基于实践实验教学的“材料工程基础”课程教学改革.pdf

75第 14 期(总第 812 期)科学咨询75教学研究“材料工程基础”是一门探讨材料制造和加工所依据的基本理论和基础知识的课程，被列为教育部21世纪初高等教育教学改革项目“材料科学与工程专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究”中的主干专业基础课程。该课程以注重加强学生的材料学科的工程基础理论与培养学生的工程实践能力为目标，根据应用型人才培养的要求，在材料类专业基础课程教学过程中，应该将具有时代性、代表性的工业生产及工程实例作为教学案例结合专业课程作为授课内容融入课堂教学环节1。在理论课程教学过程引入相关的实践实验课程体系，促进教学效果提升的同时提高学生的工程实践能力，培养胜任行业发展的应用技术型人才，具有重要的意义。一、课程内容及现状（一）课程的内容“材料工程基础”是材料以及相关专业的一门必修的专业基础课程。该课程是在掌握了高等数学、大学物理以及物理化学知识的基础上为进一步学习工程性专业课程而设置的基础课程，是由基础课向工程科学专业课过渡的入门课程2。同济大学浙江学院材料科学工程专业开设的“材料工程基础”以流体输送、传热、吸收、蒸馏和干燥为主要内容3。这些内容主要包括工程及工业实际中涉及相关设备的基本结构原理以及性能原理。例如，流体流动的基本原理、流体输送设备构造原理以及性能、热量传递原理及设备、质量传递原理、干燥原理以及设备等4。流体的动量传递、热量传递和质量传递均属于物理过程，在描述这些过程中，引入了一些抽象、专业的工程概念和术语，这些概念是后期工程模型建立、计算和应用的基础5。该课程的内容与实际生产和生活密切相关，因此在学习过程中需要紧密联系生产及工程实际，同时在学习基本原理的同时，逐步掌握各种分析问题和解决问题的思路和方法。（二）课程的现状传统的“材料工程基础”课程教学多采用课堂授课的形式，即教师借助教材通过“PPT+板书”的形式进行课堂面授，课程几乎是满堂灌，教师讲得疲惫，学生听得乏味，课堂缺少交流和活力。同时，在课程学习之前学生尚未接触过生产以及工程实际，对于基础理论在工业生产以及工程中的应用根本无法理解，难以将书本上的理论知识与工程实际相联系，这种经久不变的教学模式导致学生被动接受理论知识，挫败了学生学习的激情。此外，在教学改革之前，该课程的教学方法强调理论知识而忽略了实践性知识。学生在学习完成课程以后，往往只是掌握了单个的或者部分知识点，综合运用理论知识分析以及解决问题的能力无法得到锻炼。二、教学改革实践对专业老师而言，在课程教学中不但要考虑让学生具备扎实的理论基础，还要引导学生把理论学习与工程实践之间的关系联系起来实践实验教学环节是工科专业的重要组成部分，是学生理解理论教学重点和基于实践实验教学的“材料工程基础”课程教学改革花蕾，王晓东（同济大学浙江学院，浙江嘉兴314051）摘 要：根据应用型人才培养的要求，对材料类专业核心课程“材料工程基础”进行教学改革，其目的是进一步提高教学质量和效果，充分调动学生的学习积极性，提高他们的动手能力以及专业综合素质。本次教学改革实施主要途径为，设置与课程内容配设的实践实验体系，如常规的实验教学、自主创新综合实验、综合课程设计以及虚拟仿真实验。通过多样化的、理论联系实际的实践平台为材料类应用型人才的培养开辟专业课程教学改革的新方向。关键词:实践教学；自主创新实验；综合课程设计；虚拟仿真实验；教学改革基金项目：本文系“创新嘉兴优才支持计划”教育拔尖人才项目（211205JYBJ002）；校级重点项目“本科生导师制人才创新培养与质量保证体系建设及实践”（YLBK20003）；基于工科实践教学的虚拟仿真技术在专业实践教学中的探索（JKJS20024）的研究成果。