材料科學與工程專業課程設計的實踐探討

王 劍 張王剛

太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024

材料科學興起于20 世紀60 年代初，材料科學與工程專業是研究材料成分、結構、加工工藝與其性能和應用的學科。太原理工大學（以下簡稱“我校”）材料科學與工程專業是在原材料化學、材料物理和無機非金屬材料專業方向上整合而來，旨在培養學生掌握材料科學與工程學科基礎理論和專業知識，具有從事材料科學與工程領域相關科研與工程工作，解決材料領域復雜工程問題的能力，同時具有國際化視野、自主學習和終身學習的能力。

材料科學與工程專業課程設計，是在材料科學與工程專業學生修完相應基礎課程及進行了生產實習之后，進行的一個重要實踐環節。其目的在于鞏固學生在課堂和生產實踐所學的知識，培養其綜合運用已學的材料基礎理論和專業知識來解決材料制備、結構、性能相關問題的能力。我校材料科學與工程專業學生通過前期課程學習，學生已掌握了材料結構、加工制備工藝、性能之間的關系。在此基礎上，課程設計使學生能夠融會貫通地運用所學的知識，對材料制備及使用過程中的現象、結構變化和性能做出理論分析和解釋，制定切實可行的加工制備工藝，培養學生的綜合分析問題和解決問題的能力，同時通過課程設計培養學生查閱、應用文獻的能力。我校材料科學與工程專業課程設計的具體要求，能夠根據課程設計任務書查閱相關手冊以及參考文獻資料，熟悉設計規范的有關內容；能夠綜合考慮環境、成本和安全等多方面因素進行設計，評價材料科學與工程專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響；鍛煉正確書寫設計報告的基本技能，清晰表達設計內容；熟悉常用材料的性能，能夠正確采集、準確分析并解釋數據，能夠根據工程環境需要進行正確的選材；根據使用條件進行正確的試驗設計和措施選擇。

由于材料科學與工程專業發展時間較短，在課程設計方面并沒有成熟的方案可以參考，筆者通過參照其他學校材料類專業課程設計思路，針對材料科學與工程專業課程設計存在的問題，提出了關于材料科學與工程課程設計思路，培養了學生理論聯系實際和發現及解決問題的能力，達到課程設計目的。

一、材料科學與工程課程設計現存問題

（一）沒有成熟設計模式指導和參考

不同于傳統工科專業，例如材料成型及控制工程專業的課程設計以模具設計、鑄造設計［1］，機械工程及自動化專業的課程設計等，有成熟的教材或方案參考［2］。而材料科學與工程專業課程設計相關文獻資料較少。盡管張宇等報道了新能源材料與器件專業“鋰離子電池課程設計”的改革與探索［3］，張勛高等分析了《材料分析與表征》課程設計與教學實踐［4］，但相關材料科學與工程的課程設計方案鮮有報道。如何從選題、布置任務、設計指導、設計評價等給出合理的課程設計方案是本專業需要思索的問題。

（二）課程設計題目選取存在難度

材料科學與工程課程設計傾向于實踐課程范疇，安排時間較短，筆者所在學校材料科學與工程課程設計，安排于大四最后一學期開學前，僅有兩周時間，這要求所給學生題目既不能太難，高于后續畢業設計的題目，也不能太簡單，讓學生覺得課程設計停留在簡單的理論課程作業水平。因此，如何給出科學合理的課程設計題目，讓學生在大學四年學習后達到學以致用是必須明確的問題。

（三）課程設計存在“紙上談兵”現象

材料科學與工程的課程設置在前期偏理論，而課程設計的初衷正是希望學生可以將所學知識有所應用。盡管所給課程設計題目盡量貼近實際，但大部分學生經過設計后仍然感覺與實際生產遙遠，存在“紙上談兵”現象。因此，如何更好地讓學生在課程設計過程中充分理解所學知識，并應用于實踐，完成用理論指導實踐，以實踐驗證理論的哲學升華是必須考慮的問題。

