材料工程基础课程优化设计及教学改革探索

赵志广 瞿晓玲（韶关学院化学与土木工程学院，广东韶关512005）

0 引言

材料工程基础是材料科学领域的一门重要的基础专业课程，旨在研究材料加工、生产、建造等过程中的动量理论，传热传质等。材料工程基础是无机金属材料工程专业的核心基础课，由于无机非金属材料的组成、结构与性能千差万别，易受原料、制备工艺等条件综合影响。但是，由于该课程本质上是高度理论性的，并且与生产和加工的实际过程密切相关，因此相对于该课程的内容而言相对深奥、枯燥，这使学生难以理解和产生厌倦感。因此，本课程对于专业知识体系的系统构建具有桥梁作用，也是学生建立材料学基本理论与应用能力的重要基础保障，该课程的教学质量与效果直接影响学生的专业素养与创新应用能力，对培养无机非金属材料工程及相关专业学生的工程实践能力具有无可代替的作用[1-2]。同时教学方式采用多元化，并对课堂进行科学性、人性化的管理。

1 材料工程基础课程的教学现状

1.1 课程教材设计迥异

目前各高校的材料学相关专业均设置材料工程基础课程作为专业基础或核心课程，但所用的教材却千差万别。例如：武汉理工大学出版的材料工程基础以材料制备的“三传一反”现象为主线，通过揭示动量、能量和质量传递的本质，介绍流体力学、传热学、传质学等基础理论知识，在此基础上，结合物料干燥与燃料燃烧两个应用，串联整个知识结构。北京航空航天大学出版的材料工程基础则广泛介绍陶瓷、金属以及有机高分子材料的成型过程中的原理、工艺以及技术，重点论述材料制备、材料加工、材料改性以及材料复合过程中的基本原理与工艺特点[3]。不同学校的材料工程基础课程侧重点不同，选用教材来源不同，教学内容也有差别，导致老师和学生在阅读相关资料的过程中无所适从。

1.2 课程教学内容理论性强

针对本学院无机非金属材料工程专业的发展特点，材料工程基础课程主要涉及硅酸盐材料，其制备过程中往往需要高温煅烧，这其中动量、能量和质量三种传递现象是其主要过程，学习这三种现象的本质对于正确理解无机非金属材料的制备原理具有重要意义。而这些现象一方面非常贴近工程实践，另一方面在讲解和学习过程中比较抽象，导致存在理论性强的特点。基本概念也繁多，理论知识庞杂，有些理论需要数学推导，对学生的数学基础要求较高，导致学生学习兴趣下降，学习难度增大。

1.3 章节知识点关联薄弱

材料的种类繁多，涉及的制备工艺千差万别，导致课程内容中知识点跨度非常大[4]。比如：第一章流体力学主要介绍流体流动过程中基本理论和规律，而第二章传热学主要介绍热量传递的基本规律，二者之间虽然具有相似性，但是所遵循的具体理论与学习方法完全不同。这就导致学生在学习过程中学习不连贯、知识点掌握不牢固。另外，内容上的跨度大也会造成教学知识点繁多，且各知识点之间没有明显的关联性，教学内容综合性很强，因此需重新梳理知识体系，优化教学设计方法。

2 关键问题分析

根据材料工程基础各章节内容的特点，教学内容设计上拟将教材中的章节内容进行模块化整理、分类，主要包括动量传递、热量传递、质量传递三个模块以及应用模块，如表1 所示。另外，材料工程基础实验及课程设计单独设课，为实践教学。

3 基于思维导图与工程实例选择性渗透的材料工程基础课程优化设计及教学改革探索

在前期的探索基础上，笔者对材料工程基础课程中的众多知识点进行有机关联，在继续沿用模块化课程设计的基础上，选取典型工程实例为主线，将不同的教学模块进行整体串联，有助于提高课程内部知识体系的逻辑性和关联性[5]。具体来说，项目实施过程主要是同一模块内部采取思维导图方法对各个知识点进行有机整合和关联，不同模块之间通过工程实例进行整体串联。

3.1 优化教学内容、凝练教学重点

根据本学院专业设置特点，结合本地就业特点与学生兴趣，我们针对水泥、陶瓷、耐火材料等传统硅酸盐材料以及新型材料的制备工艺特征，我们的教学内容主要介绍硅酸盐材料生产与应用过程中常见的流体（烟气、空气以及液体）流动问题、高效传热与换热问题、燃烧理论与燃烧器等，从而形成切合实际的教学体系。

3.2 优化教学设计、强化教学效果

通过分析同一模块以及模块之间知识点之间的关联性，构建课程内部的关联模型，借助思维导图的理念和工具，直观地将知识点之间的关系图呈现给学生。此外，无机非金属材料制备全过程中往往涉及流体力学基础、传热和传质、燃料及燃烧等所有知识，因此，选取代表性的工程实例，结合课程背景及应用的讲解，可以以具体的工程实例为主线，将不同模块之间有机地串联起来。

表1 材料工程基础课程主要内容

3.3 改进教学方法

材料工程基础是典型的应用型综合性较强的学科，理论性较强，采用传统的讲授法（LBL）能充分发挥教师对学生进度的掌控，利于学生系统性的全面学习[6-7]。对于实践综合应用型章节，如燃料燃烧、物料干燥等，采用PBL 法进行教学，教师以应用背景为引导，5-6 个学生为一组，通过预先查资料，并及时交流讨论，然后制成PPT 或相关材料，由一名学生讲解同时回答提问。在各组学生讲解结束后，教师根据情况对各个知识点和讲解重难点进行点评和总结，培养学生的自学能力和应用能力。

3.4 丰富教学手段

教学手段的改革目的就是要提高课程教学内容的形象性、生动性和通俗易懂性，提高教与学的效率，提高教学质量。采用现代教育技术，形成课程结构的立体结构，集视听、教案、习题、知识于一体。创造性地利用数值模拟（MATLAB、ANSYS）的方法，对流体力学、传热传质现象进行全方位立体呈现，增强学生的视觉感，提高教学质量[8]。最终，设计和完善与课程配套的教案、习题、课件和视频文件等多种教学资料。

4 结语

目前，材料工程基础的相关教材及教学过程均将不同知识内容划分为模块，造成知识点之间以及不同知识模块之间的关联性降低。我们以提高学生的学习效果，激发学生的学习兴趣为根本目标来优化材料工程基础课程知识体系。以实用性较高的思维导图模式，并结合典型工程案例，对课程知识内容进行整合、优化，结合先进的教学法，实现教师为主体和学生为主体的两种教学模式相结合，打通理论课和实验课鸿沟，实现理实一体化教学，为学生个性发展与素质和能力培养创设条件与环境。