应用型本科院校材料工程基础教学改革探讨
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[摘 要] 材料工程基础是材料类专业重要的一门专业基础课，教学目的要让学生掌握基本的专业知识，并能在此基础上联系生产实际，将所学的知识应用到实践环节。作为一所新建应用型本科高校，考虑到学生的生源和教师教学经验等实际情况，本文在教学内容，教学方法，实验教学，教学考评体系等方面阐述了课程改革的思路，提出适用于我校实际情况的改革方案并进行探讨。
[关键词] 材料工程基础;应用型;教学改革;探讨
[基金项目] 2018年西安航空学院校级质量工程项目“《材料工程基础》核心课程建设项目”（18ZLGC101）
[作者简介] 齐 铭（1983—），男，辽宁沈阳人，博士，西安航空学院材料工程学院讲师，研究方向为超导材料和粉末冶金;王 琛（1984—），女，山东德州人，博士，西安航空學院材料工程学院副教授，研究方向为材料制备与检测。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）35-0153-03 [收稿日期] 2019-08-30
材料科学基础所要讲授的内容包括晶体学、扩散、凝固、固态相变等，是从事材料工作的基本要求。需要研究材料的结构和性能的关系以及相关的科学问题。材料工程基础所要研究的是工程应用方面的问题，工程是指将自然科学的理论应用到具体工农业生产部门中形成的各学科的总称，是科学和数学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各结构、机器、产品、系统和过程，是以最短的时间和最少的人力、物力做出高效、可靠且对人类有用的东西。因此材料制备工艺制度的实现，以及在制备工程中的传热，传质效率，节能减排等都是材料工程基础所要解决的问题。前者偏重于理论，后者更倾向于在有了良好理论的基础上培养如何搞科研的思想和方法，二者密不可分。
一、课程特点及现状
材料工程基础是高等学校材料科学与工程一级学科专业课程体系中一门重要的学科基础课程。基本概念繁杂抽象，有的还涉及复杂的数学推演，在授课之前需要学生掌握并熟练应用高等数学，线性代数，材料科学基础，大学物理，大学化学等基础课的重要知识点。因此，在教学过程中要保证学生的学习积极性，防止学生因没有掌握前序知识，而失去对本课程的学习兴趣。
根据不同高校材料类专业的办学特色，材料工程基础的授课内容也各有不同，如安徽理工大学[1]选用孙晋涛教授编写的《硅酸盐工业热工基础》作为教材侧重无机非金属材料的制备技术。上海理工大学[2]选用了周美玲教授主编的《材料工程基础》，授课学时32学时，仅介绍金属、陶瓷、高分子材料以及其复合材料的制备过程，湖南大学[3]选用谢希文教授的《材料工程基础》和徐德龙院士的《材料工程基础》作为辅导教材，授课课时为64学时，将授课内容分为两部分，既包括各种材料复杂的材料制备原理，也包括传输原理，授课内容多，难度大。
二、西安航空学院教学现状
西安航空学院2012年由西安航空高等专科学校升格为本科，2013年在机械相关专业的基础上获批材料成型与控制工程专业，2014年获批材料科学与工程专业，2016年14级的两个材料类专业开设材料工程基础课程，此后材料科学与工程专业取消该课程，材料成型与控制工程专业15-18级培养大纲中继续开设该课程。根据我校目前办学的实际情况，和将以金属材料为主要特色的办学规划，我校的材料工程基础课程制定了以介绍传输原理为主要授课内容，授课课时为48学时的培养方案，涉及传输原理的教材除了材料工程基础，还包括以介绍流体流动、流体输送机械、沉降与过滤、传热、吸收、蒸馏、干燥为主的化工原理[4] （P1-10），以介绍冶金过程动量、热量和质量传输的基本概念、基本原理和规律为主的冶金传输原理[5]。
