工程教育背景下“無機材料制備與性能檢測”教學改革與探索*

2022-12-30 11:08:36胡亞茹肖建敏羅永勤吳華霞

磚瓦 2022年1期

胡亞茹肖建敏羅永勤吳華霞吳鋒宋強

（西安建筑科技大學材料科學與工程學院，陜西西安 710055）

*基金項目：西安建筑科技大學一流專業項目“工程教育專業認證背景下無機材料制備與性能檢測教學改革與實踐（YL?ZY0501S07），就業為目標的卓越材料工程師校外實踐教學模式改革與探索（YLZY0501Z03）”，陜西省教育科學規劃課題“面向新工科的卓越材料工程師實踐教學體系改革與探索(SGH18H117)”,“助學基金支持下的卓越材料工程師畢業設計模式改革與探索(SGH18H121)”，中國建設教育協會教育教學科研課題“面向新工科的建材專業卓越材料工程師實踐教學體系改革與探索”(2019177)。

本欄編輯：李瑜

無機材料制備與性能檢測課程是西安建筑科技大學材料科學與工程專業依據《無機非金屬材料工程專業規范》面向本科生開設的一門集中實踐教學環節課程，該課程是在第七學期開展，此時學生已經完成所有基礎課程和專業課程學習，具有一定的專業基礎知識積累，其目的是培養學生綜合運用所學的基礎理論、專業知識和專業實驗技能，針對現實工程問題提出實驗方案、進行實驗操作、分析實驗結果，并寫出課程設計論文。

2015年材料科學與工程專業通過了國際工程教育專業認證。工程教育專業認證是指專業認證機構針對高等教育機構開設的工程類專業教育實施的專門性認證，旨在為相關工程技術人才進入工業界從業提供預備教育質量保證。工程教育[1-2]基本理念一是強調以學生為本，面向全體學生，將學生作為首要服務對象，學生和用人單位對學校或專業所提供服務的滿意度是能否通過認證的重要指標；二是強調以學生為中心，以學生學習產出為導向（outcome-based），對照畢業生核心能力和素質要求，評價專業教育的有效性；三是強調合格評價與質量持續改進。

無機材料制備與性能檢測課程依托“無機非金屬材料國家級實驗教學示范中心”“國家級人才培養模式創新實驗區”“教育部生態水泥工程研究中心”等國家級教學科研平臺，經過多年的建設，已確立了以干法水泥工藝理論與技術及水泥性能研究為主線的教學內容，形成了比較成熟教學流程，具有穩定的師資隊伍，取得了一定的成績和經驗，但仍然存在教學內容陳舊、知識點單薄、方式單一、與專業課程聯系不夠、學生主體性不強等諸多問題。針對上述不足，結合工程教育要求和本專業特點，本文提出改進意見和措施，使課程更加契合工程教育的理念，更好支撐畢業要求，提升學生理論知識與實踐相結合的能力和學生解決復雜工程問題的能力，提升學生科研能力，增強學生實踐學習的主動性和參與性，對學生核心能力和綜合素質形成硬支撐[3-7]。

1 構建“樹”形課程知識架構，教學內容更加飽滿

無機材料制備與性能檢測課程目前包括兩個課題方向：一是水泥生料配制及易燒性檢測，內容是利用工廠原料根據“三率值”配制水泥生料并評價易燒性；另一個是復合水泥制備及性能測試，主要利用水泥熟料、石膏及其他摻合料配制復合水泥，并測定其凝結時間、安定性及規定齡期的力學性能，評價復合水泥等級。這兩個課題方向涵蓋了材料科學與工程專業材料工程方向從原料到水泥成品的全過程內容[8-9]。

在以往教學中，老師設計好實驗步驟及控制參數，學生按要求走完實驗流程，比較注重實驗過程的完成度，與工程教育提倡的學生學習產出為導的理念相比，其知識點基本能滿足畢業要求對此門課程的要求，但是作為一門綜合性極強的課程，目前的教學內容還是略顯單薄，與專業課聯系不夠緊密，沒有形成立體知識架構?；诖耍髡咛岢鲆哉n程基本實驗流程為主干，專業基礎課和專業課為枝葉的“樹”形知識架構。以水泥生料配制及易燒性檢測為例，基本流程為：課程設計動員→原料采集→原料破碎→原料干燥→原料粉磨→成分分析→配料計算→混料均化→生坯成型→中溫預燒→高溫煅燒→熟料冷卻→熟料粉磨→質量評定→機理分析→論文撰寫。課程設計動員包括安全教育、紀律要求、課程介紹、課程安排、課程考核要求等。實驗部分可以引導學生從身邊的混凝土談起，再到水泥，進而到水泥熟料，從熟料的主要組分談到原料的選擇、水泥廠礦山的開采，原料的運輸等一直到熟料的粉磨，形成從果到因、從終端到源頭的逆向推演式講授，這一部分可結合水泥工藝學、膠凝材料學、熱工設備、粉體工程、材料科學基礎等將工廠生產流程和實驗環節相比較，一一對應，將現場參數和設備與實驗室控制參數和儀器設備對照來講，將專業課程相關內容引入到課堂講解及討論中來，讓學生體會工業環節在實驗室中的等效實現。在配料計算環節，除了傳統的遞減試湊法和嘗試誤差法外，可以參考計算機在材料工程中的應用課程中學到的規劃求解等其他配料計算方法，體會不同方法的差異。在實驗各個環節中，要結合相關課程加強儀器設備工作原理、化學反應機理等理論支撐、強化以往所學知識點。在產品質量評定階段，生料易燒性評價中除了采用常規的化學滴定法外，可以借助實驗中心大型儀器平臺，結合材料研究與測試方法和材料基礎實驗課程，采用掃描電鏡結合能譜儀對材料進行微觀分析，通過光學顯微鏡對煅燒熟料進行巖相分析，分析其中各熟料礦物相和游離氧化鈣的顯微結構，也可采用x-ray衍射儀對產品進行物相分析，對熟料易燒性做半定量判斷。在實驗過程及論文撰寫階段，結合文獻檢索及科技論文寫作課程，引導學生重拾課本，并借助圖書館相關數據庫，高效查找有用文獻，鍛煉學生文獻歸納能力，使用規范的專業術語就本專業復雜工程問題進行機理分析和文字表達的能力。通過對各門課程相關知識的回顧和綜合運用，學生不僅完成整個課程設計全過程并對結果進行評價和機理分析，而且能體會專業課設置的必要性、彼此之間的環環相扣和相互補充。讓學生在需要中重新再學習，在做中學，在學中做，達到做學共促。