作者简介：花蕾（1978），女，上海人，同济大学浙江学院土木工程系材料科学与工程教研室，教授。王晓东（1983），男，浙江嘉兴人，同济大学浙江学院土木工程系材料科学与工程教研室，讲师。76第 14 期(总第 812 期)科学咨询76教学研究难点的主要方式，也是培养学生工程实践与创新能力的重要途径。因此可以通过将课程教学内容中重点、难点与实践实验教学相互融合，通过实践实验教学环节，模拟与工程实际相结合的实践场景，有利于将书本上的理论知识与工程实际相联系6。在理论课程的授课中，把工业生产及工程案例与理论知识相结合是本教学改革探索的方向。本次教学改革即在教学过程引入相关的实践课程体系，促进教学效果提升的同时提高学生理论联系实际的能力。（一）常规的教学实验本课程根据重点知识点配设了常规的教学实验，其内容主要包括管道流体阻力的测定、对流传热综合实验、气体吸收等。这些常规的教学实验主要是弥补学生在课堂学习中的不足，巩固基础理论知识的同时，提高学生动手操作的能力。此类实验课程安排与教学大纲中内容相配适，即在课堂内容讲授结束后及时开展实验教学，让学生通过实验方式理解课堂授课的重点、难点知识点。在常规的教学实验中，教师会在课前布置与实验设备功能相关的问题，让学生在实验前进行讨论，提出合理的实验方案，然后利用现有实验装置进行验证性的实验。教师可以根据实验结论，帮助学生从理论上分析该过程的影响因素及其影响关系，加深学生的理解7。然而受课程总学时、实验设备台套数以及实验手段的限制，本次教学改革仅开设了与课程配设的34个常规实验项目，此类实验均为验证性的独立实验，仅仅能满足学生掌握知识点，提高动手能力的需求，缺乏综合性以及创新性的特点。（二）自主创新综合实验自主创新综合实验作为常规教学实验的补充，主要目的是让学生通过工程实例展开模拟性、自主创新性的综合实验，增强他们创新实践能力的同时提高动手能力8。在实验过程中，学生根据所学的理论知识，结合学校可以提供的场地、设施等条件，利用一些简单的实验耗材来搭建实验所需装置，开展相关综合性的实验。例如，在化学工业生产中，许多设备或管道在高温或低温下操作，需要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失，则需要保温(或隔热)；石油输送中热油沿管路输运过程中会不断散热，输运管道需要保温，需要考虑当地土壤环境及气候的同时还需设置加热站和泵站。诸如此类的工程案例均为典型的多层圆筒壁导热与对流传热综合问题，并且涉及了传热学与热力学相关知识点综合应用。在自主创新综合实验中，指导教师以工程案例为研究对象，让学生利用相似理论，模拟实际工程的条件，通过改变实验条件，例如，改变流体管道的直径、位置、流体的流量、流速等来计算流体的导热系数、阻力损失、水头损失等，实现学生对流体力学与传热学相结合知识点的理解。例如：在某个自主创新综合实验中，首先，学生根据教师所给的工程案例完成实验模型的设计如图1所示；其次，根据实验模型合理地选择材料搭建实验模型装置；再次，将模拟液通过抽水泵注入搭建完成的实验模型内，保持模型内部模拟液的循环达到稳定；最后，学生根据工程实际的情况设计不同的实验条件开展实验，如图2所示。学生根据不同的实验条件得到实验数据，利用所学的理论公式求得相应的实验结果。结合工程实际案例开设的自主创新综合实验课程易于调动学生学习的积极性，促进他们理论联系实际能力的发展，提高了他们的动手能力以及创新实践能力。