新工科背景下材料制備傳輸原理課程建設研究

司 晨

（北京航空航天大學材料科學與工程學院 北京 100191；北京航空航天大學材料科學與工程國家級實驗教學示范中心 北京 100191）

自然界中的物質時刻處于變動之中，對應著物理量從非平衡狀態向平衡狀態的轉移也無時無刻不在發生。這是一種非常普遍的傳輸現象，與人類日常生產生活息息相關。物質變化過程中所傳輸的物理量一般可以概括為熱量、質量和動量等。材料制備傳輸原理就是一門研究傳輸現象的學科，主要介紹動量傳輸、熱量傳輸和質量傳輸的基本概念、原理和規律。作為一門融合了高等數學、大學物理、材料科學和物理化學等知識背景的獨立學科，它將物理理論與數學工具相結合，并重點關注物理過程[1]。在材料制備傳輸原理課程的傳統教學中，復雜的物理概念和數學方程常使學生感到枯燥乏味，難以理解課程的精髓，從而喪失學習興趣[2]，傳統的教學方法也未能充分培養學生的創新思維和團隊合作能力。新工科教育理念要求學生具備綜合能力，包括扎實的專業知識儲備、創新能力、領導能力和實踐能力，以成為人文科學和工程領域的領軍人物[3-4]。因此，在新工科背景下，材料制備傳輸原理課程需要進行課程革新建設。

傳統的理論教學模式逐漸被實踐性教學所取代，新工科強調工程教育要培養學生的跨學科綜合能力。首先，課程需要將理論知識與實際工程問題相結合，使學生能夠在真實情景中應用所學知識解決問題。其次，新工科教育致力于培養學生的創新思維和創新能力，課程應該結合科學前沿，鼓勵學生在學習中進行創新性研究，探索未知領域。此外，新工科鼓勵學生跨學科合作，使不同領域的知識交流融合以產生更有創意和影響力的工程實踐方案。課程也應該引入更多相關領域的知識，如計算機科學、數據分析等，以便更好地應對材料制備過程中的復雜問題。基于以上新工科教育的要求，我們將從優化課程教學、創新教學方法和完善考核制度三個模塊來詳細闡述課程建設實踐的研究內容。

1 優化課程教學

1.1 精煉課堂教學內容，重構教學邏輯體系

材料制備傳輸原理課程可以分為動量傳輸、熱量傳輸和質量傳輸三大模塊，旨在讓學生掌握三種傳輸方式的基本概念、適用條件及解析方法。精煉課堂教學內容需要在教學內容全面覆蓋的基礎上進行精簡。動量傳輸部分涵蓋牛頓黏性定律、微分方程和納維-斯托克斯方程，具體介紹管道中的流體流動，探討相似原理并進行量綱分析，從而提升管道系統輸運性能。熱量傳輸部分包括導熱、對流和輻射三種傳熱方式：導熱部分著重強調傅里葉定律、導熱微分方程及其工程應用；對流傳熱主要包括管內對流傳熱和一般常用模型分析；輻射傳熱部分介紹黑體輻射的基本定律和表面輻射的計算。質量傳輸部分介紹基本概念和主要傳輸方式、菲克第一定律、質量傳輸微分方程、分子定態擴散和對流傳質等。

凝練的教學內容需要良好的教學邏輯體系來串聯，在建立傳輸模型的過程中，我們采用從實際情況入手抽象出物理概念，由淺入深，逐漸升維的邏輯思路。例如,在講授熱傳導部分時，從最簡單的無限大單層平壁導熱問題開始，首先建立起單層平壁的幾何模型，然后通過殼體平衡法推導出其導熱微分方程，通過有限元分析、數值模擬等方法就可以得到模型的解析解，再由一維情況類比分析三維情況。這種物理上逐漸升維，對應思想上由淺及深的教學方法更容易被學生理解和接受，可以提高他們對物理現象的本質特征和內在聯系的數學表達能力。

1.2 學科內容交叉融合，發展創新思維培養的新路徑

隨著移動互聯網和人工智能的迅速崛起，高等教育的學科內容設置也迎來了全新的挑戰。當前的工科學科幾乎涵蓋了包括材料、計算機、信息、電子、機械、電氣等學科在內的所有知識和相關技術工藝。新工科教育的獨特之處在于綜合應用，不受單一理論體系的束縛。材料制備傳輸原理課程建設將重點優化學科內容的跨界交叉和綜合融合[5]，引入相關學科知識和研究方法，特別是將流體力學和物理化學等領域與本課程有機融合。舉例來說，在傳熱過程的講解中，可以融入流體力學的流動模型以及物理化學中的熱傳導機制，有助于學生更好地理解不同流動模式下傳熱的特點。此外，通過應用Python 語言，學生能夠編寫程序來處理和分析傳輸過程中的數據。這對于解決涉及多個因素和復雜計算的問題非常有用，將為其未來的工程實踐打下堅實基礎。

2 創新教學方法

2.1 開放式教學，培養學生的學習興趣

傳統教學局限于書本理論知識傳授，教學方法主要是教師板書授課，期末考核也以閉卷考試為主，學生容易局限在理論基礎知識點的掌握上，與實踐結合不足，教師與學生之間沒有形成良好的互動關系，學生的學習情況也沒有形成完善的反饋機制，很難得知學生是否真正理解了課程思想并且能應用于實際，因此在凝練創新的教學內容基礎上，教學方法也要革新進步才能滿足新工科教育的需要。