二、材料科學與工程課程設計改革思路

（一）結合實際給出課程設計題目

鑒于目前材料科學與工程課程設計參考題目較少，筆者在自己科研項目和前期研究基礎上，結合目前發展迅速或較為成熟的堿金屬負極材料制備及工業化，以及防腐蝕領域所用的緩蝕劑和防腐涂料制備及工業化，制定了5 個課程設計題目。這些題目分別是：百噸級硅碳負極材料制備及工藝設計、百噸級人造石墨材料制備及工藝設計、百噸級硬碳材料制備及工藝設計、環氧防腐蝕涂料選擇及制備設計、聚氨酯防水涂料選擇及制備設計。要求學生分別熟悉硅碳、人造石墨、硬碳、防腐涂料的組成、結構、制備工藝與性能之間的關系等，確定最佳制備方案。設計并確定一種材料的生產工藝，討論設計配方，選擇生產（制備）原料、設計工藝過程、選擇生產設備，構思生產線，繪制工藝框圖。上述題目既考慮了前期學習的材料結構、制備和性能評價等基礎課程，又結合了實際生產要求的設備、工藝放大、安全、環保及經濟和社會效益，對于提高學生結合實際生產理解所學材料理論知識有重要意義。

（二）設計過程給予正確指導

基于所學專業知識，面向生產實際中的復雜工程問題，明確設計任務的應用背景和應用對象，以解決實際工程問題為方向，充分吸納專業知識、經濟管理、人文素養等進行融合，開展具有創新意義的材料類設計與制造實踐。以實踐項目為載體，引導學生開闊創新思維方式，設計過程中主動探究材料制備及工業化流程，綜合考慮環境、成本和安全等多方面因素進行設計，評價材料科學與工程專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對環保、安全、經濟和社會效益的影響。針對所給題目，進行較為詳細的物料衡算、熱量衡算、設備的初步選型，針對生產過程中的安全問題以及“三廢處理”詳細說明，并利用計算機CAD 軟件繪制生產工藝圖。

為了提升學生自主學習能力，采用學生按照任務書要求自主設計，教師指導和監督的方式，指導過程中貫徹因材施教，將全班30 名同學分為5 個小組。每個小組首先查閱文獻資料內容，理解所給題目設計的材料制備和工業化流程，并安排學生自己查閱相關工業化生產設備，詢問原材料價格，考慮車間布置情況、安全生產情況、環保要求、經濟和社會效益等，組織分組討論，發揮學生的積極和創造性。由于設計時間僅為2 周，第一周主要進行布置任務、分組、資料查詢、確定方案、分組討論方案；第二周進行設計和相關計算、撰寫設計報告。設計過程中，針對設計可行性給出合理化建議。遇到問題時進行答疑解惑，筆者分別在設計開始的第3 天、第6 天和第9 天，針對學生疑問進行了3 次答疑，及時幫助學生理解了課程設計重點和難點，培養學生的發現問題、自主思考和解決問題能力。

（三）課程設計報告規范與評價方法

結合專業課程設計矩陣要求，課程設計報告制定了如下統一規范進行撰寫，包括前言；國內外研究現狀、設計題目意義；設計任務和思路；生產工藝設計（包括生產原料、生產設備及生產工序、生產線及生產車間設備布置、安全生產和環境保護）；經濟和社會效益；心得體會；參考文獻。評價分為日常成績（20%）、答辯成績（30%）和課程報告（50%）。日常成績主要考查學生是否按時到課，每次答疑時，可適當布置學生寫幾百字任務進展等給出成績。答辯成績針對每名學生均進行基礎提問，考查學生前期是否真正進行了思考，所設計課題相關問題如下表1 所示。課程報告在學生上交后按照書寫格式、邏輯思路等進行評價。

表1 材料科學與工程設計答辯環節回答問題總結

（四）安排學生參觀實習完成驗證

鑒于目前課程設計完成后，學生還不能對設計的理論和內容進行充分理解，筆者組織學生分別在鋰電負極材料工廠和防腐涂料廠進行了實地參觀，讓學生更好地理解了自己所設計的理論知識，并驗證了所設計報告是否與實際相符合。

三、結語

通過課程設計，大部分學生均能在規定的時間內順利完成。設計內容既保障學生得到基本訓練要求，又能使學習優秀的學生充分發揮創新思維，激發了學生的學習積極性。學生通過本次課程設計收獲頗多，懂得了理論與實際結合的重要性，發現了之前理論學習過程的不足，培養了自己的創新能力。此外，培養了學生收集、分析和利用信息的綜合能力，懂得了團隊合作的重要性，增強了發現問題和解決問題的能力。真正利用自己的所思所想，所獲所得，撰寫課程設計報告和試驗論文，認真對待知識產權。綜上所述，課程設計的終極目標是應用于實踐，應該在今后的設計過程中更進一步優化題目，全程指導，真正體現學生的自主性，為材料科學與工程專業培養合格人才把好課程設計關。