图 1 学生根据教师所给的工程实际案例设计实验模型图图 2 学生根据工程案例模拟的不同实验条件开展实验的举例：（a）不同的管道直径；（b）管道浸没在流体中不同的位置；（c）管道直径变化后，管道内部流体温度变化的趋势；(d)管道在模拟液中位置发送变化式，管道内部液体的变化趋势。（三）综合课程设计教学实践环节开设了2个学分“材料工程设计”的77第 14 期(总第 812 期)科学咨询77教学研究综合课程设计。该课程设计开设的目的是考核学生对“材料工程基础”知识点的综合应用能力。在课程设计中，学生设计利用流体力学与传热学综合知识的综合换热器，如图3所示。在课程设计的过程中，需要学生自己作出决策，自己确定设计方案，选择流程，查阅资料，并进行过程和设备的计算。同时还需要对自己的选择作出论证和核算，经过反复的分析比较，选择最佳的方案和合理的设计。此类综合性课程设计能够培养学生独立工作能力的同时提高专业综合素质。图 3 某组学生设计的管壳式换热器（四）虚拟仿真教学平台虚拟仿真实验教学具有真实性、互动性、创新性、经济性及安全性等特点9。通过虚拟仿真实验平台可以避免实验时间、资源、原料和场地等客观因素对教学实践产生的影响，达到与实际操作同等的教学效果10。以精馏塔虚拟仿真实验操作为例，学生可以随时利用手机或电脑通过手机号或者邮箱号登录平台，进行精馏实验方案的设计及验证，得出实验结论。在虚拟仿真实验过程中，学会识别精馏塔内出现的几种操作状态，学习精馏塔的性能参数的测量方法以及测得精馏过程的动态特性，提高学生对精馏这一难点知识点的理解和学习。利用虚拟仿真实验平台教学，打破上课时间和地点的限制，实现一对一个性化教学，使每位学生都能够充分使用实验资源，学习实验知识，达成实验目标11。三、结束语在本次教学改革的过程中，“材料工程基础”课程的教学方式由原来的课堂填鸭式教学方式，改革为课堂内容、实验以及实践教学，三部分内容相互结合，互为补充的教学方式。除了常规的实验教学外，在本次教学改革中还引入了自主创新综合实验，该实验弥补了常规教学实验的不足，同时拓展了学生的动手能力以及创新实践能力；此外综合课程设计以及虚拟仿真实验的引入，为实现学生工程实践能力的提升提供了多样化的实践平台。通过多样化的、理论联系实际的实践实验平台为材料类应用型人才的培养开辟专业核心课程教学改革的新方向。参考文献：1 丁肇红,陈岚,叶银忠,等.专业基础课在工科应用型人才培养上的教学方法探索J.科教导刊,2016(6):87-88.2 张美杰,黄奥,顾华志,等.材料工程基础教学工程实践能力培养J.中国冶金教育,2017(179):68-70.3 袁华.材料工程基础 课程内容探讨J.中国科教创新导刊,2012(7):193-195.4 周勇敏.材料工程基础M.北京:化学工业出版社,2011.5 常志宏,徐小燕,潘海燕.论微型实验在 材料工程基础 教学中的应用J.广州化工,2015,43(2):157-158.6 陈杰,陆树河,廉晓庆,等.材料工程基础省级精品课程实践教学平台建设J.实验室研究与探索,2019,38(7):170-172.7 王瑶,徐威,俞路,等.化工原理实验中操作型问题分析与计算J.化工高等教育,2021,38(6):118-121.8 委福祥,王延庆,刘洪涛,等.“新工科”背景下材料专业实践教学体系探索J.实验室研究与探索,2019,38(1):197-200.9 刘育,孙连鹏,陈玉娟.环境科学与工程虚拟仿真实验教学中心建设初探J.实验室科学,2019,22(4):182-188.10 李晓丹,唐莹.虚拟仿真技术在材料类课程教学中的应用研究J.广东化工,2019,46(11):22711 程捷,闫红强,方征平,等.虚拟仿真项目在高分子材料与工程专业实验教学中的实践J.高分子通报,2021(8):63-68.