無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的拓展研究

何峰 謝峻林 楊虎 趙青林 姜洪舟

[摘 要] 無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練承擔(dān)著重要的課程任務(wù)，對材料專業(yè)新工科人才培養(yǎng)具有重要支撐。該專業(yè)在工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的具體實(shí)施中，還存在一些問題。為此該專業(yè)開展了一系列課程的教學(xué)改革。對工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的具體實(shí)施方法進(jìn)行了拓展，開展了有針對性的研究。以課外科技創(chuàng)新活動(dòng)為載體充實(shí)并拓展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)效，有效地解決了相關(guān)問題，取得了非常好的成效。提升了該專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)與解決復(fù)雜工程問題等能力的培養(yǎng)，對積極響應(yīng)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)的需要起到了支撐作用。

[關(guān)鍵詞] 新工科;無機(jī)非金屬材料工程;工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練;拓展

[基金項(xiàng)目] 2020年度武漢理工大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科背景下無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革探索”（W2020061）

[作者簡介] 何 峰（1965—），男，重慶人，博士，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事無機(jī)非金屬材料研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）01-0054-04 [收稿日期] 2021-08-05

一、工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練在材料專業(yè)新工科人才培養(yǎng)中的意義

工業(yè)發(fā)展時(shí)代不同，主題和內(nèi)涵也不同，對工程技術(shù)人才也具有不同的需求，因此也推動(dòng)了工程教育的不斷變革與發(fā)展。不同工業(yè)時(shí)代具有相應(yīng)時(shí)代的工程技術(shù)人才，同時(shí)工程技術(shù)人才也支撐相應(yīng)工業(yè)時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展。21世紀(jì)正經(jīng)歷著第四次工業(yè)革命，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算、區(qū)塊鏈、新材料、生物科技、新能源等新科技的涌現(xiàn)，推動(dòng)了創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，決定了工程教育4.0將經(jīng)歷變革性的發(fā)展。新工科成為全國性的工程教育改革行動(dòng)，天津大學(xué)發(fā)布了新工科“天大方案”、電子科技大學(xué)發(fā)布了“成電方案”、華南理工大學(xué)發(fā)布了“新工科F計(jì)劃”等。培養(yǎng)面向未來、面向世界、面向產(chǎn)業(yè)的新型工程科技人才，支撐創(chuàng)新時(shí)代新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為新工科教育發(fā)展的根本宗旨。

大部分無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)都伴隨著較為復(fù)雜的熱工過程，或者說熱工過程是其整個(gè)材料生產(chǎn)的核心。盡管不同產(chǎn)品的加熱目的、加熱方式及最終目標(biāo)有所不同，但是，加熱過程中所遵循的基本規(guī)律是相同的。熱工過程也是實(shí)現(xiàn)材料綠色制備、智能制造的關(guān)鍵階段。從培養(yǎng)新工科材料人才的角度分析，熱工過程屬于復(fù)雜工程問題，是培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)。

在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題方面，除了相關(guān)的理論課、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)外，工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練無疑是最為重要的支撐。工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練很好地將理論知識與某一熱工單元的自主設(shè)計(jì)相結(jié)合，為學(xué)生提供了一個(gè)將理論應(yīng)用于實(shí)踐的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過學(xué)生較為系統(tǒng)的訓(xùn)練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)、工程意識，建立法律意識、安全意識、環(huán)保意識等是不可或缺的。工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練能夠提升工程素養(yǎng)與解決復(fù)雜工程問題等能力的培養(yǎng)，對于積極響應(yīng)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)的需求，其意義不言而喻。

二、工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題中的作用

工程是人類綜合運(yùn)用科學(xué)理論和技術(shù)方法去改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)，是一種創(chuàng)造性的活動(dòng)?，F(xiàn)代工程學(xué)科之間存在廣泛而又深入的交叉融合，作為一個(gè)多學(xué)科的綜合體，越來越依賴于社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全和文化等背景支持。