我们选用了徐德龙院士的《材料工程基础》作为辅导教材，吴树森教授的《材料加工冶金传输原理》为参考教材。作为一所以航空为特色的新建应用型本科高校，学校虽开有流体力学、传热学等介绍传输原理的相关课程，但是与材料专业所要求掌握的侧重点不同，也就没有适合材料专业的课程经验的积累，如何找到适合本校生源情况和教学情况的教学方法，使学生理解并掌握材料的工程问题，一切都要从头摸索。
三、西安航空学院改进措施
根据我校的生源和教师教学经验等实际情况，在授课过程中不断积累和总结经验，弥补教学经验的欠缺，提高学生的学习兴趣和对知识点的接受能力，在教学内容，教学方法，实验教学，教学考评体系等方面提出了适合我校材料专业材料工程基础教学的改革措施。
（一）教学内容的改革
教学内容的改革以工程研究方法为核心内容。一是明确课程在专业中的地位，高屋建瓴地把握课程的知识脉络;注重与前继课程等相关课程的衔接，帮助学生理清学习思路，使学生达到较好的学习效果。二是在提高学生抽象、严密的逻辑推理的同时，注意与材料生产过程中实际案例的结合，将生产实际和生活中的实例引入到教学中，培养学生解决问题的能力。如飞机的气动模型设计思路，热处理中淬火剂的选取，散热装置的设计等。三是对知识单元做较科学的遴选，选取适合我校生源实际情况的知识点进行讲授，对于数学推导难度大，影响因素多、不易理解的知识点进行简化或不讲授，如多元、非稳态的传输过程。利用生活中常见的相关案例解释理论知识，结合生产，生活现象，力求使各知识点通俗易懂。
在流体力学的学习中，包含大量的公式和定理。计算分析流体运动的过程所包括的知识面广，知识点间有紧密的联系，内容枯燥难懂。授课内容以欧拉法为研究方法，流体质点为研究对象，通过对微元体的分析，建立描述流体运动的方程（连续方程和运动方程），从静止流体到运动流体，从理想流体的运动到实际流体运动进行对比讨论。教学过程中不仅需要注重基本概念的讲解，而且特别关注方程的物理意义及其应用。对于复杂的公式推导要求学生理解思路，能自行建模并带入相应物理定律，能用数学表达式列出方程。为了解材料工程中动量、能量和质量传递规律奠定基础。 通过传热学基础的教学使学生掌握传热现象的基本概念、基本规律，了解实际工程中影响传热效果的主要因素以及有关物理量之间的内在联系。通过建立热阻的概念，采用传热网络分析方法进行传热问题的分析讨论。教学过程中，结合实际生活和典型的工程应用中换热问题，加深对传热基本规律的理解和应用。类比传热过程与动量传递的关系，学生能分析传热过程中涉及的各项传递机理，能用数学表达式列出方程。为解决实际工程中传热问题提供良好的理论基础。
质量传递的教学使学生了解传导传质、对流传质中分子扩散规律。在教学过程把这部分内容与动量传递、热量传递的内容进行关联，利用学过的知识自行推导相应的传递方程，使学生了解三种传递过程的相似性及其应用方法。
（二）教学方法的改革
采用多层次的立体教学模式，紧密与现代化的教学手段相结合，在课堂教学过程中，将板书、多媒体、雨课堂相结合。成立了五人的教学团队，根据每名教师的学术背景和授课经验进行分工，分别承担流体力学，传热学和传质学三个方向的授课任务，开展材料工程基础课堂教学改革实践与探索。通过通识教育和信息技术的结合帮助学生理解和掌握该课程所要求的知识点。
1.课堂教学
课堂教学实施教书与育人相结合的方式，课堂形式灵活，讲授中主要以启发引导为主，辅助课堂讨论和专题报告，帮助学生更好地理解。通过板书的展示，强调重要的知识点，理清知识脉络，帮助学生理解物理模型的建立和方程的推导过程。
2.多媒体教学手段
多媒体课件中展示教学内容和与知识点相关的生产生活实例。教师可以用多媒体进行讲解并演示动态传输过程。
3.网络教学手段
本课程的教学大纲、课件等在雨课堂的App上发布，学生可在课堂上下载，课后也可以了解各章节主要知识，复习巩固所学知识，学生随堂作业也通过App当堂提交给老师。
4.课后练习手段
