新工科背景下《材料工程基础》课程的审视与几点思考

赵国营 吴丹丹 申慧 江国健

【摘要】《材料工程基础》是材料类专业的一门专业核心基础课程，主要讲授材料在加工、生产、制造等环节遇到的质量传递、动量传递和能量传递等工程实际内容。本文在“新工科”专业建设背景下，重新审视了我校该课程的授课内容和授课形式，并对存在的问题提出了几点思考和建议，希望为“新工科”课程建设提供参考与借鉴。

【关键词】材料工程基础  新工科  研讨

【基金项目】上海市属高校应用型本科“材料科学与工程（建筑节能材料）”试点专业建设项目（编号：4521ZK 190008001）;上海应用技术大学《材料性能》校企合作课程建设项目。

【中图分类号】G64   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）35-0197-02

上海应用技术大学材料物理（光电材料）专业于2011年根据“培养新兴产业急需人才”的目的和宗旨获批设立招生。紧密围绕国家和上海市重点发展的光电产业，培养具有一定工程技术能力的应用型人才，聚焦领域包括发光与显示材料、激光材料、半导体材料、磁性材料、新能源材料与光催化材料等。经过十年的发展，已经形成学校特色鲜明的品牌专业。

依据学校高水平应用创新型大学的发展定位，参照教育部发布的材料类教学质量国家标准，我校材料物理专业于本年度面向大三下学期学生开设《材料工程基础》课程。授课内容以质量传递、动量传递和能量传递为主线，统领材料在加工制备环节遇到的流体运动、热量导入、两相反应、挥发与干燥、燃料燃烧等基本形式。2016年，“新工科（Emerging Engineering Education，3E）”基于国家发展战略新需求首次被提出[1]。经过全国多所工科高校近5年的建设与发展，如今已呈现蓬勃之势。尽管新工科建设在各高校取得了一些成果，并逐渐有新的学校在尝试，然而对应时代发展变化的系统性工程，新工科课程体系建设从提出、发展到成熟不是一蹴而就的，也没有成熟的模式可以照搬。这样，各高校开展新工科课程改革就具有明显的因地制宜属性。

在新工科建设的大背景下，针对《材料工程基础》的课程内容和授课形式，在充分融合知识性、时效性、交叉性、信息化等改革思路的前提下，结合我校培养一流创新型应用技术人才的发展定位，本年度我们对《材料工程基础》的授课内容和授课形式进行了一系列的改革举措，希望能够为材料物理专业的新工科课程体系建设提供经验和借鉴。

一、《材料工程基础》在材料物理专业课程体系中的定位

《材料工程基础》是面向材料物理专业开设的一门重要的专业基础课程，它的各个知识模块之间衔接程度较差，彼此相互独立，因此知识的连贯性差导致学生在学习过程中需要及时的切换研究对象和学习方法。本门课程根据生产实际，加入了大量的经验公式，因此在授课过程中有大段的公式函数推导过程，数学运算符号多，推导过程复杂晦涩，且部分的函数运算在高等数学和矩阵论中并没有提及，因此需要向学生先行讲解函数符号意义和运算方法。同时，必须认识到《材料工程基础》课程是融合了工业生产中最常见的流体、导热、传质、干燥、燃烧等现象，对于基本想象的理解和把握决定了学生工程实践的能力，是应用型创新人才培养的内在要求，不能因为晦涩难懂、错综繁冗而降低学习要求。

二、现行课程内容和授课形式存在的问题

1.各学校本门课程的授课内容和侧重点差异大

《材料工程基础》被教育部材料专业质量标准写入课程体系中，因此面向大多数材料类课程均开设了本门课程。在各个高校，材料类专业的培养方向具有显著差异，有的高校聚焦金属材料、有的侧重于无机材料、有的侧重于高分子材料。因此导致本门课程的授课内容也变得差异较大。根据授课内容的侧重点不同，授课教师选用的教材千差万别，比较多被采用的是孙晋涛教授编写的《硅酸盐工业热工基础》、周美玲教授主编的《材料工程基础》、徐德龙院士的《材料工程基础》。

2.公式多、推导多、定理多、模型多，理论性强

本门课程的前期基础课程包括《高等数学》《线性代数》《材料科学基础》《物理化学》等。只有在这些知识扎实掌握基础上，才能够进一步加深对于本门课程中对于公式推导的理解。而对于前期基础不扎实的学生，显然是加重了對公式推导的抵触心理。限于课程所涵盖知识点的多面性，公式推导、模型演绎在不同的板块均有涉及，这样学生的学习的积极性被反复打击，造成教学效果欠佳。