2 讓學生提前介入課程設計前期準備，授課方法更加多樣化

以往的教學過程中，教師提前將實驗材料準備好，設備調試好，甚至將試劑配制好，學生上課時直接使用，其并不了解實驗前期過程，不知道實驗準備的方法和對將來實驗結果的影響情況，更不能體會準備工作的重要性，這對于學生面對工程復雜問題，獨立進行科研工作是不利的。經過改革，嘗試讓學生提前介入課程設計準備階段，了解實踐過程中需要用到的原料、工具和儀器及其選擇依據，了解相關標準規范對原料基本性能的要求，了解各種材料的使用量，準備方法，與工廠聯系取料，運輸等問題，參與原始數據收集及測試方法，了解各種測試方法的優缺點，了解材料價格和整個試驗成本，提高學生全程參與度，鍛煉處理問題的綜合能力，為今后從事科研工作打下基礎。

授課方法更加多樣化，課程內容經過調整后更加飽滿，相關知識點密集，相關背景知識覆蓋全面，因此除了傳統課堂講授，隨堂演示外，可以采用問答法，即老師拋出問題，學生回答，激發學生思維。對于一些綜合性的復雜問題，可以借助微課、慕課、翻轉課堂等方式開展混合式教學[10-11]，鼓勵學生上圖書館查閱參考書籍，充分利用圖書館網上數據庫，總結歸納,讓學生借助多媒體及實物進行講解，并與大家討論，老師進行補充、糾正及答疑等；借助社交軟件與學生保持溝通、及時指導答疑，將課內指導延伸到課外，形成開放課堂。

讓學生提前介入課程，采用多種授課方式，使學生深度參與課題。改變了老師是演員，學生是觀眾，老師主動給予，學生被動接受，課堂是老師一言堂的局面，形成以學生為主體，教師為主導的新的教學模式。

3 規定動作和自選動作相結合，選題緊跟科研實際

在以往課程教學中，以水泥生料配制及易燒性檢測課題為例，都是采用從水泥廠獲取的傳統原料配制生料進行實驗，近幾年來實驗室除了傳統的水泥制備工藝和性能方面研究外，也研究積累了一些工業固體廢棄物在水泥行業的應用項目經驗，比如建筑垃圾（廢棄混凝土及廢棄黏土磚）作為鈣質或黏土質原料替代水泥原料生產水泥，城市污泥替代水泥原料生產水泥生料、磷石膏聯產生產水泥、工業冶金廢渣在水泥行業的應用等研究項目，相較于以往課程采用傳統原料進行實驗，這些新的研究方向直面水泥行業原料消耗大，優質資源緊缺的困境，契合國家工業固體廢棄物資源化的理念，充分考慮到了工程復雜問題對社會、環境、資源可持續發展的影響，因此水泥工業必將是眾多廢棄物消納、資源化的重要行業?；诖?，在設計課程內容時，實驗方案既要具備教學驗證性，又具備一定的科研探索性。例如在配制水泥生料時，一方面學生要完成“規定動作”，即采用天然原料按照相關標準規范要求完成從生料制備到產品質量評價全過程訓練；另一方面學生要結合科研項目嘗試“自選動作”，進行探索性實驗，研究不同原料（采用工業固體廢棄物替代天然原料制備水泥生料）、煅燒工藝、冷卻方式對產品性能的影響，對學生進行一定的科研訓練。無機材料制備及性能檢測課程基本內容和其他材料制備（合成）實驗雖然研究對象不同，所用材料儀器設備不同，但基本思想和大體流程是共通的，所以經過這樣“自選動作”的鍛煉，可以拓寬學生的思路，增長見識，理解傳統行業存在的與環境、資源、社會之間的矛盾及解決途徑，對于從事其他領域科研也有一定的借鑒意[12-13]。

4 及時收集學生反饋，總結經驗，持續改進

課程結束后，任課教師要對學生上課感受進行調研，收集學生意見，結合課程進行中及答辯質詢過程暴露出的問題或薄弱環節進行總結分析，明確問題出現的原因，通過對課程內容、授課方式、進度安排等進行調整，查漏補缺，持續改進[14]和解決問題，形成“執行-反饋-改進”的教學質量管理閉合循環，達到以保證和提高教學質量，培養符合工程教育要求的技術人才為目的的螺旋式上升的循環，讓工程教育永葆青春。

5 結語