新工科背景下化工原理课程体系在材料工程基础中的融合与实践
薛诗山* 李华兰 刘树信
（绵阳师范学院 四川
绵阳 621000）
薛诗山*
1992—，汉族，四川绵阳人，绵阳师范学院，讲师，博士，主要从事功能高分子材料方面的研究。E-mail：xueshishancarol@163.com
摘要：在国家“新工科”建设背景下，地方应用型本科高校现有专业课程教学目标、教学内容、教学方法与手段、考核方式等均面临挑战。本文以材料科学与工程专业开设的《材料工程基础》课程为例，针对课程特点、课程现状、关键问题分析，结合应用化学专业开设的《化工原理》课程的教学特点等，提出了相应的教学改革方式，包括教学目标、教学内容、教学方法与手段以及考核机制的改革，从而达到提高教学质量、达到培养符合“新工科”要求的应用型人才培养目标。
关键词：新工科 材料工程基础 教学改革
Exploration of Reform in
Education of “Foundation of Material and Engineering” for Applied Undergraduate
under the Background of New Engineering
Shishan Xue*, Hualan Li, Shuxin Liu,
Dengliang He
(Chemistry and Chemical Engineering School,
Mianyang Normal University, Mianyang 621000)
Abstract: Under the background of “New
Engineering”, the teaching aims, teaching contents, teaching methods, examining
ways of major courses in the local applied undergraduate colleges were facing
the challenges. In this article, taking the “Foundation of Material and
Engineering” offered by the major of Materials Science and Engineering as an
example, proposed the corresponding reform in education strategies including
teaching aims, teaching contents, teaching methods and examining ways through
analysing of course characteristics and combining with the teaching
characteristics of “Principles of Chemical Engineering” offered by the major of
Applied Chemistry, present situation and key problems to improve the teaching
quality and cultivate the talents accorded with the application-oriented
talents required by “new engineering”.
Keywords: New Engineering1；Foundation of Material and Engineering 2；Reform in Education 3
《化工原理》是化工类、材料化学类等工科专业必修的专业基础课程，课程以“三传”为主线，主要包含了化工生产过程中的基础理论知识、基本原理、基本操作，具有极强的专业性和实践性，被誉为由化学实验学科到化工生产之间联系的桥梁。
为应对全球新一轮科技革命与产业变革，支撑国家服务创新驱动发展以及“中国制造2025”等国家战略计划，自2017年2月以来，国家教育部积极推动“新工科”研究和发展工作，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。目前“新工科”建设成为国内各大高校工科人才培养的主旋律，为工程人才培养指明了方向。[1, 2]新工科建设要求培养适应和引领新一轮科技革命的应用型卓越工程技术人才，同时，地方高校也肩负着为区域经济发展、科技发展、社会发展输送高质量高水平应用型工程技术人才的使命。因此，应用型本科高校在新工科背景下更应不断融入新理念、新要求、新途径，不断推进地方高校工程教育改革，为区域社会经济发展提供优质人才。[3]
