應(yīng)用型本科院校材料工程基礎(chǔ)教學(xué)改革探討

齊銘 王琛 王栓強(qiáng) 宋夢(mèng)華 馬瑩

[摘 要] 材料工程基礎(chǔ)是材料類專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)目的要讓學(xué)生掌握基本的專業(yè)知識(shí)，并能在此基礎(chǔ)上聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐環(huán)節(jié)。作為一所新建應(yīng)用型本科高校，考慮到學(xué)生的生源和教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際情況，本文在教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)考評(píng)體系等方面闡述了課程改革的思路，提出適用于我校實(shí)際情況的改革方案并進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞] 材料工程基礎(chǔ);應(yīng)用型;教學(xué)改革;探討

[基金項(xiàng)目] 2018年西安航空學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“《材料工程基礎(chǔ)》核心課程建設(shè)項(xiàng)目”（18ZLGC101）

[作者簡介] 齊 銘（1983—），男，遼寧沈陽人，博士，西安航空學(xué)院材料工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)材料和粉末冶金;王 琛（1984—），女，山東德州人，博士，西安航空學(xué)院材料工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)椴牧现苽渑c檢測(cè)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）35-0153-03? ? [收稿日期] 2019-08-30

材料科學(xué)基礎(chǔ)所要講授的內(nèi)容包括晶體學(xué)、擴(kuò)散、凝固、固態(tài)相變等，是從事材料工作的基本要求。需要研究材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系以及相關(guān)的科學(xué)問題。材料工程基礎(chǔ)所要研究的是工程應(yīng)用方面的問題，工程是指將自然科學(xué)的理論應(yīng)用到具體工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中形成的各學(xué)科的總稱，是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用，通過這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過各結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程，是以最短的時(shí)間和最少的人力、物力做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西。因此材料制備工藝制度的實(shí)現(xiàn)，以及在制備工程中的傳熱，傳質(zhì)效率，節(jié)能減排等都是材料工程基礎(chǔ)所要解決的問題。前者偏重于理論，后者更傾向于在有了良好理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)如何搞科研的思想和方法，二者密不可分。

一、課程特點(diǎn)及現(xiàn)狀

材料工程基礎(chǔ)是高等學(xué)校材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科專業(yè)課程體系中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程。基本概念繁雜抽象，有的還涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演，在授課之前需要學(xué)生掌握并熟練應(yīng)用高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)，材料科學(xué)基礎(chǔ)，大學(xué)物理，大學(xué)化學(xué)等基礎(chǔ)課的重要知識(shí)點(diǎn)。因此，在教學(xué)過程中要保證學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，防止學(xué)生因沒有掌握前序知識(shí)，而失去對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)不同高校材料類專業(yè)的辦學(xué)特色，材料工程基礎(chǔ)的授課內(nèi)容也各有不同，如安徽理工大學(xué)[1]選用孫晉濤教授編寫的《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》作為教材側(cè)重?zé)o機(jī)非金屬材料的制備技術(shù)。上海理工大學(xué)[2]選用了周美玲教授主編的《材料工程基礎(chǔ)》，授課學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，僅介紹金屬、陶瓷、高分子材料以及其復(fù)合材料的制備過程，湖南大學(xué)[3]選用謝希文教授的《材料工程基礎(chǔ)》和徐德龍?jiān)菏康摹恫牧瞎こ袒A(chǔ)》作為輔導(dǎo)教材，授課課時(shí)為64學(xué)時(shí)，將授課內(nèi)容分為兩部分，既包括各種材料復(fù)雜的材料制備原理，也包括傳輸原理，授課內(nèi)容多，難度大。