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題最有效的載體之一。通過本專業(yè)中具體的一個(gè)設(shè)計(jì)選題，學(xué)生可以模仿練習(xí)，進(jìn)行工程表達(dá)，學(xué)習(xí)解決工程實(shí)際問題的思路和方法。本校無機(jī)非金屬材料工學(xué)專業(yè)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練設(shè)置了材料生產(chǎn)中關(guān)鍵熱工設(shè)備、熱工單元為內(nèi)容。在掌握材料工藝?yán)碚?、材料工程基礎(chǔ)、相關(guān)設(shè)計(jì)程序和計(jì)算方法、學(xué)會(huì)全面思考工程問題方法的基礎(chǔ)上，具備綜合運(yùn)用科學(xué)理論和技術(shù)方法分析解決復(fù)雜問題的基本能力。在關(guān)鍵熱工設(shè)備、熱工單元的設(shè)計(jì)中掌握工程表達(dá)方法與能力。通過較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練提高本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，掌握初步的工程設(shè)計(jì)方法。

三、無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練存在的問題

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練所涉及的內(nèi)容多、難度大、過程復(fù)雜，課程對學(xué)生前期需要掌握的專業(yè)理論知識與相關(guān)技能要求高。

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練要求高，所涉及的內(nèi)容包括：（1）學(xué)生領(lǐng)取工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練設(shè)計(jì)任務(wù)書，采取一人一題的方式，要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)任務(wù)書中的所有訓(xùn)練內(nèi)容。（2）典型熱工單元的結(jié)構(gòu)與方案確定、草圖繪制，根據(jù)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的資料組織、熱工計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定。（3）在典型熱工單元的結(jié)構(gòu)與方案確定、草圖繪制階段考察通過以后，利用相關(guān)工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行平面圖、三視圖紙的繪制。（4）綜合答辯階段，需要對自己的設(shè)計(jì)作品進(jìn)行展示與方案交流。（5）作品說明書中需要完整體現(xiàn)技術(shù)，以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全等內(nèi)容。

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的實(shí)施過程中遇到了一些問題：（1）由于本專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的要求高，所需要完成的內(nèi)容多，為保證質(zhì)量、順利地完成相關(guān)訓(xùn)練內(nèi)容，對指導(dǎo)教師、學(xué)生都提出了更高的要求。（2）學(xué)生對以工程方法表達(dá)工程內(nèi)容、解決問題的理解與方法運(yùn)用還處在初級階段。（3）目前本專業(yè)培養(yǎng)方案的整體學(xué)分一再減少，學(xué)分安排緊張，本專業(yè)安排在工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的學(xué)分?jǐn)?shù)為3學(xué)分，時(shí)間為3周。3周的時(shí)間內(nèi)要良好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容，學(xué)生還需要付出更多的努力。（4）繪圖過程中需要使用CAD、BIM等工程設(shè)計(jì)軟件，學(xué)生對相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)、掌握需要一定的時(shí)間。由于工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練屬于綜合性的教學(xué)環(huán)節(jié)，在進(jìn)行實(shí)際教學(xué)安排的過程中指導(dǎo)教師會(huì)感覺有壓力，學(xué)生在完成該任務(wù)的時(shí)間不夠充分，質(zhì)量難以保證。如何保障在教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，需要對本專業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的改革。

四、工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的改革實(shí)踐

（一）工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的課程目標(biāo)所支撐的畢業(yè)要求任務(wù)

工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練安排在第七學(xué)期，是集工程知識—設(shè)計(jì)技能—工程素養(yǎng)培養(yǎng)為一體的綜合性實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，其課程目標(biāo)系統(tǒng)支撐了畢業(yè)要求3（設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案）的四個(gè)指標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)還兼顧支撐了畢業(yè)要求8.2和11.2這兩個(gè)非技術(shù)能力指標(biāo)點(diǎn)，具體內(nèi)容見表1。要求學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)工程知識和工程設(shè)計(jì)方法完成熱工裝備設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)中考慮安全、法律、環(huán)境、規(guī)范、經(jīng)濟(jì)性等眾多制約因素，因此需要將知識與工程表達(dá)、工程與環(huán)保、工程與法規(guī)、工程與社會(huì)、工程與管理等現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)理念融合。

