基于“材料工程基礎”的工程教學探索

（同濟大學材料科學與工程學院 上海 201804）

在人類發展的歷史長河中，材料起著舉足輕重的作用，是人類社會文明進程的里程碑。幾乎所有的高校都具有材料學專業或材料科學與工學科專業。材料是人類社會發展的基礎和先導，有著自己博大精深的科學問題，同時又腳踏實地，給各行業以支撐，是一個頂天立地的學科，毫不夸張的說，沒有材料的發展，各行各業的高科技的發展很難成為現實。然而，由于近年來片面的追求高質量的論文，高校的人才引進大多引進的是具有很好基礎研究背景和高被引論文的青年才俊，雖然各工科學校都在進行專業的工程論證，但往往流于形式，存在工科院校“不工科”的現象：工科課程老師缺乏工程實踐背景、經驗和基本素養，工程課程課堂上照本宣科；目前的本科生大多是家中的獨生子女，連基本的生活常識都缺乏，更不要說工程的基本概念與知識了。

工程教學是高校工科類專業完成知識傳授和技能培養的關鍵環節。針對本專業培養目標及畢業要求對學生工程實踐能力培養的要求，如何培養學生分析、解決本專業領域復雜工程問題的能力，使學生未來成為具有創新能力的人才，已成為本專業人才培養必須深入思考的問題。本文基于作者所授課程《材料工程基礎》，研究其工程課程的教學方法，探索提升工程教育質量的有效途徑。

1 思政元素的必要性

2016年12月7日，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上發表重要講話，對我國高等教育發展方向提出了“四個服務”明確要求，即為人民服務，為中國共產黨治國理政服務，為鞏固和發展中國特色社會主義制度服務，為改革開放和社會主義現代化建設服務。黨的十九大以來，聚焦實現全員全過程全方位育人，教育部啟動“三全育人”綜合改革試點，同濟大學作為首批十所“三全育人”綜合改革試點高校之一，高度重視“三全育人”綜合改革，課堂作為教育的主陣地，理所當然地肩負著育人的重要責任，為實現國家富強、民族振興，培育社會主義事業的建設者與接班人。《材料工程基礎》是一門操作性和實用性都比較強的材料科學與工程及其相關專業的主干課程，涉及多個單元操作，理論和實踐能緊密聯系到一起。課堂授課過程中更容易挖掘思政元素，傳播社會主義核心價值觀，把先進的思想和理念傳達給學生，修身正己，立德樹人。

2 深刻理解科學與工程的區別與聯系

科學是指發現、積累并公認的普遍真理或普遍定理的運用，已系統化和公式化了的知識。科學是對自然界客觀規律的探索，科學的任務是要有所發現，從而增加人們的知識和精神財富，科學知識的基本形式是科學概念、科學假說和科學定律，科學有六大特性，即真理性、系統性、預見性、發展性、統一性和實用性。

工程是利用科學知識、方法和手段來改造自然，是實際的改造世界的物質實踐活動和建造實施過程。通過這一應用，讓自然為人類服務。工程同樣具備六大特性，即科學性、功利性、經濟性、創造性、發展性和審美性。

科學與工程兩者都是以科學技術為內核運行的，即以數學、物理、化學三者結合形成的技術理論來支持運行，但科學注重理論研究和未來發展研究，工程則注重于實施過程的具體工藝手段和管理方法。

3 牢牢抓住《材料工程基礎》的基本問題

材料工程基礎是材料科學與工程專業的一門專業基礎課程，使學生掌握和了解材料生產過程所涉及的相關工程問題。材料的生產一般包括兩大類基本步驟，一是原材料的生產，二是加工成型。原材料生產時各種材料制備特異性化學反應過程在化學反應工程中論述，各種材料的二次加工，主要在各種材料的成型加工工藝中論述，如塑料的成型工藝、無機材料的成型工藝等。《材料工程基礎》主要任務是介紹原材料制備過程中普遍存在的一些物理操作原理、計算和有關設備的選型以及研究方法。

《材料工程基礎》教學，其目的是培養學生獨立分析問題和解決材料工程問題的能力。教學內容分為三個部分：流體力學、熱量傳遞、質量傳遞，不論哪一部分內容，作為工程基礎課程，關鍵解決以下幾個問題：過程進行的物理原理、速率（=動力/阻力）、過程完成所需設備、強化或削弱過程的調節和經濟效益問題。各章節對比見表1。

