工程教育背景下“无机材料制备与性能检测”教学改革与探索*

胡亚茹 肖建敏 罗永勤 吴华霞 吴 锋 宋 强

（西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）

*基金项目：西安建筑科技大学一流专业项目“工程教育专业认证背景下无机材料制备与性能检测教学改革与实践（YL⁃ZY0501S07），就业为目标的卓越材料工程师校外实践教学模式改革与探索（YLZY0501Z03）”，陕西省教育科学规划课题“面向新工科的卓越材料工程师实践教学体系改革与探索(SGH18H117)”,“助学基金支持下的卓越材料工程师毕业设计模式改革与探索(SGH18H121)”，中国建设教育协会教育教学科研课题“面向新工科的建材专业卓越材料工程师实践教学体系改革与探索”(2019177)。

本栏编辑：李 瑜

无机材料制备与性能检测课程是西安建筑科技大学材料科学与工程专业依据《无机非金属材料工程专业规范》面向本科生开设的一门集中实践教学环节课程，该课程是在第七学期开展，此时学生已经完成所有基础课程和专业课程学习，具有一定的专业基础知识积累，其目的是培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和专业实验技能，针对现实工程问题提出实验方案、进行实验操作、分析实验结果，并写出课程设计论文。

2015年材料科学与工程专业通过了国际工程教育专业认证。工程教育专业认证是指专业认证机构针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证，旨在为相关工程技术人才进入工业界从业提供预备教育质量保证。工程教育[1-2]基本理念一是强调以学生为本，面向全体学生，将学生作为首要服务对象，学生和用人单位对学校或专业所提供服务的满意度是能否通过认证的重要指标；二是强调以学生为中心，以学生学习产出为导向（outcome-based），对照毕业生核心能力和素质要求，评价专业教育的有效性；三是强调合格评价与质量持续改进。

无机材料制备与性能检测课程依托“无机非金属材料国家级实验教学示范中心”“国家级人才培养模式创新实验区”“教育部生态水泥工程研究中心”等国家级教学科研平台，经过多年的建设，已确立了以干法水泥工艺理论与技术及水泥性能研究为主线的教学内容，形成了比较成熟教学流程，具有稳定的师资队伍，取得了一定的成绩和经验，但仍然存在教学内容陈旧、知识点单薄、方式单一、与专业课程联系不够、学生主体性不强等诸多问题。针对上述不足，结合工程教育要求和本专业特点，本文提出改进意见和措施，使课程更加契合工程教育的理念，更好支撑毕业要求，提升学生理论知识与实践相结合的能力和学生解决复杂工程问题的能力，提升学生科研能力，增强学生实践学习的主动性和参与性，对学生核心能力和综合素质形成硬支撑[3-7]。

1 构建“树”形课程知识架构，教学内容更加饱满

无机材料制备与性能检测课程目前包括两个课题方向：一是水泥生料配制及易烧性检测，内容是利用工厂原料根据“三率值”配制水泥生料并评价易烧性；另一个是复合水泥制备及性能测试，主要利用水泥熟料、石膏及其他掺合料配制复合水泥，并测定其凝结时间、安定性及规定龄期的力学性能，评价复合水泥等级。这两个课题方向涵盖了材料科学与工程专业材料工程方向从原料到水泥成品的全过程内容[8-9]。

在以往教学中，老师设计好实验步骤及控制参数，学生按要求走完实验流程，比较注重实验过程的完成度，与工程教育提倡的学生学习产出为导的理念相比，其知识点基本能满足毕业要求对此门课程的要求，但是作为一门综合性极强的课程，目前的教学内容还是略显单薄，与专业课联系不够紧密，没有形成立体知识架构。基于此，作者提出以课程基本实验流程为主干，专业基础课和专业课为枝叶的“树”形知识架构。以水泥生料配制及易烧性检测为例，基本流程为：课程设计动员→原料采集→原料破碎→原料干燥→原料粉磨→成分分析→配料计算→混料均化→生坯成型→中温预烧→高温煅烧→熟料冷却→熟料粉磨→质量评定→机理分析→论文撰写。课程设计动员包括安全教育、纪律要求、课程介绍、课程安排、课程考核要求等。实验部分可以引导学生从身边的混凝土谈起，再到水泥，进而到水泥熟料，从熟料的主要组分谈到原料的选择、水泥厂矿山的开采，原料的运输等一直到熟料的粉磨，形成从果到因、从终端到源头的逆向推演式讲授，这一部分可结合水泥工艺学、胶凝材料学、热工设备、粉体工程、材料科学基础等将工厂生产流程和实验环节相比较，一一对应，将现场参数和设备与实验室控制参数和仪器设备对照来讲，将专业课程相关内容引入到课堂讲解及讨论中来，让学生体会工业环节在实验室中的等效实现。在配料计算环节，除了传统的递减试凑法和尝试误差法外，可以参考计算机在材料工程中的应用课程中学到的规划求解等其他配料计算方法，体会不同方法的差异。在实验各个环节中，要结合相关课程加强仪器设备工作原理、化学反应机理等理论支撑、强化以往所学知识点。在产品质量评定阶段，生料易烧性评价中除了采用常规的化学滴定法外，可以借助实验中心大型仪器平台，结合材料研究与测试方法和材料基础实验课程，采用扫描电镜结合能谱仪对材料进行微观分析，通过光学显微镜对煅烧熟料进行岩相分析，分析其中各熟料矿物相和游离氧化钙的显微结构，也可采用x-ray衍射仪对产品进行物相分析，对熟料易烧性做半定量判断。在实验过程及论文撰写阶段，结合文献检索及科技论文写作课程，引导学生重拾课本，并借助图书馆相关数据库，高效查找有用文献，锻炼学生文献归纳能力，使用规范的专业术语就本专业复杂工程问题进行机理分析和文字表达的能力。通过对各门课程相关知识的回顾和综合运用，学生不仅完成整个课程设计全过程并对结果进行评价和机理分析，而且能体会专业课设置的必要性、彼此之间的环环相扣和相互补充。让学生在需要中重新再学习，在做中学，在学中做，达到做学共促。