每章学完了基本理论后，所有需要掌握的知识点都给出一定量的课后习题作为练习，加深同学对课程内容的理解和掌握。
5.完善课程设计，毕业设计的实施过程
鼓励学生在课程结束后利用学校已有的设备条件和项目资金，设计、改进传输实验装置。
（三）实验教学
目前我们开设的材料工程基础课中包括三种传输过程，但缺少相应的实验教具。围绕工科院校学生工程实践能力培养的目标、指导学生通过设计相关的实验装置，为材料工程基础的教学提供简单可行的实验教学装置，将理论知识运用到实践中，相关的实验演示可以激发学习兴趣，促进对传递相关原理和公式的理解和记忆，将课堂中的理论知识应用到解决实际生产或生活中可能遇到的问题。学生在学习理论知识的基础上，结合学校，学院可以提供的场地，设施等条件，亲自设计，制造，应用，改进教学装置。鼓励学生积极参加大学生创新创业、互联网+、挑战杯等一系列创新训练实验项目。推进基于成果导向教育（outcome-based education）的工科学生工程实践能力培养，指导教学改革实践。
（四）建立新的教学考评体系
我们在考核过程中，以OBE为导向，以工程认证为标准，转变教学评价观，将评价考核由知识点考察转变为素质和能力考察。改革考试形式，引导学生理论联系实际，激发学生的创新能力和系统设计能力。课程的成绩由课堂讨论成绩（10分）+作业成绩（10分）+论文成绩（20分）+课程理论考试成绩（60分）构成（理论考试成绩由开卷考试20分和闭卷40分组成，其中对于需要选用复杂计算公式的应用题目进行开卷考试，由学生自行分析选取适用的公式，基本概念类的知识点进行闭卷考试，采用流水阅卷形式核算得分）。
四、改革成效
动量、能量和质量的传输现象是我们日常生活和工业生产中普遍存在的现象。我们在授课过程中密切结合学生所熟悉的生活和生产的实际，认识和研究传输现象的主要特征和基本规律，从而使认识得到升华，使理解更加透彻。鼓励学生将所学的传输理论转化为实际应用。学生申报大学生创新创业训练项目，设计并组装流体流动阻力系数测试装置，通过调试改进，已经应用到流体力学的实验教学中。根据学过的传热学知识，学生申报毕业设计题目《实验室用小型真空退火炉设计》，其中真空退火炉中保温系统的设计应用到传热学中的辐射，对流，传导传热知识点，如图1，2所示。
四、结束语
我校是省属应用型院校，培养学生具有良好的科学素养和文化修养，接受从事研究与应用的基本训练，受到良好的科学思维和科学实验的基本训练，系统地、较好地掌握材料科学与工程专业的基本理论、基本知识和基本技能与方法。初步了解学科当前的发展现状和未来的发展趋势，为未来在材料科学领域，从事一般研究、应用与开发或深造提供一个开展工作的坚实的专业知识基础是我们的人才培养目标。
通过对我校三届学生的授课改革实践，该课程在讲授过程中尽量减少理论推导过程和数学、物理等基础学科的应用。在教学中要高度重视学生观察事物现象、分析现象本质及其各影响因素之间的相互关系，抓住主要矛盾并简化定解问题，灵活运用解析解、相似法、类比法等分析和处理问题的思路和能力的培养。计划在2年内做好材料工程基础教学讲义的编制，以及课程设计书、配套的习题解，做好教材的立体化开发。在讲义的基础上编撰适合本校学生的教材。
参考文献
[1]胡标，徐子芳.材料工程基础课程理论与实践教学探讨[J].教育教学论坛，2015（52）：171-172.
[2]何代华，刘新宽，李伟.“材料工程基础”课程教学改革探讨[J].上海理工大学学报（社会科学版），2017（4）：388-391.
[3]杨建校，肖汉宁，陈石林，等.《材料工程基础》课程教学的思考[J].教育教学论坛，2019（21）：209-211.
[4]王志魁.化工原理[M].北京：化學工业出版社，2018.
[5]张先棹.冶金传输原理[M].北京：冶金工业出版社，1991.
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