二、西安航空學(xué)院教學(xué)現(xiàn)狀

西安航空學(xué)院2012年由西安航空高等專科學(xué)校升格為本科，2013年在機(jī)械相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)上獲批材料成型與控制工程專業(yè)，2014年獲批材料科學(xué)與工程專業(yè)，2016年14級(jí)的兩個(gè)材料類專業(yè)開設(shè)材料工程基礎(chǔ)課程，此后材料科學(xué)與工程專業(yè)取消該課程，材料成型與控制工程專業(yè)15-18級(jí)培養(yǎng)大綱中繼續(xù)開設(shè)該課程。根據(jù)我校目前辦學(xué)的實(shí)際情況，和將以金屬材料為主要特色的辦學(xué)規(guī)劃，我校的材料工程基礎(chǔ)課程制定了以介紹傳輸原理為主要授課內(nèi)容，授課課時(shí)為48學(xué)時(shí)的培養(yǎng)方案，涉及傳輸原理的教材除了材料工程基礎(chǔ)，還包括以介紹流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、沉降與過濾、傳熱、吸收、蒸餾、干燥為主的化工原理[4] （P1-10），以介紹冶金過程動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍睢⒒驹砗鸵?guī)律為主的冶金傳輸原理[5]。

我們選用了徐德龍?jiān)菏康摹恫牧瞎こ袒A(chǔ)》作為輔導(dǎo)教材，吳樹森教授的《材料加工冶金傳輸原理》為參考教材。作為一所以航空為特色的新建應(yīng)用型本科高校，學(xué)校雖開有流體力學(xué)、傳熱學(xué)等介紹傳輸原理的相關(guān)課程，但是與材料專業(yè)所要求掌握的側(cè)重點(diǎn)不同，也就沒有適合材料專業(yè)的課程經(jīng)驗(yàn)的積累，如何找到適合本校生源情況和教學(xué)情況的教學(xué)方法，使學(xué)生理解并掌握材料的工程問題，一切都要從頭摸索。

三、西安航空學(xué)院改進(jìn)措施

根據(jù)我校的生源和教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際情況，在授課過程中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的欠缺，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的接受能力，在教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)考評(píng)體系等方面提出了適合我校材料專業(yè)材料工程基礎(chǔ)教學(xué)的改革措施。

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

教學(xué)內(nèi)容的改革以工程研究方法為核心內(nèi)容。一是明確課程在專業(yè)中的地位，高屋建瓴地把握課程的知識(shí)脈絡(luò);注重與前繼課程等相關(guān)課程的銜接，幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路，使學(xué)生達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。二是在提高學(xué)生抽象、嚴(yán)密的邏輯推理的同時(shí)，注意與材料生產(chǎn)過程中實(shí)際案例的結(jié)合，將生產(chǎn)實(shí)際和生活中的實(shí)例引入到教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。如飛機(jī)的氣動(dòng)模型設(shè)計(jì)思路，熱處理中淬火劑的選取，散熱裝置的設(shè)計(jì)等。三是對(duì)知識(shí)單元做較科學(xué)的遴選，選取適合我校生源實(shí)際情況的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講授，對(duì)于數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度大，影響因素多、不易理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡化或不講授，如多元、非穩(wěn)態(tài)的傳輸過程。利用生活中常見的相關(guān)案例解釋理論知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)，生活現(xiàn)象，力求使各知識(shí)點(diǎn)通俗易懂。

在流體力學(xué)的學(xué)習(xí)中，包含大量的公式和定理。計(jì)算分析流體運(yùn)動(dòng)的過程所包括的知識(shí)面廣，知識(shí)點(diǎn)間有緊密的聯(lián)系，內(nèi)容枯燥難懂。授課內(nèi)容以歐拉法為研究方法，流體質(zhì)點(diǎn)為研究對(duì)象，通過對(duì)微元體的分析，建立描述流體運(yùn)動(dòng)的方程（連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程），從靜止流體到運(yùn)動(dòng)流體，從理想流體的運(yùn)動(dòng)到實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比討論。教學(xué)過程中不僅需要注重基本概念的講解，而且特別關(guān)注方程的物理意義及其應(yīng)用。對(duì)于復(fù)雜的公式推導(dǎo)要求學(xué)生理解思路，能自行建模并帶入相應(yīng)物理定律，能用數(shù)學(xué)表達(dá)式列出方程。為了解材料工程中動(dòng)量、能量和質(zhì)量傳遞規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