3.知识点内容模块化，各章节关联性差

我们以徐德龙院士主编的《材料工程基础》为例阐述，授课内容主要讲授基本的“三传一反”内容，扩展之后包括流体力学、两相运动、传热学、质量传递、物料干燥、燃烧等内容，每个部分都是独立的内容，研究对象都具有明显的差异性，且教学重点也有着明显不同，因此各个章节知识体系连接性较差，这导致学生在学习的时候学习内容碎片化，理解和记忆的难度增加。

三、新工科背景下本门课程建设的构想

2011年，上海应用技术大学（时称上海应用技术学院）立足学校发展目标，根据服务长三角区域发展的自身地位，紧跟时代潮流与高端制造业，开设了材料物理专业，并以光电材料为发展特色。十年来，已有近千人从这里毕业走向社会岗位。与此同时，材料物理专业的人才培养方案与课程大纲几经修订，时刻追随本领域的前沿热点，强调以德育人、知识育人，整个人才培养方案的科学性、合理性、实用性。2021年面向本专业大三下学期的学生开始开设《材料工程基础》课程，这既是参考了教育部材料类国家质量课程体系，又是本专业培养工程技术人才的内在要求。我们选用了徐德龙院士的《材料工程基础》作为参考教材，当前的光电材料形态包括激光晶体、荧光粉、光学玻璃、光功能陶瓷等等，这些材料是合成过程中主要遇到了加热、成型、干燥、流延等，而这些想象的理解和把握不可避免的用到了《材料工程基础》知识，因此本门课程没有明显的侧重点。经过一轮次的初探，并授课内容和形式进行了小幅度的改革后，有几个想法值得去认真思考。

1.授课内容改革

《材料工程基础》是架通基础与实践的桥梁，授课内容有很强的逻辑性。需要学生在前期高等数学、大学物理、大学化学、物理化学学习良好的基础上进行学习，然而我校学生在数学公示理解与换算方面存在明显短板，有少量同学是读预科而进入大学，这种基础的差异导致学生在遇到公式推导等内容的厌恶感，以至于对于后期学习内容也无法提起兴趣。以流体力学为例，我们处理流体静止与运动的时候会用到大量的微积分方程，甚至还会用到散度的概念，这是欧拉法处理数学模型常用的方法，但是课堂教学效果明显很差。因此在强调实用性的基础上，我们对课程内容中部分公式推导、逻辑运算等抽象内容进行了简化，供学有余力的同学用作探索式学习。

2.授课形式改革

新工科改革下的课程建设强调学科交叉性、时效性、智能制造等内容。因此针对实用性强的课程内容，相应的授课形式也遇到挑战。传统的老师在讲台讲课，学生在台下听课的形式并不能起到良好的教学效果。因此在实际教学环节，我们把基本概念放到课堂教学，注重讲解与学生的理解。综合利用多媒体手段，将常用的流体运动、燃烧等做成动态演示，加深学生对全过程的理解。积极争取虚拟仿真教学项目，通过模型建设，使学生能够身临其境的感受动态过程。

3.实验教学改革

由于是第一次开设本课程，实验教学相关的场地与设备暂缺。但是根据本门课程的研究对象，开设实验课程，能够将学生理解并掌握的基础工程知识运用于指导实践，对学生的学习效果将起到良好的推动作用。能够开设的实验课包括比托管的使用、流体阻力计算、粘度测试、燃料衡算等内容。依托这些基础实验，鼓励学生参加包括“互联网+”创新创业大賽、挑战杯、无机非金属材料教学大赛等学科竞赛，推动学生学以致用，加深对工程知识的热爱。

4.OBE达成度模块改革

本学期我们将学生的评价体系覆盖了教学的所有环节，学生的个人总评成绩=40%试卷成绩+40%过程化考核成绩+10%实验环节+10%平时成绩。以OBE达成度为目标，将总评成绩分割为四个模块，既能全面反应所有的教学环节，又能充分体现新工科背景下全过程育人，全方位育人的指导原则，彻底打破固有的平时不学，临考突击的应试模式。

四、结束语

通过对我校一轮次的《材料工程基础》授课探索实践，结合材料物理专业的人才培养目标，我们提出了很多改革的举措并付诸实践。在实践的过程中既有成功的经验，也有失败的教训。对授课内容、授课形式、实验教学以及最后的OBE评价，在今后的教学过程中，我们还会精雕细琢，使其更加符合新工科背景的育人模式，为本门课程的新工科建设积累经验。

参考文献：

[1]郭雨，陈君华，俞浩，陈俊明，郭腾，丁志杰，周永生，魏居孟.新工科视角下玻璃方向专业课体系的审视与序贯构建[J].红河学院学报，2021，19（2）：114-119

作者简介：

赵国营（1986年2月-），汉族，山东人，男，博士，上海应用技术大学材料科学与工程学院副教授，研究方向：光电玻璃。