《材料工程基础》是材料科学与工程专业开设的一门专业基础课程，[4]也是教育部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的研究”中的主干专业基础课程。[5]绵阳师范学院作为地方应用型高校，正积极开展新工科建设，基于此，绵阳师范学院《材料工程基础》教学团队总结与分析以往的教学模式，结合新工科背景和应用转型发展切实，以及本校获得的省级一流示范课程《化工原理》与《材料工程基础》内容的高度相似性，将具有丰富教学经验的《化工原理》课程的相关教学方法、教学理念、教学模式等引入到《材料工程基础》课程中，进行教学改革与实践，从而提高课程教学效果，契合新工科对材料类专业人才的需要。
一、《化工原理》的课程特点
《化工原理》是化学工程与工艺、应用化学、材料化学等化学工程类专业的专业基础课程。该课程主要围绕化工生产过程中动量、热量、质量的传递规律、传递效率、传递过程等问题，研究化工基本单元操作过程的基本理论及主要设备的选型、设计、操作等。
二、《材料工程基础》的课程特点
《材料工程基础》课程的主要围绕材料制备与加工过程中所涉及的基本理论和基本知识，探讨需要解决的基本问题，与《化工原理》课程在教学内容上具有高度相似性，课程以材料工程共性基础理论为主线，从工程研究方法、工程基础理论和工程理论应用等方面介绍材料工程领域相关基本理论及其应用。主要内容包括量纲分析及相似理论、流体流动基本原理及流体输送机械、热量传递及其应用、质量传递原理、物料干燥原理及技术、燃料及其燃烧过程与技术。
三、《材料工程基础》的课程现状
（一）教学内容的设置
绵阳师范学院材料科学与工程专业《材料工程基础》课程设置为理论（3.5学分，56学时）、实验（1学分，32学时），具体学时安排见表1。
理论教学内容主要包括量纲计算及相似理论、流体力学基础、传热学基础、传质理论、物料干燥、燃料燃烧几个部分。
实践教学内容则参考本校省级应用型一流课程《化工原理》实践教学方法、内容、模式，主要包括雷诺实验、流化床干燥实验、机械能验证实验、流体流动阻力测定、离心泵特性曲线制作、传热综合实验等，实验内容结合理论课，让学生在实践教学的过程中进一步巩固理论课所学知识，加深印象。
表1 教学内容及课时安排
|
教学内容 |
讲课/课时 |
实验/课时 |
|
量纲分析及相似理论 |
6 |
0 |
|
流体力学基础 |
20 |
24 |
|
传热学基础 |
14 |
4 |
|
质量传递原理 |
2 |
0 |
|
物料干燥 |
4 |
4 |
|
燃料燃烧 |
10 |
0 |
（二）考核评价体系设置
课程考核是检验教学内容和质量的重要环节，对学生的学习具有重要的督促和引导作用。《材料工程基础》考核评价体系包括理论课期中考试和期末考试，实验课期末考试以及实验报告等。
四、关键问题分析
根据《材料工程基础》理论课程教学内容繁杂枯燥，知识点跨度大，理论性强，基本概念繁多，对学生高等数学及线性代数基础要求高，导致学生学习兴趣下降，学习难度大，易产生厌学心理。实验课程与理论课程虽然相关，但并不囊括所有章节知识点，各章节课时分配不均，导致学生通过实验仅仅巩固部分知识点，从而出现学习薄弱环节。
五、教学改革思路
绵阳师范学院《材料工程基础》教学团队结合新工科背景和应用转型发展切实，对课程进行教学改革与实践，从而提高课程教学效果。
（一）优化教学目标、改善培养要求
通过本课程理论学习，让学生获得流体力学、传热学、质量传递、物料干燥、燃料燃烧等相关材料工程的基础理论知识和工程应用知识，使学生对基本工程问题具有初步的识别、表达、分析、获得有效结论、提出初步解决问题方案的能力。此外，“新工科”与应用型本科人才教学模式更加注重学生实践能力的培养。因此本课程围绕“新工科”与应用型本科人才培养要求，设立学生工程实践能力培养目标，指导学生设计相关实验装置，结合理论知识学习，推进基于成果导向教育（outcome-based-education）的新工科学生工程实践能力培养。
（二）凝练教学内容、优化教学方案
基于绵阳师范学院地方应用型高校定位，结合“新工科”背景下卓越工程人才培养需求，教学团队经过充分调研，将徐德龙院士和谢峻林教授主编的《材料工程基础》与文进教授主编的《材料工程基础》相结合，编写符合学校专业人才培养计划，满足“新工科”背景下应用型本科人才培养目标的教学大纲。
