《材料工程基礎》課程啟發式教學的探索與實踐

齊 倩，韓 野

（山東科技大學材料科學與工程學院，山東 青島 266590）

0 引言

《材料工程基礎》是教育部21世紀初高等教育改革項目“材料科學與工程專業人才培養方案及教學內容體系改革研究”中的主干專業基礎課程[1]，也是山東科技大學材料科學與工程學院新能源材料與器件系的一門專業基礎課程。根據本專業的知識需求，選用教材為武漢理工大學出版，徐德龍主編的《材料工程基礎》，該教材包括流體力學基礎，兩相運動現象，傳熱學，質量傳遞基礎，物料干燥，燃料及其燃燒六個章節。

材料優良性能和應用的實現，除了合理的成分和結構設計，還有非常關鍵的一環就是材料的制備與加工。大多數專業課程，例如《材料科學基礎》，《材料物理性能》和《新能源材料合成與制備》，主要向學生介紹了材料的基本結構、性能和合成方法，是材料成分，結構與制備工藝設計的理論指導，但是具體制備過程卻涉及多方面影響因素。很多學生遇到過一個普遍性問題，即材料的成分，結構與工藝設計合理，卻難以制備得到理想的材料。相比之下，《材料工程基礎》側重于材料制備與加工過程中所涉及的基本理論與知識，探討需要解決的基本問題[2]。但是，武漢理工大學出版的《材料工程基礎》教材內容設計偏重理論知識講解，包括大量的公式推導與計算，列舉的相關應用實例較少，因此，對于學生而言，內容枯燥，不易調動學習興趣，學生在課堂上缺乏激情，注意力不集中，教學效果較差[3]。針對該特點，結合本專業學生的知識需求，在設計授課內容時，將詳細的公式推導過程作為課下自學內容，課上重點講解公式建立的巧妙思維方式，例如第一章流體力學基礎中的質量、動量和能量守恒公式的建立，合理的使用了系統和控制體的特點，并結合雷諾輸運定理，將復雜問題簡單化，推導出三個重要的守恒方程。“重思維，輕計算”的授課方式，讓學生能更好地抓住重點，而不是被煩瑣的計算占據大量時間和精力。

目前，《材料工程基礎》課程的教學者們已嘗試多種方式，將課程理論知識與工程實踐相結合，激發學生的學習動力，例如武漢科技大學的張美杰等人調節教學內容，將教學內容緊密結合工程實際，分為課堂內容，課下與課外內容，提高學生興趣[4]；湖南大學的楊建校等人將創新實驗融入教學中，引導和鼓勵學生參與到老師的科研活動中開展創新實驗，理論聯系實踐[5]；西安科技大學的廉曉慶等人將工程實例選擇性立體滲透到《材料工程基礎》課程教學過程中，通過查閱文獻資料選擇新技術新工藝的研究成果作為工程實例，結合已開發的工程材料，例如以鄭州瑞泰耐火科技有限公司開發的低導熱多層復合莫來石節能磚為例講綜合傳熱計算，提高學生解決實際工程問題的能力[6]。針對上述問題，我們教學團隊也開展了一系列的嘗試，并發現啟發式教學在《材料工程基礎》的授課過程中對幫助學生理論聯系實踐具有良好的效果。

1 工程實例與課程內容有機融合方式──啟發式教學

如何將工程實例與《材料工程基礎》教學內容與教學過程有機結合，在恰當的時候引入合適的案例，并能夠回歸課本知識，起到良好的引導與輔助作用，是很多教學者致力研究的重點。我們教學團隊嘗試將啟發式教學方式應用到《材料工程基礎》的教學過程中。啟發式教學就是根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律，運用各種教學手段，采用啟發誘導辦法傳授知識、培養能力，使學生積極主動地學習，以促進身心發展[7]。在授課過程中，首先引入工程實例，吸引學生的注意力，并提出工程實例中與課本知識相關聯的問題，埋下伏筆，讓學生去思考，激發學習興趣，帶著問題進行下面的學習，最后回歸工程實例，用學過的知識解釋工程實例中的問題，形成閉環，讓學生切實體會到如何用知識解決實際問題，將課本知識所缺失的一環補上。下面將以幾個具體案例介紹一下啟發式教學在《材料工程基礎》中的應用。

