材料科学与工程专业课程设计的实践探讨

王 剑 张王刚

太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024

材料科学兴起于20 世纪60 年代初，材料科学与工程专业是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学科。太原理工大学（以下简称“我校”）材料科学与工程专业是在原材料化学、材料物理和无机非金属材料专业方向上整合而来，旨在培养学生掌握材料科学与工程学科基础理论和专业知识，具有从事材料科学与工程领域相关科研与工程工作，解决材料领域复杂工程问题的能力，同时具有国际化视野、自主学习和终身学习的能力。

材料科学与工程专业课程设计，是在材料科学与工程专业学生修完相应基础课程及进行了生产实习之后，进行的一个重要实践环节。其目的在于巩固学生在课堂和生产实践所学的知识，培养其综合运用已学的材料基础理论和专业知识来解决材料制备、结构、性能相关问题的能力。我校材料科学与工程专业学生通过前期课程学习，学生已掌握了材料结构、加工制备工艺、性能之间的关系。在此基础上，课程设计使学生能够融会贯通地运用所学的知识，对材料制备及使用过程中的现象、结构变化和性能做出理论分析和解释，制定切实可行的加工制备工艺，培养学生的综合分析问题和解决问题的能力，同时通过课程设计培养学生查阅、应用文献的能力。我校材料科学与工程专业课程设计的具体要求，能够根据课程设计任务书查阅相关手册以及参考文献资料，熟悉设计规范的有关内容；能够综合考虑环境、成本和安全等多方面因素进行设计，评价材料科学与工程专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律及文化的影响；锻炼正确书写设计报告的基本技能，清晰表达设计内容；熟悉常用材料的性能，能够正确采集、准确分析并解释数据，能够根据工程环境需要进行正确的选材；根据使用条件进行正确的试验设计和措施选择。

由于材料科学与工程专业发展时间较短，在课程设计方面并没有成熟的方案可以参考，笔者通过参照其他学校材料类专业课程设计思路，针对材料科学与工程专业课程设计存在的问题，提出了关于材料科学与工程课程设计思路，培养了学生理论联系实际和发现及解决问题的能力，达到课程设计目的。

一、材料科学与工程课程设计现存问题

（一）没有成熟设计模式指导和参考

不同于传统工科专业，例如材料成型及控制工程专业的课程设计以模具设计、铸造设计［1］，机械工程及自动化专业的课程设计等，有成熟的教材或方案参考［2］。而材料科学与工程专业课程设计相关文献资料较少。尽管张宇等报道了新能源材料与器件专业“锂离子电池课程设计”的改革与探索［3］，张勋高等分析了《材料分析与表征》课程设计与教学实践［4］，但相关材料科学与工程的课程设计方案鲜有报道。如何从选题、布置任务、设计指导、设计评价等给出合理的课程设计方案是本专业需要思索的问题。

（二）课程设计题目选取存在难度

材料科学与工程课程设计倾向于实践课程范畴，安排时间较短，笔者所在学校材料科学与工程课程设计，安排于大四最后一学期开学前，仅有两周时间，这要求所给学生题目既不能太难，高于后续毕业设计的题目，也不能太简单，让学生觉得课程设计停留在简单的理论课程作业水平。因此，如何给出科学合理的课程设计题目，让学生在大学四年学习后达到学以致用是必须明确的问题。

（三）课程设计存在“纸上谈兵”现象

材料科学与工程的课程设置在前期偏理论，而课程设计的初衷正是希望学生可以将所学知识有所应用。尽管所给课程设计题目尽量贴近实际，但大部分学生经过设计后仍然感觉与实际生产遥远，存在“纸上谈兵”现象。因此，如何更好地让学生在课程设计过程中充分理解所学知识，并应用于实践，完成用理论指导实践，以实践验证理论的哲学升华是必须考虑的问题。