2 让学生提前介入课程设计前期准备，授课方法更加多样化

以往的教学过程中，教师提前将实验材料准备好，设备调试好，甚至将试剂配制好，学生上课时直接使用，其并不了解实验前期过程，不知道实验准备的方法和对将来实验结果的影响情况，更不能体会准备工作的重要性，这对于学生面对工程复杂问题，独立进行科研工作是不利的。经过改革，尝试让学生提前介入课程设计准备阶段，了解实践过程中需要用到的原料、工具和仪器及其选择依据，了解相关标准规范对原料基本性能的要求，了解各种材料的使用量，准备方法，与工厂联系取料，运输等问题，参与原始数据收集及测试方法，了解各种测试方法的优缺点，了解材料价格和整个试验成本，提高学生全程参与度，锻炼处理问题的综合能力，为今后从事科研工作打下基础。

授课方法更加多样化，课程内容经过调整后更加饱满，相关知识点密集，相关背景知识覆盖全面，因此除了传统课堂讲授，随堂演示外，可以采用问答法，即老师抛出问题，学生回答，激发学生思维。对于一些综合性的复杂问题，可以借助微课、慕课、翻转课堂等方式开展混合式教学[10-11]，鼓励学生上图书馆查阅参考书籍，充分利用图书馆网上数据库，总结归纳,让学生借助多媒体及实物进行讲解，并与大家讨论，老师进行补充、纠正及答疑等；借助社交软件与学生保持沟通、及时指导答疑，将课内指导延伸到课外，形成开放课堂。

让学生提前介入课程，采用多种授课方式，使学生深度参与课题。改变了老师是演员，学生是观众，老师主动给予，学生被动接受，课堂是老师一言堂的局面，形成以学生为主体，教师为主导的新的教学模式。

3 规定动作和自选动作相结合，选题紧跟科研实际

在以往课程教学中，以水泥生料配制及易烧性检测课题为例，都是采用从水泥厂获取的传统原料配制生料进行实验，近几年来实验室除了传统的水泥制备工艺和性能方面研究外，也研究积累了一些工业固体废弃物在水泥行业的应用项目经验，比如建筑垃圾（废弃混凝土及废弃黏土砖）作为钙质或黏土质原料替代水泥原料生产水泥，城市污泥替代水泥原料生产水泥生料、磷石膏联产生产水泥、工业冶金废渣在水泥行业的应用等研究项目，相较于以往课程采用传统原料进行实验，这些新的研究方向直面水泥行业原料消耗大，优质资源紧缺的困境，契合国家工业固体废弃物资源化的理念，充分考虑到了工程复杂问题对社会、环境、资源可持续发展的影响，因此水泥工业必将是众多废弃物消纳、资源化的重要行业。基于此，在设计课程内容时，实验方案既要具备教学验证性，又具备一定的科研探索性。例如在配制水泥生料时，一方面学生要完成“规定动作”，即采用天然原料按照相关标准规范要求完成从生料制备到产品质量评价全过程训练；另一方面学生要结合科研项目尝试“自选动作”，进行探索性实验，研究不同原料（采用工业固体废弃物替代天然原料制备水泥生料）、煅烧工艺、冷却方式对产品性能的影响，对学生进行一定的科研训练。无机材料制备及性能检测课程基本内容和其他材料制备（合成）实验虽然研究对象不同，所用材料仪器设备不同，但基本思想和大体流程是共通的，所以经过这样“自选动作”的锻炼，可以拓宽学生的思路，增长见识，理解传统行业存在的与环境、资源、社会之间的矛盾及解决途径，对于从事其他领域科研也有一定的借鉴意[12-13]。

4 及时收集学生反馈，总结经验，持续改进

课程结束后，任课教师要对学生上课感受进行调研，收集学生意见，结合课程进行中及答辩质询过程暴露出的问题或薄弱环节进行总结分析，明确问题出现的原因，通过对课程内容、授课方式、进度安排等进行调整，查漏补缺，持续改进[14]和解决问题，形成“执行-反馈-改进”的教学质量管理闭合循环，达到以保证和提高教学质量，培养符合工程教育要求的技术人才为目的的螺旋式上升的循环，让工程教育永葆青春。

5 结语

在工程教育理念的引导下，在国家一流专业建设的要求下，进一步提升本科教学质量和工程教育技术人才的培养质量，被提到了前所未有的高度。无机材料制备及性能检测课程是学生即将进入毕业论文（设计）前的一次综合练兵，是对以往所学的“回头望”，通过探索改革，形成了全方位、立体化、多门专业课相融合的教学内容，课程的教学内容更加立体饱满，课程教学目标更加明确，教学方式更加丰富，该课程的实践学习，不仅使学生掌握有效的材料制备和研究方法，培养了学生分析问题、解决问题能力，提高了学生的文献查阅和文字语言表达能力，提高了学生的创新意识和团队协作精神，增强劳动观念和事业心，学生自主意识增强，综合能力得到了锻炼。经过改革调整后，课程内容倍增，要注意合理调配实验资源，恰当安排实验进度。另外，将学科前沿的科研成果有机地融合到课程教学中，将工厂实际和教学结合起来，开拓更多的自选试验，整合资源，谋求产学研深度融合也是我们今后努力的方向[15-17]。