（二）加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練相關(guān)的理論基礎(chǔ)與具體設(shè)計(jì)單元結(jié)合

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練在支撐與培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題方面發(fā)揮了有效地作用。學(xué)生利用工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，將所掌握地材料工藝、熱工工程的基本原理與典型無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)過程中工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計(jì)算與設(shè)計(jì)相結(jié)合，完成相關(guān)設(shè)計(jì)訓(xùn)練內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的難點(diǎn)在于，學(xué)生普遍感到所學(xué)的理論抽象，工業(yè)熱工單元（窯爐）的熱工計(jì)算與設(shè)計(jì)工程問題較多，如何將抽象的基礎(chǔ)理論、計(jì)算數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)想應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，使之具體話、圖形化，實(shí)現(xiàn)理論與工程問題相結(jié)合是教學(xué)實(shí)踐的重點(diǎn)。

大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練是最難的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程之一。特別是如何將所學(xué)的理論知識與具體的設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合非常關(guān)鍵。在前期的教學(xué)中講清基本概念、基本理論，以案例的方式介紹理論知識在解決實(shí)際工程問題中的應(yīng)用，盡可能多地增加工程問題、工程設(shè)計(jì)案例分析，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)。

（三）以課外創(chuàng)新為載體充實(shí)與拓展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)效

根據(jù)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練存在的問題，為有效地實(shí)施工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，高質(zhì)量完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，順應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢，工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練還有許多改革的空間。為更加有效地完成工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的支撐，解決工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練中存在的問題，工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練教學(xué)團(tuán)隊(duì)及相關(guān)課程團(tuán)隊(duì)開展了以下改革與實(shí)踐。

1.加強(qiáng)專業(yè)內(nèi)相關(guān)課程的銜接與配合。本專業(yè)內(nèi)開設(shè)的與工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練相關(guān)的課程主要有材料工程基礎(chǔ)、無機(jī)非金屬材料熱工設(shè)備、無機(jī)非金屬材料設(shè)計(jì)概論等。（1）材料工程基礎(chǔ)主要是加強(qiáng)相關(guān)理論的講解，如燃料燃燒、傳熱理論、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等。（2）無機(jī)非金屬材料熱工設(shè)備主要對相關(guān)設(shè)備的工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要指標(biāo)確定的依據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇等進(jìn)行授課，綜合考慮熱工設(shè)備技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全等因素。（3）無機(jī)非金屬材料設(shè)計(jì)概論在完成相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，需要加強(qiáng)對學(xué)生繪圖軟件的培訓(xùn)，即完成課堂集中講解、考查課下相關(guān)繪圖作品的方式，使學(xué)生在進(jìn)入工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練階段前，較為熟練地掌握1～2種工程圖繪制工具，為接下來的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練打下良好基礎(chǔ)。

2.以課外科技創(chuàng)新活動(dòng)為載體，充實(shí)與拓展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)效。材料科學(xué)與工程學(xué)院每年都會(huì)組織“材料文化節(jié)”活動(dòng)，其中有一個(gè)專題為由“圣戈班”冠名的“無機(jī)非金屬材料工廠3D設(shè)計(jì)大賽”。該課外科技創(chuàng)新活動(dòng)宗旨是為該專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供平臺(tái)，使用工程繪圖軟件對無機(jī)非金屬材料工廠中的各種機(jī)械單元、熱工裝備單元等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以考查學(xué)生對相關(guān)設(shè)備、結(jié)構(gòu)單元的理解及工程表達(dá)的能力與水平?！安牧衔幕?jié)”針對的學(xué)生主體為大學(xué)2～3年級的本科學(xué)生，時(shí)長為4個(gè)月。