在保持教學任務和目標不變的前提下，我們可以改變教師和學生的角色，讓學生將課程內容與自己感興趣的前沿領域相結合，進行案例分析并在課堂上展示。每位學生可以通過演講介紹他們感興趣領域中的傳輸原理案例。這種方法不僅可以培養學生對傳輸原理課程的興趣，還可以激發他們的創新潛力。學生不再感到枯燥乏味，因為他們可以探索冶金傳輸原理在其他領域的應用，從而提高他們的視野和獨立思考能力。這種開放式的教學方法非常有助于培養學生的創新思維、設計思維、工程思維和批判性思維。

2.2 仿真模擬與理論知識相結合，直觀化理解理論知識

將仿真模擬與理論知識相結合，創新材料制備傳輸原理課程的教學方法。以焊接熔池模擬仿真為例[6]：在傳統課程中，學生學習焊接傳輸原理時，可能會受到抽象理論知識的束縛，難以直觀理解焊接熔池內部的復雜傳輸過程。在新工科的教育理念下，可以引入焊接熔池模擬軟件，如Comsol、Multiphysics、Ansys 等。結合課程中的質量守恒、能量守恒和動量守恒原理，學生可以使用這些仿真工具來構建焊接熔池的數值模型，模擬焊接過程中熔池內的溫度分布、液態金屬流動、傳熱和質量傳輸等物理現象。通過調整模型中的參數，可以直觀地觀察到不同焊接條件下熔池的行為變化，例如溫度分布、焊縫形態等，從而進一步提高學生的綜合素質和實際應用能力，契合新工科的培養目標。

2.3 加強科研創新培養，培育優秀工程人才

新工科的核心目標之一是培養符合時代要求的工程人才，這要求課程內容要與科技前沿和產業需求保持同步。材料制備傳輸原理課程也需要引入最新的科研成果和技術進展，使學生了解并掌握當前領域的最新發展動態。這種緊密結合科研前沿的教學方式，有助于培養學生的敏感性和適應性，使他們能夠更好地應對日益變化的科技和產業環境。教師是在材料科學領域有豐富科研經驗的專家，在教學過程中，他們可結合自身科研經歷，向學生介紹科學研究方法和相關科學技術前沿，例如，教師可以分享自己在某個領域的最新研究成果，如新型材料的傳輸性能優化，新工藝的創新應用，傳輸現象的理論更新等。以培養學生的科研創新能力[7]。

2.4 思政教育融入課堂，實現育人價值目標

從課程類型來看，材料制備傳輸原理屬于工程類專業課程，其課程目標需要同時包括知識傳授、能力培養和價值觀塑造，具體要求應體現在知識、能力和價值觀三個方面[8]。其中，價值觀目標不僅是課程思政的具體表現，也是課程思政建設的核心[9]。在材料制備傳輸原理課程中融入思政教育可以通過實際案例的方式來實現。例如，在講授熱傳輸時，可以引入有關環境保護和可持續能源的案例，教師可以介紹全球氣候變化對能源需求和材料選擇的影響，以及工程師和科學家在可再生能源領域的工作如何推動社會的可持續發展。這些案例的引入可以激發學生的興趣，讓他們更加深入地思考課程內容與社會倫理和可持續發展之間的聯系。

3 完善考核體系

為實現新工科教育的培養目標，完善的考核體系作為培養合格人才的重要支撐必不可少。首先，應在新工科的背景下改進理論知識的考核方式。我們建立了一個基礎知識題庫，結合科學前沿不斷更新，引入更多工程實踐案例供學生學習和分析。我們將科研實踐中遇到的問題也納入考核內容，使考試題型更加多樣化。其次，項目設計作為一種高可行性的考核方式，要求學生根據三種傳輸現象的基本原理，結合工程實踐案例，設計能夠解決具體問題的項目方案。此外，案例分析也是一種有效的考核方式，學生需要分析工程案例，解釋其中應用的原理，評估案例的優缺點，并提出改進方案，這可以通過小組口頭演示或其他方式實施，有助于鍛煉學生的語言表達和團隊協作能力。

最后，基于上述多元的考核內容，我們形成了卷面筆試50%+項目設計20%+案例分析20%+平時表現10%的成績占比的多維度考核方式，以期做到理論知識學習、綜合能力提升、創新素質培養的全面考察。通過以上多元化的考核形式，更加注重實踐能力的培養，引導學生進行自主學習和創新，同時完善的考核體系也將推動教學質量的提高和教學改革的深入。

4 結語

材料制備傳輸原理課程教學改革是材料科學與工程專業課程新工科建設的重要內容。本文根據材料制備傳輸原理課程的特點和現狀，分析了該課程目前主要存在教學內容理論與實踐聯系不足、教學方法缺乏創新、考核形式單一等問題。針對現有問題，提出了從優化教學內容、創新教學方法和完善考核體系三個方面對該課程進行探索改革的思路和舉措。通過對課程的改革，激發了學生的學習熱情，培養了學生的科研精神和創新思維，為培養新工科背景下材料工程專業綜合型人才做出了積極的探索和嘗試。