工程教育背景下“無機(jī)材料制備與性能檢測”教學(xué)改革與探索*

胡亞茹 肖建敏 羅永勤 吳華霞 吳 鋒 宋 強(qiáng)

（西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

*基金項目：西安建筑科技大學(xué)一流專業(yè)項目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下無機(jī)材料制備與性能檢測教學(xué)改革與實(shí)踐（YL?ZY0501S07），就業(yè)為目標(biāo)的卓越材料工程師校外實(shí)踐教學(xué)模式改革與探索（YLZY0501Z03）”，陜西省教育科學(xué)規(guī)劃課題“面向新工科的卓越材料工程師實(shí)踐教學(xué)體系改革與探索(SGH18H117)”,“助學(xué)基金支持下的卓越材料工程師畢業(yè)設(shè)計模式改革與探索(SGH18H121)”，中國建設(shè)教育協(xié)會教育教學(xué)科研課題“面向新工科的建材專業(yè)卓越材料工程師實(shí)踐教學(xué)體系改革與探索”(2019177)。

本欄編輯：李 瑜

無機(jī)材料制備與性能檢測課程是西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)依據(jù)《無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)規(guī)范》面向本科生開設(shè)的一門集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)課程，該課程是在第七學(xué)期開展，此時學(xué)生已經(jīng)完成所有基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程學(xué)習(xí)，具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識積累，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，針對現(xiàn)實(shí)工程問題提出實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并寫出課程設(shè)計論文。

2015年材料科學(xué)與工程專業(yè)通過了國際工程教育專業(yè)認(rèn)證。工程教育專業(yè)認(rèn)證是指專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)針對高等教育機(jī)構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)教育實(shí)施的專門性認(rèn)證，旨在為相關(guān)工程技術(shù)人才進(jìn)入工業(yè)界從業(yè)提供預(yù)備教育質(zhì)量保證。工程教育[1-2]基本理念一是強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本，面向全體學(xué)生，將學(xué)生作為首要服務(wù)對象，學(xué)生和用人單位對學(xué)校或?qū)I(yè)所提供服務(wù)的滿意度是能否通過認(rèn)證的重要指標(biāo)；二是強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向（outcome-based），對照畢業(yè)生核心能力和素質(zhì)要求，評價專業(yè)教育的有效性；三是強(qiáng)調(diào)合格評價與質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。

無機(jī)材料制備與性能檢測課程依托“無機(jī)非金屬材料國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”“國家級人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)”“教育部生態(tài)水泥工程研究中心”等國家級教學(xué)科研平臺，經(jīng)過多年的建設(shè)，已確立了以干法水泥工藝?yán)碚撆c技術(shù)及水泥性能研究為主線的教學(xué)內(nèi)容，形成了比較成熟教學(xué)流程，具有穩(wěn)定的師資隊伍，取得了一定的成績和經(jīng)驗(yàn)，但仍然存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、知識點(diǎn)單薄、方式單一、與專業(yè)課程聯(lián)系不夠、學(xué)生主體性不強(qiáng)等諸多問題。針對上述不足，結(jié)合工程教育要求和本專業(yè)特點(diǎn)，本文提出改進(jìn)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(yè)要求，提升學(xué)生理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的能力和學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提升學(xué)生科研能力，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的主動性和參與性，對學(xué)生核心能力和綜合素質(zhì)形成硬支撐[3-7]。

1 構(gòu)建“樹”形課程知識架構(gòu)，教學(xué)內(nèi)容更加飽滿

無機(jī)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(nèi)容是利用工廠原料根據(jù)“三率值”配制水泥生料并評價易燒性；另一個是復(fù)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(fù)合水泥，并測定其凝結(jié)時間、安定性及規(guī)定齡期的力學(xué)性能，評價復(fù)合水泥等級。這兩個課題方向涵蓋了材料科學(xué)與工程專業(yè)材料工程方向從原料到水泥成品的全過程內(nèi)容[8-9]。