二、材料科学与工程课程设计改革思路

（一）结合实际给出课程设计题目

鉴于目前材料科学与工程课程设计参考题目较少，笔者在自己科研项目和前期研究基础上，结合目前发展迅速或较为成熟的碱金属负极材料制备及工业化，以及防腐蚀领域所用的缓蚀剂和防腐涂料制备及工业化，制定了5 个课程设计题目。这些题目分别是：百吨级硅碳负极材料制备及工艺设计、百吨级人造石墨材料制备及工艺设计、百吨级硬碳材料制备及工艺设计、环氧防腐蚀涂料选择及制备设计、聚氨酯防水涂料选择及制备设计。要求学生分别熟悉硅碳、人造石墨、硬碳、防腐涂料的组成、结构、制备工艺与性能之间的关系等，确定最佳制备方案。设计并确定一种材料的生产工艺，讨论设计配方，选择生产（制备）原料、设计工艺过程、选择生产设备，构思生产线，绘制工艺框图。上述题目既考虑了前期学习的材料结构、制备和性能评价等基础课程，又结合了实际生产要求的设备、工艺放大、安全、环保及经济和社会效益，对于提高学生结合实际生产理解所学材料理论知识有重要意义。

（二）设计过程给予正确指导

基于所学专业知识，面向生产实际中的复杂工程问题，明确设计任务的应用背景和应用对象，以解决实际工程问题为方向，充分吸纳专业知识、经济管理、人文素养等进行融合，开展具有创新意义的材料类设计与制造实践。以实践项目为载体，引导学生开阔创新思维方式，设计过程中主动探究材料制备及工业化流程，综合考虑环境、成本和安全等多方面因素进行设计，评价材料科学与工程专业工程实践和复杂工程问题解决方案对环保、安全、经济和社会效益的影响。针对所给题目，进行较为详细的物料衡算、热量衡算、设备的初步选型，针对生产过程中的安全问题以及“三废处理”详细说明，并利用计算机CAD 软件绘制生产工艺图。

为了提升学生自主学习能力，采用学生按照任务书要求自主设计，教师指导和监督的方式，指导过程中贯彻因材施教，将全班30 名同学分为5 个小组。每个小组首先查阅文献资料内容，理解所给题目设计的材料制备和工业化流程，并安排学生自己查阅相关工业化生产设备，询问原材料价格，考虑车间布置情况、安全生产情况、环保要求、经济和社会效益等，组织分组讨论，发挥学生的积极和创造性。由于设计时间仅为2 周，第一周主要进行布置任务、分组、资料查询、确定方案、分组讨论方案；第二周进行设计和相关计算、撰写设计报告。设计过程中，针对设计可行性给出合理化建议。遇到问题时进行答疑解惑，笔者分别在设计开始的第3 天、第6 天和第9 天，针对学生疑问进行了3 次答疑，及时帮助学生理解了课程设计重点和难点，培养学生的发现问题、自主思考和解决问题能力。

（三）课程设计报告规范与评价方法

结合专业课程设计矩阵要求，课程设计报告制定了如下统一规范进行撰写，包括前言；国内外研究现状、设计题目意义；设计任务和思路；生产工艺设计（包括生产原料、生产设备及生产工序、生产线及生产车间设备布置、安全生产和环境保护）；经济和社会效益；心得体会；参考文献。评价分为日常成绩（20%）、答辩成绩（30%）和课程报告（50%）。日常成绩主要考查学生是否按时到课，每次答疑时，可适当布置学生写几百字任务进展等给出成绩。答辩成绩针对每名学生均进行基础提问，考查学生前期是否真正进行了思考，所设计课题相关问题如下表1 所示。课程报告在学生上交后按照书写格式、逻辑思路等进行评价。

表1 材料科学与工程设计答辩环节回答问题总结

（四）安排学生参观实习完成验证

鉴于目前课程设计完成后，学生还不能对设计的理论和内容进行充分理解，笔者组织学生分别在锂电负极材料工厂和防腐涂料厂进行了实地参观，让学生更好地理解了自己所设计的理论知识，并验证了所设计报告是否与实际相符合。

三、结语

通过课程设计，大部分学生均能在规定的时间内顺利完成。设计内容既保障学生得到基本训练要求，又能使学习优秀的学生充分发挥创新思维，激发了学生的学习积极性。学生通过本次课程设计收获颇多，懂得了理论与实际结合的重要性，发现了之前理论学习过程的不足，培养了自己的创新能力。此外，培养了学生收集、分析和利用信息的综合能力，懂得了团队合作的重要性，增强了发现问题和解决问题的能力。真正利用自己的所思所想，所获所得，撰写课程设计报告和试验论文，认真对待知识产权。综上所述，课程设计的终极目标是应用于实践，应该在今后的设计过程中更进一步优化题目，全程指导，真正体现学生的自主性，为材料科学与工程专业培养合格人才把好课程设计关。