面向材料科学与工程专业的热工过程与设备课程教学思考和改革

何秦川

（成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059）

0 引言

目前，热工过程与设备课程已经成为许多高校的材料类专业课程之一，成都理工大学也面向材料科学与工程专业学生开设了本课程，旨在培养具备热工基础理论及实际应用能力的产品研发和技术研究人才。但在实际教学过程中，笔者发现本课程具有内容较复杂、设备技术更新快及学生掌握难度高等特点，使得实际教学质量和所要达成的教学内容存在差距[1，2]，当前随着“一带一路”等国家的倡议，培养学生的创新思维和创新能力等已经成为人才培养的根本，而本课程涉及面之广、更新速度快等理念完全符合培养学生创新能力和创新思维[3，4]。 为此，结合本专业特点展开对教学内容、 教学方法及考核方式进行课程思考和改革，以提高学生综合应用专业基础知识和课程的教学质量及教学成果。

热工过程与设备是材料科学与工程专业无机非金属材料方向的一门专业基础课程， 共2.5 学分，40学时，其中理论 40 学时、实验 0 学时、上机 0 学时。 本课程在高等数学、材料科学基础、材料工程基础、无机非金属材料工艺学、 材料物理化学等专业基础课之后，在大三学年秋季学期开出。 本课程支撑的毕业要求是能够设计针对材料科学与工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的材料、部件（零部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、安全、健康、法律、文化以及环境等因素。 本课程所涉及的指标点：指标点3-1，即能够掌握材料产品设计和开发的方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素；指标点3-2，即能够基于服役条件和性能要求，设计材料的生产或加工工艺与设备。 本课程教学目标是通过课程教学和实践环节，培养学生具有解决热工领域基本工程技术问题的能力，强化节能、减排和提高资源利用率的环境保护理念，具备不断深化学习和适应发展的专业能力，了解本专业方向的最新发展状况。 通过讲授与材料热加工有关的热工基础理论和设备知识，培养学生综合应用专业基础知识解决工程问题的能力。 能够针对具体材料的服役条件和性能要求，设计材料或加工工艺流程，确定设备的选型和操作条件，实现设备和操作的优化，有助于学生顺利进入并适应无机非金属及热加工领域的工作和学习。 本文以热工过程与设备课程为例，提出了在实际教学中存在的问题并探讨进行课程教学思考和改革。

1 课程教学的思考与存在问题

热工过程是无机非金属材料专业的重要研究方向之一，对学生理论知识和实践创新能力均提出较高的要求，是一门综合性较强的学科。 当前，成都理工大学材料科学与工程本科专业“热工过程与设备”课程采用的教材是由武汉工业大学出版社出版、张晋涛主编的《硅酸盐工业热工基础》及武汉工业大学出版社出版、刘振群主编的《陶瓷工业热工设备》这两本书，主要教学内容包括气体力学在窑炉中的应用、传热原理、燃料的燃烧过程与设备、隧道窑的工作原理和特点、玻璃熔窑、回转窑。 显然本教学内容的编排是按照对热工过程机理的分析及热工设备的工作原理分析所进行的， 因此较容易把内容串成一条逻辑线路，对学生把握整体框架更加有利。 但本课程涉及的内容较为广泛，而且不同热工过程和热工设备机理内容差异甚大， 这就要求授课老师不仅要对教学内容研磨吃透，还要对课程教学进行合理的规划以保证学生高质量的听课效果， 在授课过程中需要注意到分类讲述，更加注重培养学生利用综合应用专业基础知识解决工程问题的能力。

热工过程与设备课程在实际教学工作中也存在一些不利于学生基础理论知识学习与综合能力培养等问题，主要表现为:

（1）本课程所涵盖的学科内容非常丰富，包括但不限于材料工程学、物理化学、陶瓷学、热力学、材料科学等学科范围，部分所讲授内容可以根据学生前期所学专业知识简化讲解，有些则需要重点详细扩展讲解分析。 当前我院安排的教学课时为40 课时，如果将课程内容完全讲授或者平均分配可能会导致课程重点不突出及学生认知不足等问题，因此针对本专业的特点进行相关的课程教学的筛选和设计及其重要。

（2）由于该课程兼有理论复杂性和实践应用性，虽然传统的课堂教学手段与教学方法在实际教学上基本能达到预期目标，但对于学生综合应用专业基础知识解决工程问题的能力较差。 再加之受课程学时的限制，如果只通过教师在课堂上授课，即使课程内容扎实全面和讲解详细具体，学生也不会容易对所学习的内容产生浓厚兴趣，并且对学生的创新能力和综合应用专业基础知识的能力得不到提高，因此该课程需要采用更多新的教学手段和方法，激发学生的创新潜力和综合应用专业基础知识的能力。 近年来也涌现出较多新的教学方法和模式，但如何合理选择和实际应用还需要紧扣本课程的培养目标和专业特点。