在以往教學(xué)中，老師設(shè)計好實(shí)驗(yàn)步驟及控制參數(shù)，學(xué)生按要求走完實(shí)驗(yàn)流程，比較注重實(shí)驗(yàn)過程的完成度，與工程教育提倡的學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)的理念相比，其知識點(diǎn)基本能滿足畢業(yè)要求對此門課程的要求，但是作為一門綜合性極強(qiáng)的課程，目前的教學(xué)內(nèi)容還是略顯單薄，與專業(yè)課聯(lián)系不夠緊密，沒有形成立體知識架構(gòu)。基于此，作者提出以課程基本實(shí)驗(yàn)流程為主干，專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課為枝葉的“樹”形知識架構(gòu)。以水泥生料配制及易燒性檢測為例，基本流程為：課程設(shè)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(yù)燒→高溫煅燒→熟料冷卻→熟料粉磨→質(zhì)量評定→機(jī)理分析→論文撰寫。課程設(shè)計動員包括安全教育、紀(jì)律要求、課程介紹、課程安排、課程考核要求等。實(shí)驗(yàn)部分可以引導(dǎo)學(xué)生從身邊的混凝土談起，再到水泥，進(jìn)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(yùn)輸?shù)纫恢钡绞炝系姆勰ィ纬蓮墓揭颉慕K端到源頭的逆向推演式講授，這一部分可結(jié)合水泥工藝學(xué)、膠凝材料學(xué)、熱工設(shè)備、粉體工程、材料科學(xué)基礎(chǔ)等將工廠生產(chǎn)流程和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相比較，一一對應(yīng)，將現(xiàn)場參數(shù)和設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室控制參數(shù)和儀器設(shè)備對照來講，將專業(yè)課程相關(guān)內(nèi)容引入到課堂講解及討論中來，讓學(xué)生體會工業(yè)環(huán)節(jié)在實(shí)驗(yàn)室中的等效實(shí)現(xiàn)。在配料計算環(huán)節(jié)，除了傳統(tǒng)的遞減試湊法和嘗試誤差法外，可以參考計算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用課程中學(xué)到的規(guī)劃求解等其他配料計算方法，體會不同方法的差異。在實(shí)驗(yàn)各個環(huán)節(jié)中，要結(jié)合相關(guān)課程加強(qiáng)儀器設(shè)備工作原理、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等理論支撐、強(qiáng)化以往所學(xué)知識點(diǎn)。在產(chǎn)品質(zhì)量評定階段，生料易燒性評價中除了采用常規(guī)的化學(xué)滴定法外，可以借助實(shí)驗(yàn)中心大型儀器平臺，結(jié)合材料研究與測試方法和材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，采用掃描電鏡結(jié)合能譜儀對材料進(jìn)行微觀分析，通過光學(xué)顯微鏡對煅燒熟料進(jìn)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(jié)構(gòu)，也可采用x-ray衍射儀對產(chǎn)品進(jìn)行物相分析，對熟料易燒性做半定量判斷。在實(shí)驗(yàn)過程及論文撰寫階段，結(jié)合文獻(xiàn)檢索及科技論文寫作課程，引導(dǎo)學(xué)生重拾課本，并借助圖書館相關(guān)數(shù)據(jù)庫，高效查找有用文獻(xiàn)，鍛煉學(xué)生文獻(xiàn)歸納能力，使用規(guī)范的專業(yè)術(shù)語就本專業(yè)復(fù)雜工程問題進(jìn)行機(jī)理分析和文字表達(dá)的能力。通過對各門課程相關(guān)知識的回顧和綜合運(yùn)用，學(xué)生不僅完成整個課程設(shè)計全過程并對結(jié)果進(jìn)行評價和機(jī)理分析，而且能體會專業(yè)課設(shè)置的必要性、彼此之間的環(huán)環(huán)相扣和相互補(bǔ)充。讓學(xué)生在需要中重新再學(xué)習(xí)，在做中學(xué)，在學(xué)中做，達(dá)到做學(xué)共促。

2 讓學(xué)生提前介入課程設(shè)計前期準(zhǔn)備，授課方法更加多樣化

以往的教學(xué)過程中，教師提前將實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備好，設(shè)備調(diào)試好，甚至將試劑配制好，學(xué)生上課時直接使用，其并不了解實(shí)驗(yàn)前期過程，不知道實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的方法和對將來實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響情況，更不能體會準(zhǔn)備工作的重要性，這對于學(xué)生面對工程復(fù)雜問題，獨(dú)立進(jìn)行科研工作是不利的。經(jīng)過改革，嘗試讓學(xué)生提前介入課程設(shè)計準(zhǔn)備階段，了解實(shí)踐過程中需要用到的原料、工具和儀器及其選擇依據(jù)，了解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對原料基本性能的要求，了解各種材料的使用量，準(zhǔn)備方法，與工廠聯(lián)系取料，運(yùn)輸?shù)葐栴}，參與原始數(shù)據(jù)收集及測試方法，了解各種測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，了解材料價格和整個試驗(yàn)成本，提高學(xué)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(chǔ)。

授課方法更加多樣化，課程內(nèi)容經(jīng)過調(diào)整后更加飽滿，相關(guān)知識點(diǎn)密集，相關(guān)背景知識覆蓋全面，因此除了傳統(tǒng)課堂講授，隨堂演示外，可以采用問答法，即老師拋出問題，學(xué)生回答，激發(fā)學(xué)生思維。對于一些綜合性的復(fù)雜問題，可以借助微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等方式開展混合式教學(xué)[10-11]，鼓勵學(xué)生上圖書館查閱參考書籍，充分利用圖書館網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，總結(jié)歸納,讓學(xué)生借助多媒體及實(shí)物進(jìn)行講解，并與大家討論，老師進(jìn)行補(bǔ)充、糾正及答疑等；借助社交軟件與學(xué)生保持溝通、及時指導(dǎo)答疑，將課內(nèi)指導(dǎo)延伸到課外，形成開放課堂。

