的授課內容和授課形式進行了一系列的改革舉措，希望能夠為材料物理專業的新工科課程體系建設提供經驗和借鑒。

一、《材料工程基礎》在材料物理專業課程體系中的定位

《材料工程基礎》是面向材料物理專業開設的一門重要的專業基礎課程，它的各個知識模塊之間銜接程度較差，彼此相互獨立，因此知識的連貫性差導致學生在學習過程中需要及時的切換研究對象和學習方法。本門課程根據生產實際，加入了大量的經驗公式，因此在授課過程中有大段的公式函數推導過程，數學運算符號多，推導過程復雜晦澀，且部分的函數運算在高等數學和矩陣論中并沒有提及，因此需要向學生先行講解函數符號意義和運算方法。同時，必須認識到《材料工程基礎》課程是融合了工業生產中最常見的流體、導熱、傳質、干燥、燃燒等現象，對于基本想象的理解和把握決定了學生工程實踐的能力，是應用型創新人才培養的內在要求，不能因為晦澀難懂、錯綜繁冗而降低學習要求。

二、現行課程內容和授課形式存在的問題

1.各學校本門課程的授課內容和側重點差異大

《材料工程基礎》被教育部材料專業質量標準寫入課程體系中，因此面向大多數材料類課程均開設了本門課程。在各個高校，材料類專業的培養方向具有顯著差異，有的高校聚焦金屬材料、有的側重于無機材料、有的側重于高分子材料。因此導致本門課程的授課內容也變得差異較大。根據授課內容的側重點不同，授課教師選用的教材千差萬別，比較多被采用的是孫晉濤教授編寫的《硅酸鹽工業熱工基礎》、周美玲教授主編的《材料工程基礎》、徐德龍院士的《材料工程基礎》。

2.公式多、推導多、定理多、模型多，理論性強

本門課程的前期基礎課程包括《高等數學》《線性代數》《材料科學基礎》《物理化學》等。只有在這些知識扎實掌握基礎上，才能夠進一步加深對于本門課程中對于公式推導的理解。而對于前期基礎不扎實的學生，顯然是加重了對公式推導的抵觸心理。限于課程所涵蓋知識點的多面性，公式推導、模型演繹在不同的板塊均有涉及，這樣學生的學習的積極性被反復打擊，造成教學效果欠佳。

3.知識點內容模塊化，各章節關聯性差

我們以徐德龍院士主編的《材料工程基礎》為例闡述，授課內容主要講授基本的“三傳一反”內容，擴展之后包括流體力學、兩相運動、傳熱學、質量傳遞、物料干燥、燃燒等內容，每個部分都是獨立的內容，研究對象都具有明顯的差異性，且教學重點也有著明顯不同，因此各個章節知識體系連接性較差，這導致學生在學習的時候學習內容碎片化，理解和記憶的難度增加。

三、新工科背景下本門課程建設的構想

2011年，上海應用技術大學（時稱上海應用技術學院）立足學校發展目標，根據服務長三角區域發展的自身地位，緊跟時代潮流與高端制造業，開設了材料物理專業，并以光電材料為發展特色。十年來，已有近千人從這里畢業走向社會崗位。與此同時，材料物理專業的人才培養方案與課程大綱幾經修訂，時刻追隨本領域的前沿熱點，強調以德育人、知識育人，整個人才培養方案的科學性、合理性、實用性。2021年面向本專業大三下學期的學生開始開設《材料工程基礎》課程，這既是參考了教育部材料類國家質量課程體系，又是本專業培養工程技術人才的內在要求。我們選用了徐德龍院士的《材料工程基礎》作為參考教材，當前的光電材料形態包括激光晶體、熒光粉、光學玻璃、光功能陶瓷等等，這些材料是合成過程中主要遇到了加熱、成型、干燥、流延等，而這些想象的理解和把握不可避免的用到了《材料工程基礎》知識，因此本門課程沒有明顯的側重點。經過一輪次的初探，并授課內容和形式進行了小幅度的改革后，有幾個想法值得去認真思考。

1.授課內容改革

《材料工程基礎》是架通基礎與實踐的橋梁，授課內容有很強的邏輯性。需要學生在前期高等數學、大學物理、大學化學、物理化學學習良好的基礎上進行學習，然而我校學生在數學公示理解與換算方面存在明顯短板，有少量同學是讀預科而進入大學，這種基礎的差異導致學生在遇到公式推導等內容的厭惡感，以至于對于后期學習內容也無法提起興趣。以流體力學為例，我們處理流體靜止與運動的時候會用到大量的微積分方程，甚至還會用到散度的概念，這是歐拉法處理數學模型常用的方法，但是課堂教學效果明顯很差。因此在強調實用性的基礎上，我們對課程內容中部分公式推導、邏輯運算等抽象內容進行了簡化，供學有余力的同學用作探索式學習。

2.授課形式改革

新工科改革下的課程建設強調學科交叉性、時效性、智能制造等內容。因此針對實用性強的課程內容，相應的授課形式也遇到挑戰。傳統的老師在講臺講課，學生在臺下聽課的形式并不能起到良好的教學效果。因此在實際教學環節，我們把基本概念放到課堂教學，注重講解與學生的理解。綜合利用多媒體手段，將常用的流體運動、燃燒等做成動態演示，加深學生對全過程的理解。積極爭取虛擬仿真教學項目，通過模型建設，使學生能夠身臨其境的感受動態過程。

3.實驗教學改革

由于是第一次開設本課程，實驗教學相關的場地與設備暫缺。但是根據本門課程的研究對象，開設實驗課程，能夠將學生理解并掌握的基礎工程知識運用于指導實踐，對學生的學習效果將起到良好的推動作用。能夠開設的實驗課包括比托管的使用、流體阻力計算、粘度測試、燃料衡算等內容。依托這些基礎實驗，鼓勵學生參加包括“互聯網+”創新創業大賽、挑戰杯、無機非金屬材料教學大賽等學科競賽，推動學生學以致用，加深對工程知識的熱愛。

4.OBE達成度模塊改革

本學期我們將學生的評價體系覆蓋了教學的所有環節，學生的個人總評成績=40%試卷成績+40%過程化考核成績+10%實驗環節+10%平時成績。以OBE達成度為目標，將總評成績分割為四個模塊，既能全面反應所有的教學環節，又能充分體現新工科背景下全過程育人，全方位育人的指導原則，徹底打破固有的平時不學，臨考突擊的應試模式。

四、結束語

通過對我校一輪次的《材料工程基礎》授課探索實踐，結合材料物理專業的人才培養目標，我們提出了很多改革的舉措并付諸實踐。在實踐的過程中既有成功的經驗，也有失敗的教訓。對授課內容、授課形式、實驗教學以及最后的OBE評價，在今后的教學過程中，我們還會精雕細琢，使其更加符合新工科背景的育人模式，為本門課程的新工科建設積累經驗。

參考文獻：

[1]郭雨，陳君華，俞浩，陳俊明，郭騰，丁志杰，周永生，魏居孟.新工科視角下玻璃方向專業課體系的審視與序貫構建[J].紅河學院學報，2021，19（2）：114-119

作者簡介：

趙國營（1986年2月-），漢族，山東人，男，博士，上海應用技術大學材料科學與工程學院副教授，研究方向：光電玻璃。