（3）课程期末考核方法是促进学生高效学习、提高课堂教学及学生自主学习效果的有力途径，但单一的期末考核可能会造成学生选择死记硬背的错误学习方式，非常不利于毕业后学生将所学的这门课程的知识应用于实际工作中去。 从培养学生综合应用专业基础知识解决工程问题的能力出发，由于该课程的应用性很强和更新迭代速度较快，因此应该采取一些新的方法来综合考核学生的学习方法和学习效果，并且引入创新和综合应用能力考核的因素，让学生自主产生想要学习的动力。

2 教学改革具体措施

长期以来，教学改革中都在提倡改变以“教”为主的教学方式，转而变为以“学”为主的方式[5]。 在具体的教学改革上，我们尝试做了一些改变。

2.1 教学内容改革与探讨

由于热工过程与设备课程内容涉及较宽广的知识面，需要讲授理论和相关设备知识。 基于学时和课程的全面性考虑，针对材料科学与工程专业无机非金属材料方向的学生，笔者选用了武汉工业大学出版社的《硅酸盐工业热工基础》和《陶瓷工业热工设备》两本书作为教材。 本课程共涵盖六章知识，前三章主要讲授气体力学在窑炉中的应用和传热原理等热工基础知识，后三章内容讲授隧道窑和玻璃熔炉及回转窑等热工设备知识。 在讲授过程中，要注意引导同学们区分不同窑炉的结构和工作原理，区别各种窑炉的相关特点和分类等，从而加强学生对相关知识的掌握和理解。

在讲授本课程理论部分时， 由于材料科学基础、物理化学、材料工程基础、无机非金属材料工艺学等相关课程内容都将在本课程中来综合应用，因此需要对课程教学内容进行相应的优化、调整、精简和概括，合理完善课程顺序和教学重点与难点。 例如，在基础理论讲授内容中关于对流换热过程相似准数及准数方程导出的方法，该部分内容较为晦涩难懂，不利于学生的掌握， 但该部分内容对于后续学习很重要，因此需要对教学内容做出一些调整，把这部分内容带入实际工程中， 让学生阅读完该部分相关的内容后，随后对自然对流换热、自模化的物理意义及工程应用问题进行课堂讨论， 帮助学生理解该部分的实际应用，进而进行理论知识的深入探讨。 再如讲授到第五章玻璃窑炉时，知识点主要为玻璃窑炉的分类、结构组成和工作原理以及对窑内温度制度、压力制度、泡界线制度、气氛制度的要求，本章内容较少并且知识点较易，因此教学安排为2 课时，把课时更多的安排在其他重点章节。 当前，讲授所涉及的教材内容一般在数年内不会有太大的变化，但这并不意味着教学内容就一成不变[6]。 在实际讲授中，笔者还选讲了一些补充教材的内容， 但考虑到学生理解上的困难和课时等原因，在备课过程中尽量选择主要的两本教材配套内容来帮助学生加强理解知识。 此外，本课程包含的技术方法会随科学技术的发展而不断更新，因此除了课程讲授的内容外，本课程的教学内容要补充前沿科技动态，重点阐述新观念和相关领域成果。 例如，让学生主动的查阅玻璃窑炉的文献资料，了解现代玻璃窑炉的发展及应用，把最新的创新成果能够转化为知识体系和教学内容，让学生能够学习和了解最前沿的热工过程与设备研究。

2.2 教学方法改革与探讨

在教学过程中， 除了采用教师面授的方式以外，可以按照课程章节的内容来进行适当的分组讨论式、互动启发式、模拟实验等多种教学方法来进行教学方法的改革和探索。 具体措施主要包括：

（1）充分利用多媒体与传统教学相结合，让现代教育技术手段得以发挥，当前高校的教学几乎都以多媒体教学为主，但如何用多媒体教学来调动学生的积极性成为关注的焦点。 单一简易的去展示幻灯片会使学生产生学习疲劳感，养成不爱记笔记和不爱动脑思考的坏习惯， 因此要通过多媒体与传统教学相结合，对于相对简单易理解的概念采用多媒体展示，而对于反应机理及其相关计算则采用多媒体展示和传统板书相结合的形式来表现出来。 例如，在第一章气体力学在窑炉中的应用中讲解运用二流体伯努利方程对流动现象进行定性、定量分析的方法时，可以先通过多媒体播放工作原理的视频后，再通过传统板书来引导学生进行定性和定量的实际计算，充分调动学生积极性并加强对该部分内容的掌握。