表1：流體力學、熱量傳遞、質量傳遞類比

4 工程問題的研究方法

實際工程問題是一個復雜問題，涉及的變量很多，如何建立科學的分析解決工程問題的方法論，是教學的重點。《材料工程基礎》教學中的一個基本方法，就是建立理想（簡單）狀態模型，在進一步擴展到復雜狀態。在流體力學中，首先是無黏性流體狀態方程，在擴展到有黏性流體，普朗特提出的速度邊界層理論，成功地解決了黏滯性流體的某些流動問題；在對流傳熱中，也是類似引入熱邊界層曾的概念解決對流傳熱問題；傳質過程的吸收問題關于兩相間的物質傳遞機理應用最為廣泛地還是較早提出的“雙膜理論”。

5 優化材料工程基礎實踐教學的相關內容

傳統材料工程基礎教學忽略對學生實踐能力的培養，沒有足夠的實踐教學內容，這就需要在教學改革過程中，積極配置實踐教學內容、探索實踐教學的方法，采用將理論教學與實踐教學相互結合的方式，給學生創造更多理論聯系實際的機會和學習創造空間，一方面使學生加深對相關理論課程的理解，培育學生正確的問題解決能力，另一方面也讓學生更好地將所學理論知識轉化為個人的實踐經驗，促進學生學習效率，增強解決實際問題的能力。

在優化實踐教學環節的相關內容過程中，可以采用將企業與材料工程基礎實踐操作有關的知識內容引入到課堂中，也可以采用虛擬仿真的辦法，并讓學生認真學習相關技術和給學生營造真實生產環境等方式，培育學生工程觀念、實踐技能和動手能力，在實踐性教學和實踐的過程中，引導學生進行自主創新，積極模擬與材料工程基礎有關的實驗過程，可以帶領學生到相關企業工廠進行針對性的實習，提升學生的認知能力，達到優化實踐教學目標。另外，在培養學生實踐技能過程中，也可以采用建立長期教學實踐基地方式，使學生直接參與實際生產過程，學以致用。

6 線下與線上混合式教學相結合

為應對突如其來的疫情，各高校響應“停課不停教，停課不停學”的號召，紛紛推出以線上教學為主的教學模式，這對傳統的面授為主教學無疑是一個很好的補充，隨著各種新技術的日新月異，如智慧教室的使用為教育工作者的教學方式提供了更多的可能。后疫情時代，教師們也與時俱進，很快接受了角色的轉變，接受新事物，實現了教與學盡可能多元化，做到線上與線上教學混合教學，相輔相成。首先，傳統的線下教學有著線上教學不可替代的優越性，教師與學生可以面對面交流學習，學生與教師的互動性更強，教師可以根據學生的反應及時調整講課內容語授課進度，在課堂上靈活教學，教學模式相對多樣。線下教學也有其局限，如受地域和時間限制。線下教學必須有穩定的教學地點，線下教學教師和學生必須在同一時間參與進教學課堂，因此，線下教育成本高。線上教學可以利用互聯網多樣化教育資源，學生可以隨時隨地可開始學習，不受時間地點限制，學生還可以根據自身能力進行學習內容的調整，隨時隨地接受最新的知識信息。缺點是由于是線上，教師難以與學生更好的溝通。教學模式單一。只能通過網絡呈現給學生，互動性不強。因此可以同時利用線下線上優勢，進行混合教學，材料工程基礎課程教師可以在線下教學，與學生互動，及時了解學生狀態，同時利用智慧教室，開展卓有成效的教學。同時可以利用zoom、微信、騰訊等網絡平臺，對學生進行輔導，而且還可以將一個個知識點以慕課形式拍攝，放到網上供學生去觀看，供學生課后復習，易于學生對知識點的理解和掌握。除了上述比較寬泛的應用技術外，還有一些針對于的材料工程基礎的教學的軟件，進行材料模擬流程、虛擬仿真等，充分利用這些軟件，將抽象的東西具體化、實質化，提高課堂的效果，易于學生更好的理解。

綜上所述，“材料工程基礎”的工程教學，首先要明確教學的根本目的，其次要抓住課程的三個方面的問題：一是工程教學與傳統經典課程教學的區別于聯系；二是要抓住實際工程問題要解決的基本問題；三是要學會如何簡化的工程問題，再從簡化的工程問題擴展到現實的工程問題，解決實際工程問題。最后，還要利用現代教學手段，充分發揮好現代科技的優勢，最大程度的實現效果。