通過傳熱學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)使學(xué)生掌握傳熱現(xiàn)象的基本概念、基本規(guī)律，了解實(shí)際工程中影響傳熱效果的主要因素以及有關(guān)物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過建立熱阻的概念，采用傳熱網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行傳熱問題的分析討論。教學(xué)過程中，結(jié)合實(shí)際生活和典型的工程應(yīng)用中換熱問題，加深對(duì)傳熱基本規(guī)律的理解和應(yīng)用。類比傳熱過程與動(dòng)量傳遞的關(guān)系，學(xué)生能分析傳熱過程中涉及的各項(xiàng)傳遞機(jī)理，能用數(shù)學(xué)表達(dá)式列出方程。為解決實(shí)際工程中傳熱問題提供良好的理論基礎(chǔ)。

質(zhì)量傳遞的教學(xué)使學(xué)生了解傳導(dǎo)傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)中分子擴(kuò)散規(guī)律。在教學(xué)過程把這部分內(nèi)容與動(dòng)量傳遞、熱量傳遞的內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用學(xué)過的知識(shí)自行推導(dǎo)相應(yīng)的傳遞方程，使學(xué)生了解三種傳遞過程的相似性及其應(yīng)用方法。

（二）教學(xué)方法的改革

采用多層次的立體教學(xué)模式，緊密與現(xiàn)代化的教學(xué)手段相結(jié)合，在課堂教學(xué)過程中，將板書、多媒體、雨課堂相結(jié)合。成立了五人的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)每名教師的學(xué)術(shù)背景和授課經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分工，分別承擔(dān)流體力學(xué)，傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)三個(gè)方向的授課任務(wù)，開展材料工程基礎(chǔ)課堂教學(xué)改革實(shí)踐與探索。通過通識(shí)教育和信息技術(shù)的結(jié)合幫助學(xué)生理解和掌握該課程所要求的知識(shí)點(diǎn)。

1.課堂教學(xué)

課堂教學(xué)實(shí)施教書與育人相結(jié)合的方式，課堂形式靈活，講授中主要以啟發(fā)引導(dǎo)為主，輔助課堂討論和專題報(bào)告，幫助學(xué)生更好地理解。通過板書的展示，強(qiáng)調(diào)重要的知識(shí)點(diǎn)，理清知識(shí)脈絡(luò)，幫助學(xué)生理解物理模型的建立和方程的推導(dǎo)過程。

2.多媒體教學(xué)手段

多媒體課件中展示教學(xué)內(nèi)容和與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的生產(chǎn)生活實(shí)例。教師可以用多媒體進(jìn)行講解并演示動(dòng)態(tài)傳輸過程。

3.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段

本課程的教學(xué)大綱、課件等在雨課堂的App上發(fā)布，學(xué)生可在課堂上下載，課后也可以了解各章節(jié)主要知識(shí)，復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)，學(xué)生隨堂作業(yè)也通過App當(dāng)堂提交給老師。

4.課后練習(xí)手段

每章學(xué)完了基本理論后，所有需要掌握的知識(shí)點(diǎn)都給出一定量的課后習(xí)題作為練習(xí)，加深同學(xué)對(duì)課程內(nèi)容的理解和掌握。