以課外科技創(chuàng)新活動(dòng)為載體，充實(shí)與拓展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)效的具體的做法為：（1）將由“圣戈班”冠名的“無機(jī)非金屬材料工廠3D設(shè)計(jì)大賽”與本專業(yè)的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練相結(jié)合。（2）要求本專業(yè)的學(xué)生全員參加。（3）指導(dǎo)教師根據(jù)3D設(shè)計(jì)大賽與工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的具體要求進(jìn)行布題。（4）使工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的周期由3周擴(kuò)展為3個(gè)月。

通過2個(gè)周期的實(shí)踐，筆者認(rèn)為此次課程改革達(dá)到了改革的初衷，較為有效地解決實(shí)施過程中遇到的問題，取得了較好的成效。具體成效體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）將3D設(shè)計(jì)大賽與工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練相結(jié)合，大大提高了學(xué)生與指導(dǎo)教師的認(rèn)同度，學(xué)生的興趣有所提高，實(shí)現(xiàn)了第一課堂與第二課堂的有效融合與銜接。（2）工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練周期的擴(kuò)展，解決了工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練要求高、時(shí)間緊促的問題，使得工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的時(shí)間安排更加從容。（3）學(xué)生對本專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的理解、具體設(shè)計(jì)的理解、設(shè)計(jì)內(nèi)容的覆蓋面都有了提升，完成內(nèi)容的質(zhì)量有了明顯的提高。（4）學(xué)生對以工程方法表達(dá)工程內(nèi)容，解決問題的理解與方法運(yùn)用有了一定的變化。（5）通過工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，學(xué)生對CAD、BIM等工程設(shè)計(jì)軟件的使用已經(jīng)較為熟練。圖1為課程改革后學(xué)生設(shè)計(jì)的熱工單元裝備3D圖。

結(jié)語

在新工科背景下，對無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求越來越高，培養(yǎng)模式也隨之發(fā)生著顯著的變化。針對以往本校無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練過程中存在的問題，開展了相關(guān)教學(xué)改革。通過加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練相關(guān)的理論基礎(chǔ)與具體設(shè)計(jì)單元的結(jié)合，以課外創(chuàng)新為載體充實(shí)與拓展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)效等舉措，很好地將理論知識與工程實(shí)際相結(jié)合，將第一課堂與第二課堂相銜接，為學(xué)生提供了一個(gè)將理論應(yīng)用于實(shí)踐的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過訓(xùn)練周期時(shí)間的擴(kuò)展，經(jīng)過1個(gè)周期工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生得到了系統(tǒng)、充分、有效地訓(xùn)練，培養(yǎng)其工程思維、工程素養(yǎng)，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。此次課程改革達(dá)到了改革的初衷，深受廣大學(xué)生的歡迎和積極參與，有效地解決了遇到的問題，取得了非常好的成效。

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Research on the Expansion of Engineering Design Training for Inorganic Non-metallic Material Engineering Specialty

HE Feng， XIE Jun-lin， YANG Hu， ZHAO Qing-lin， JIANG Hong-zhou

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，?Hubei 430070， China）

Abstract： The engineering design training of inorganic non-metallic materials engineering undertakes the important course tasks， which has an important support for the training of Emerging Engineering Education talents in materials specialty. There are some problems in the specific implementation of engineering design training. Therefore， some teaching reforms have been carried out in this major. The specific implementation methods of engineering design training are expanded， and targeted research is carried out. Extracurricular scientific and technological innovation activities as the carrier are taken to enrich and expand the timeliness of engineering design training， which can effectively solve the relevant problems and achieve good results. It is very beneficial to improving the students’ engineering competence and ability for them to solve complex engineering problems， and actively respond to the needs of emerging engineering talent training of inorganic and non-metallic materials engineering.

Key words： Emerging Engineering Education; inorganic non-metallic materials engineering; engineering design training; expand