2 教學案例

2.1 流體的動量傳遞與新型手機殼材料

第一章流體力學基礎中講到流體的傳輸性質，相比質量和能量的傳輸，動量傳輸是教學難點，學生們理解困難，特別是具有特殊動量傳遞過程的非牛頓流體。基于此現象，我們首先介紹一種新型手機殼材料作為啟發教學案例，通過視頻向學生展示該材料的特點，用手輕輕揉捏的時候，像橡皮泥一樣柔軟，但是用外力敲擊的時候，會瞬間變硬，對手機起到保護作用，這種流體即為非牛頓流體，其特殊性質就和流體中的動量傳遞有關，然后講解粘滯現象以及牛頓粘性定律，并解釋牛頓流體和非牛頓流體的差異，而非牛頓流體又為兩種：一種為偽塑性流體，另一種為脹塑性流體，也就是前面提到的特殊手機殼材料。知識與日常生活應用相結合，讓學生切實體會到知識的實用性。

2.2 傳熱學與神舟十三號

《材料工程基礎》第三章主要介紹了三種傳熱過程，熱傳導、對流換熱與輻射換熱，該知識點對指導具有優異隔熱或傳熱功能的材料設計具有重要意義。我們選擇熱點材料氣凝膠作為切入點，以當下時事焦點神舟十三號的成功發射作為開篇，極大地吸引了學生的關注。2021年10月16日，神舟十三號載人飛船發射成功，這次三位航天員將在太空進行為期6個月的太空之旅，食物保存問題如何解決呢？這主要依靠由納米SiO2氣凝膠材料制成的低溫鎖柜，氣凝膠特殊的結構使其具有優異的隔熱保溫性能，為什么該結構會具有優異的隔熱保溫性能，引發學生思考。然后，再進行傳熱學基本知識的講解，解釋氣凝膠特殊的結構較好的限制了聲子導熱從而降低了氣凝膠的熱傳導能力，類似的還有后面的對流換熱與輻射換熱。將傳熱學知識與當下熱點材料及其應用相結合，可以很好地引導學生思考如何將知識應用到工程實踐中，同時增加了知識趣味，激發了學生好奇心，課堂將不再枯燥。

2.3 物料干燥與景德鎮的坯房設計

第五章物料干燥的影響因素，單純講解各種因素，學生難以理解和掌握，因此，我們以景德鎮陶瓷的干燥過程為例，從古人的巧妙設計中分析現代的科學原理，既形象具體又助于學生們記憶。景德鎮陶瓷坯體制備在傳統的坯房中完成，坯房由正間、廒間和泥房三棟敞開式建筑組成，坯房中間為曬架塘，曬架塘儲水，上方設置木制曬坯架，這就是坯體干燥的場所。為什么坯體干燥的場所要這樣設計呢？首先，這個曬坯設計非常能體現古人智慧，廒間高度低于正間，保證充足的陽光照射到曬坯架，保證合適的溫度，坯體置于架上，與空氣有足夠大的接觸面積，有利于傳熱和傳質的進行。曬架塘的重要的用途就是在太陽暴曬的時候，提高空氣中水蒸氣的含量，降低傳質速率，避免因干燥速率過快而使坯體開裂。經過該過程，學生們可以更好地理解溫度，空氣與物料的接觸面積和空氣中水蒸氣含量對物料干燥過程的影響。

3 結語

材料工程基礎是材料學專業重要的基礎課程，對指導材料的成功設計與制備具有重要意義，但理論知識與實際應用之間需要關鍵橋梁──工程實例。如何合理使用工程實例提高教學效果是一件值得細細研究的課題。通過啟發式教學設計，列舉案例，提出問題，講解知識，回歸案例進行解析，先吸引學生的注意力，引導學生跟著教師的思路聽課，全程帶著疑問進行思考，顯著提高教學效果，讓學生時刻體會到學以致用的樂趣。