第一部分，量纲分析方法及相似理论，共6学时，主要讲述量纲基本概念、计算方法、相似理论，让学生充分掌握工程研究方法。
第二部分，流体力学基础，共20学时，从静力学入手，由浅入深，到动力学公式推导，一步步引导学生利用微元法推导方程，从而能够更加深刻记忆方程，理解方程应用条件。再配以16学时实验，巩固理论课中所学知识点，加深印象。
第三、四部分，传热学基础、传质原理，共16学时，讲述过程中，与流体力学基础结合，不断回顾流体力学中利用微元法推导运动方程的思想，使学生对比记忆，加深印象，更加深刻理解动量传递、热量传递及质量传递三者之间的区别与联系。再配以8学时实验，巩固理论课所学内容，加深印象。
第五部分，物料干燥，共4学时，与传质原理、流体动力学相结合，讲述的过程中不断回顾，从而使学生进一步巩固本门课程的重难点问题。再配以4学时实验，与理论课相结合，加深印象。
第六部分，燃料燃烧，共10学时，重点讲述燃料性质、燃烧计算，在其中不断举例，与生活中常见燃料为例，结合生活现象，使学生印象深刻。再配以4学时实验课程，以实际燃料为例进行燃烧计算，巩固本章理论知识重难点学习。
（三）丰富教学方式、提高教学效果
本课程知识繁杂、计算量大、公式推导复杂、学生数学基础薄弱，现行的PPT讲述方式效果有限。因此授课过程中，应采取PPT展示、板书推导、视频动画演示等方式相结合，使课程学习更加生动形象。PPT展示，图文并茂，吸引学生注意，精炼知识点，提高教学效率；板书推导公式，一步步引导学生进行公式推导，同时让学生参与推导过程，大大提高教学效果；而视频动画演示使教学内容更加丰富，学生更加直观学习如离心式泵与风机工作过程，更能吸引学生注意，提高学习兴趣。
（四）完善考核机制、实时反馈教学效果
课程考核对学生学习具有重要的督促和引领作用。通过课程考核不仅能够评价学生掌握本门课程的程度，还能引导学生在学习过程中有重点难点的突破。但仅仅依靠期末考试并不能在教学过程中掌握学生学习情况，无法适时调整教学方式。因此，在考核机制中，加大平时成绩比重，督促学生更加认真完成课后作业、随堂练习以及课堂笔记，以及时巩固所学知识，同时使授课教师能够得到学生学习效果的实时反馈，从而适时调整教学方式，以达到最佳教学效果。因此，学生成绩由平时成绩（40%）和期末成绩（60%）两部分组成。而平时成绩则由随堂练习成绩（20%），考勤成绩（10%），课堂笔记成绩（30%）和课后作业成绩（40%）四个部分组成（图1）。期末考试试卷在题型设计上也有进一步改革，除传统的填空题，选择题，名词解释，简答题和计算题外，还应设计综合性题型，结合实际工程问题和理论基础知识，让学生通过计算发现问题，提出改进方案，再通过计算验证方案的可行性，从而考察学生是否具备初步的识别、表达、分析、获得有效结论、提出初步解决问题方案的能力，达到“新工科”和应用型本科人才培养目标。
图1 材料工程基础课程考核方式
五、总结
在“新工科”背景下应用型本科工程技术人才培养任务艰巨，课程建设教学改革是一项极具科学性、且涉及面极广、影响深远、利国利民的系统工作。《材料工程基础》教学改革要在教学内容、教学方式、考核规则等方面不断研究探索，使学生掌握材料工程基础基本知识和学科前沿动态，从而实现培养“新工科”背景下应用型本科专业人才培养目标，以适应地方经济发展。
六、致谢
本项目感谢绵阳师范学院2021年度校级质量工程及教学改革研究项目支持（Mnu-JY210154；Mnu-JY210073）。
参考文献
[1]吴岩．新工科:高等工程教育的未来－对高等教育未来的战略思考[J]．高等工程教育研究,2018(6):1-3；
[2] 陈正宇, 田祥宏,胡国兵. 新工科背景下应用型本科高校卓越工程技术人才的培养[J]. 金陵科技学院学报, 2021, 35(1): 83-86.
[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究,2017(3):1-6.
[4] 文进,谢峻林. 《材料工程基础》课程改革与实践,2002,21(5): 110-111.
[5] 杨建校, 肖汉宁, 陈石林等. 《材料工程基础》课程教学的思考[J]. 教育教学论坛, 2019, 5(21): 209-211.
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