5.完善課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)施過程

鼓勵(lì)學(xué)生在課程結(jié)束后利用學(xué)校已有的設(shè)備條件和項(xiàng)目資金，設(shè)計(jì)、改進(jìn)傳輸實(shí)驗(yàn)裝置。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前我們開設(shè)的材料工程基礎(chǔ)課中包括三種傳輸過程，但缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教具。圍繞工科院校學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)、指導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置，為材料工程基礎(chǔ)的教學(xué)提供簡單可行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)對(duì)傳遞相關(guān)原理和公式的理解和記憶，將課堂中的理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際生產(chǎn)或生活中可能遇到的問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校，學(xué)院可以提供的場(chǎng)地，設(shè)施等條件，親自設(shè)計(jì)，制造，應(yīng)用，改進(jìn)教學(xué)裝置。鼓勵(lì)學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯等一系列創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。推進(jìn)基于成果導(dǎo)向教育（outcome-based education）的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，指導(dǎo)教學(xué)改革實(shí)踐。

（四）建立新的教學(xué)考評(píng)體系

我們?cè)诳己诉^程中，以O(shè)BE為導(dǎo)向，以工程認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)變教學(xué)評(píng)價(jià)觀，將評(píng)價(jià)考核由知識(shí)點(diǎn)考察轉(zhuǎn)變?yōu)樗刭|(zhì)和能力考察。改革考試形式，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。課程的成績由課堂討論成績（10分）+作業(yè)成績（10分）+論文成績（20分）+課程理論考試成績（60分）構(gòu)成（理論考試成績由開卷考試20分和閉卷40分組成，其中對(duì)于需要選用復(fù)雜計(jì)算公式的應(yīng)用題目進(jìn)行開卷考試，由學(xué)生自行分析選取適用的公式，基本概念類的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行閉卷考試，采用流水閱卷形式核算得分）。

四、改革成效

動(dòng)量、能量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象是我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象。我們?cè)谑谡n過程中密切結(jié)合學(xué)生所熟悉的生活和生產(chǎn)的實(shí)際，認(rèn)識(shí)和研究傳輸現(xiàn)象的主要特征和基本規(guī)律，從而使認(rèn)識(shí)得到升華，使理解更加透徹。鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)的傳輸理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并組裝流體流動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)試裝置，通過調(diào)試改進(jìn)，已經(jīng)應(yīng)用到流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。根據(jù)學(xué)過的傳熱學(xué)知識(shí)，學(xué)生申報(bào)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目《實(shí)驗(yàn)室用小型真空退火爐設(shè)計(jì)》，其中真空退火爐中保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用到傳熱學(xué)中的輻射，對(duì)流，傳導(dǎo)傳熱知識(shí)點(diǎn)，如圖1，2所示。

四、結(jié)束語

我校是省屬應(yīng)用型院校，培養(yǎng)學(xué)生具有良好的科學(xué)素養(yǎng)和文化修養(yǎng)，接受從事研究與應(yīng)用的基本訓(xùn)練，受到良好的科學(xué)思維和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本訓(xùn)練，系統(tǒng)地、較好地掌握材料科學(xué)與工程專業(yè)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能與方法。初步了解學(xué)科當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)，為未來在材料科學(xué)領(lǐng)域，從事一般研究、應(yīng)用與開發(fā)或深造提供一個(gè)開展工作的堅(jiān)實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)是我們的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

通過對(duì)我校三屆學(xué)生的授課改革實(shí)踐，該課程在講授過程中盡量減少理論推導(dǎo)過程和數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科的應(yīng)用。在教學(xué)中要高度重視學(xué)生觀察事物現(xiàn)象、分析現(xiàn)象本質(zhì)及其各影響因素之間的相互關(guān)系，抓住主要矛盾并簡化定解問題，靈活運(yùn)用解析解、相似法、類比法等分析和處理問題的思路和能力的培養(yǎng)。計(jì)劃在2年內(nèi)做好材料工程基礎(chǔ)教學(xué)講義的編制，以及課程設(shè)計(jì)書、配套的習(xí)題解，做好教材的立體化開發(fā)。在講義的基礎(chǔ)上編撰適合本校學(xué)生的教材。

參考文獻(xiàn)

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