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

3 規(guī)定動作和自選動作相結(jié)合，選題緊跟科研實(shí)際

在以往課程教學(xué)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(tǒng)原料配制生料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，近幾年來實(shí)驗(yàn)室除了傳統(tǒng)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(yè)固體廢棄物在水泥行業(yè)的應(yīng)用項目經(jīng)驗(yàn)，比如建筑垃圾（廢棄混凝土及廢棄黏土磚）作為鈣質(zhì)或黏土質(zhì)原料替代水泥原料生產(chǎn)水泥，城市污泥替代水泥原料生產(chǎn)水泥生料、磷石膏聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)水泥、工業(yè)冶金廢渣在水泥行業(yè)的應(yīng)用等研究項目，相較于以往課程采用傳統(tǒng)原料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些新的研究方向直面水泥行業(yè)原料消耗大，優(yōu)質(zhì)資源緊缺的困境，契合國家工業(yè)固體廢棄物資源化的理念，充分考慮到了工程復(fù)雜問題對社會、環(huán)境、資源可持續(xù)發(fā)展的影響，因此水泥工業(yè)必將是眾多廢棄物消納、資源化的重要行業(yè)。基于此，在設(shè)計課程內(nèi)容時，實(shí)驗(yàn)方案既要具備教學(xué)驗(yàn)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(xué)生要完成“規(guī)定動作”，即采用天然原料按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求完成從生料制備到產(chǎn)品質(zhì)量評價全過程訓(xùn)練；另一方面學(xué)生要結(jié)合科研項目嘗試“自選動作”，進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，研究不同原料（采用工業(yè)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(chǎn)品性能的影響，對學(xué)生進(jìn)行一定的科研訓(xùn)練。無機(jī)材料制備及性能檢測課程基本內(nèi)容和其他材料制備（合成）實(shí)驗(yàn)雖然研究對象不同，所用材料儀器設(shè)備不同，但基本思想和大體流程是共通的，所以經(jīng)過這樣“自選動作”的鍛煉，可以拓寬學(xué)生的思路，增長見識，理解傳統(tǒng)行業(yè)存在的與環(huán)境、資源、社會之間的矛盾及解決途徑，對于從事其他領(lǐng)域科研也有一定的借鑒意[12-13]。

4 及時收集學(xué)生反饋，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)改進(jìn)

課程結(jié)束后，任課教師要對學(xué)生上課感受進(jìn)行調(diào)研，收集學(xué)生意見，結(jié)合課程進(jìn)行中及答辯質(zhì)詢過程暴露出的問題或薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)分析，明確問題出現(xiàn)的原因，通過對課程內(nèi)容、授課方式、進(jìn)度安排等進(jìn)行調(diào)整，查漏補(bǔ)缺，持續(xù)改進(jìn)[14]和解決問題，形成“執(zhí)行-反饋-改進(jìn)”的教學(xué)質(zhì)量管理閉合循環(huán)，達(dá)到以保證和提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)符合工程教育要求的技術(shù)人才為目的的螺旋式上升的循環(huán)，讓工程教育永葆青春。

5 結(jié)語

在工程教育理念的引導(dǎo)下，在國家一流專業(yè)建設(shè)的要求下，進(jìn)一步提升本科教學(xué)質(zhì)量和工程教育技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，被提到了前所未有的高度。無機(jī)材料制備及性能檢測課程是學(xué)生即將進(jìn)入畢業(yè)論文（設(shè)計）前的一次綜合練兵，是對以往所學(xué)的“回頭望”，通過探索改革，形成了全方位、立體化、多門專業(yè)課相融合的教學(xué)內(nèi)容，課程的教學(xué)內(nèi)容更加立體飽滿，課程教學(xué)目標(biāo)更加明確，教學(xué)方式更加豐富，該課程的實(shí)踐學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生掌握有效的材料制備和研究方法，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題能力，提高了學(xué)生的文獻(xiàn)查閱和文字語言表達(dá)能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊協(xié)作精神，增強(qiáng)勞動觀念和事業(yè)心，學(xué)生自主意識增強(qiáng)，綜合能力得到了鍛煉。經(jīng)過改革調(diào)整后，課程內(nèi)容倍增，要注意合理調(diào)配實(shí)驗(yàn)資源，恰當(dāng)安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。另外，將學(xué)科前沿的科研成果有機(jī)地融合到課程教學(xué)中，將工廠實(shí)際和教學(xué)結(jié)合起來，開拓更多的自選試驗(yàn)，整合資源，謀求產(chǎn)學(xué)研深度融合也是我們今后努力的方向[15-17]。