《材料工程基础》课程启发式教学的探索与实践

齐 倩，韩 野

（山东科技大学材料科学与工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

《材料工程基础》是教育部21世纪初高等教育改革项目“材料科学与工程专业人才培养方案及教学内容体系改革研究”中的主干专业基础课程[1]，也是山东科技大学材料科学与工程学院新能源材料与器件系的一门专业基础课程。根据本专业的知识需求，选用教材为武汉理工大学出版，徐德龙主编的《材料工程基础》，该教材包括流体力学基础，两相运动现象，传热学，质量传递基础，物料干燥，燃料及其燃烧六个章节。

材料优良性能和应用的实现，除了合理的成分和结构设计，还有非常关键的一环就是材料的制备与加工。大多数专业课程，例如《材料科学基础》，《材料物理性能》和《新能源材料合成与制备》，主要向学生介绍了材料的基本结构、性能和合成方法，是材料成分，结构与制备工艺设计的理论指导，但是具体制备过程却涉及多方面影响因素。很多学生遇到过一个普遍性问题，即材料的成分，结构与工艺设计合理，却难以制备得到理想的材料。相比之下，《材料工程基础》侧重于材料制备与加工过程中所涉及的基本理论与知识，探讨需要解决的基本问题[2]。但是，武汉理工大学出版的《材料工程基础》教材内容设计偏重理论知识讲解，包括大量的公式推导与计算，列举的相关应用实例较少，因此，对于学生而言，内容枯燥，不易调动学习兴趣，学生在课堂上缺乏激情，注意力不集中，教学效果较差[3]。针对该特点，结合本专业学生的知识需求，在设计授课内容时，将详细的公式推导过程作为课下自学内容，课上重点讲解公式建立的巧妙思维方式，例如第一章流体力学基础中的质量、动量和能量守恒公式的建立，合理的使用了系统和控制体的特点，并结合雷诺输运定理，将复杂问题简单化，推导出三个重要的守恒方程。“重思维，轻计算”的授课方式，让学生能更好地抓住重点，而不是被烦琐的计算占据大量时间和精力。

目前，《材料工程基础》课程的教学者们已尝试多种方式，将课程理论知识与工程实践相结合，激发学生的学习动力，例如武汉科技大学的张美杰等人调节教学内容，将教学内容紧密结合工程实际，分为课堂内容，课下与课外内容，提高学生兴趣[4]；湖南大学的杨建校等人将创新实验融入教学中，引导和鼓励学生参与到老师的科研活动中开展创新实验，理论联系实践[5]；西安科技大学的廉晓庆等人将工程实例选择性立体渗透到《材料工程基础》课程教学过程中，通过查阅文献资料选择新技术新工艺的研究成果作为工程实例，结合已开发的工程材料，例如以郑州瑞泰耐火科技有限公司开发的低导热多层复合莫来石节能砖为例讲综合传热计算，提高学生解决实际工程问题的能力[6]。针对上述问题，我们教学团队也开展了一系列的尝试，并发现启发式教学在《材料工程基础》的授课过程中对帮助学生理论联系实践具有良好的效果。

1 工程实例与课程内容有机融合方式──启发式教学

如何将工程实例与《材料工程基础》教学内容与教学过程有机结合，在恰当的时候引入合适的案例，并能够回归课本知识，起到良好的引导与辅助作用，是很多教学者致力研究的重点。我们教学团队尝试将启发式教学方式应用到《材料工程基础》的教学过程中。启发式教学就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习，以促进身心发展[7]。在授课过程中，首先引入工程实例，吸引学生的注意力，并提出工程实例中与课本知识相关联的问题，埋下伏笔，让学生去思考，激发学习兴趣，带着问题进行下面的学习，最后回归工程实例，用学过的知识解释工程实例中的问题，形成闭环，让学生切实体会到如何用知识解决实际问题，将课本知识所缺失的一环补上。下面将以几个具体案例介绍一下启发式教学在《材料工程基础》中的应用。

2 教学案例

2.1 流体的动量传递与新型手机壳材料

第一章流体力学基础中讲到流体的传输性质，相比质量和能量的传输，动量传输是教学难点，学生们理解困难，特别是具有特殊动量传递过程的非牛顿流体。基于此现象，我们首先介绍一种新型手机壳材料作为启发教学案例，通过视频向学生展示该材料的特点，用手轻轻揉捏的时候，像橡皮泥一样柔软，但是用外力敲击的时候，会瞬间变硬，对手机起到保护作用，这种流体即为非牛顿流体，其特殊性质就和流体中的动量传递有关，然后讲解粘滞现象以及牛顿粘性定律，并解释牛顿流体和非牛顿流体的差异，而非牛顿流体又为两种：一种为伪塑性流体，另一种为胀塑性流体，也就是前面提到的特殊手机壳材料。知识与日常生活应用相结合，让学生切实体会到知识的实用性。

2.2 传热学与神舟十三号

《材料工程基础》第三章主要介绍了三种传热过程，热传导、对流换热与辐射换热，该知识点对指导具有优异隔热或传热功能的材料设计具有重要意义。我们选择热点材料气凝胶作为切入点，以当下时事焦点神舟十三号的成功发射作为开篇，极大地吸引了学生的关注。2021年10月16日，神舟十三号载人飞船发射成功，这次三位航天员将在太空进行为期6个月的太空之旅，食物保存问题如何解决呢？这主要依靠由纳米SiO2气凝胶材料制成的低温锁柜，气凝胶特殊的结构使其具有优异的隔热保温性能，为什么该结构会具有优异的隔热保温性能，引发学生思考。然后，再进行传热学基本知识的讲解，解释气凝胶特殊的结构较好的限制了声子导热从而降低了气凝胶的热传导能力，类似的还有后面的对流换热与辐射换热。将传热学知识与当下热点材料及其应用相结合，可以很好地引导学生思考如何将知识应用到工程实践中，同时增加了知识趣味，激发了学生好奇心，课堂将不再枯燥。

2.3 物料干燥与景德镇的坯房设计

第五章物料干燥的影响因素，单纯讲解各种因素，学生难以理解和掌握，因此，我们以景德镇陶瓷的干燥过程为例，从古人的巧妙设计中分析现代的科学原理，既形象具体又助于学生们记忆。景德镇陶瓷坯体制备在传统的坯房中完成，坯房由正间、廒间和泥房三栋敞开式建筑组成，坯房中间为晒架塘，晒架塘储水，上方设置木制晒坯架，这就是坯体干燥的场所。为什么坯体干燥的场所要这样设计呢？首先，这个晒坯设计非常能体现古人智慧，廒间高度低于正间，保证充足的阳光照射到晒坯架，保证合适的温度，坯体置于架上，与空气有足够大的接触面积，有利于传热和传质的进行。晒架塘的重要的用途就是在太阳暴晒的时候，提高空气中水蒸气的含量，降低传质速率，避免因干燥速率过快而使坯体开裂。经过该过程，学生们可以更好地理解温度，空气与物料的接触面积和空气中水蒸气含量对物料干燥过程的影响。

3 结语

材料工程基础是材料学专业重要的基础课程，对指导材料的成功设计与制备具有重要意义，但理论知识与实际应用之间需要关键桥梁──工程实例。如何合理使用工程实例提高教学效果是一件值得细细研究的课题。通过启发式教学设计，列举案例，提出问题，讲解知识，回归案例进行解析，先吸引学生的注意力，引导学生跟着教师的思路听课，全程带着疑问进行思考，显著提高教学效果，让学生时刻体会到学以致用的乐趣。