（2）通过分享式、开放式、讨论式等教学方法引导学生参与到课堂中来。 例如，通过“学习通”等平台实施分组，然后进行各个小组的随堂讨论或随堂作业来让学生积极参与进来。 指导学生去主动查阅资料书籍、讨论分析后分享出来展示，从而启发学生积极思考和课堂讨论， 循序渐进的去培养学生主动发现问题、解决问题的能力。 本课程部分章节难度较大，对于一些同学理解较为困难，老师可以通过重点分析和引导课程重难点，激发学生的自主学习乐趣。 如课程第二章传热原理中，需要同学们了解常物性条件下固体内部导热微分方程的形式和物理意义；各类一维稳定态条件下热流密度及温度的分布特征；对流换热现象的完整封闭微分方程组及用其获得定解的条件等，老师在教学课程中要突出重点，对知识的讲解要详略得当，避免学生产生学习的疲劳感。

（3）结合科研和竞赛项目来培养学生研究和提高对热工过程与设备有关知识的创新能力，实现科研和教学一体化模式，使科研和教学相互促进[7]。 例如，积极宣传和调动学生在各种学科竞赛、大学生创新创业和学院定期举行的科研讲座等项目活动来参与研究和学习， 通过分享在所参加的项目活动中的心得体会， 并且引发其他学生思考本项目可改进的可行性，极大的鼓舞学生们的创新思维和能力。

（4）增加本课程的教学方法评价和改进监督体系。例如，利用学校配套的“教学质量管理平台”发布学期教学评教问卷， 可以设置本课程教学重难点的掌握情况、学生感兴趣的教学内容等选项，通过学生对教学内容和方法的评教，了解学生掌握本课程重难点的学习情况，有选择性地进行拓展教学内容和改善教学方法。

（5）加强双边多元化教学，重点培养学生自身的学习能力，教学不应该是老师一个人的课堂，而是老师和同学双方相辅相成的共同结果，培养学生的主人翁意识。 要积极锻炼学生的学习思维，提升学生的创新能力，就要打破传统的教学思维，如学生通过课下自主查阅本课程的文献资料，并结合课本知识来总结出自己的看法和见解与老师同学们进行研讨交流。 而对于不同的同学出现各自不同观点的情况，老师应该进行整理总结并最后和同学们探讨讲解，让同学们对总结查阅和阅读文献的能力和语言表达能力得到了极大的自我提升，最难能可贵的是锻炼了学生的自主学习与创新发展的能力， 充分发散学生自己的思维，能够培养他们从不同角度切入分析问题和解决问题的能力。 所以加强双边多元化教学不单单是使学生更好地参与在课堂学习之中，更调动学生的积极学习能力与创新发展能力。 对学生今后的就业或是深造都是起着举足轻重的作用。

2.3 考核方式的改革与探讨

热工过程与设备是一门综合应用专业基础知识且实践性极强的课程，如果仅仅就单一的传统考试教学手段来测评学生们的平时学习情况，很难实现全面有效的教学效果评价，因此本课程进行了多种考核方式相结合的综合考核方法，考核方式主要分为平时和期末两部分：

（1）每个章节都通过“学习通”平台进行课前测验和课后随堂作业的布置，课前测验主要是以学生们预习的内容为主，帮助学生预习、引起学生们的兴趣和思考，充分调动学生们的积极性，课后测试注重结合课程内容重点对不同窑炉的工作原理进行对比，促进学生分类归纳知识点和完善知识储备，从而更好地考核学生的综合应用能力。

（2）期末考核采取考试和考查两种方式相结合，其中理论考试占期末最终成绩的60%，试题部分设置分值约20%的论述题来考核学生的专业创新能力和应用综合能力的水平。 剩余40%占比的总成绩通过小组完成实验报告和课堂表现及参加项目活动等的考查方式来考核学生寻找问题、分析和解决问题的自主学习能力。

综上，本课程考核方式的改革不仅仅是检测学生的学习情况，更多的目的是增加学生综合应用专业知识和用创新理念来鼓励学生开拓创新思维，在后续改革中，还要努力创造机会和条件，进一步完善热工过程与设备课程教学手段，全面提高教学质量，为培养符合国民经济和科学技术发展需求的材料专业工程技术人才贡献力量。

3 结语

热工过程与设备课程内容丰富，并且涉及学科及方法发展十分迅猛。 本课程的学习对材料科学与工程专业学生的专业素质、实践与创新能力有着切实地提高，因此有必要对热工过程与设备课程存在的教学内容、 教学方法及考核方式等方面进行教学思考和改革。 在对本课程思考和改革的过程中，应该把握三个关键原则， 一是针对材料科学与工程专业的特点；二是要理解在目前的新工科建设对实践和创新人才需求背景下，培养学生的创新思维、创新能力和创业精神已经成为人才培养的根本；三是以培养学生综合应用专业能力为导向， 进一步完善本课程的教学手段，以此对其他课程思考和改革提供参考意义。