材料工程基础省级精品课程实践教学平台建设

陈 杰，陆树河，廉晓庆，王志华

(西安科技大学 材料科学与工程学院，西安 710054)

0 引 言

材料工程基础是材料类专业的学科基础课，以注重加强材料工程基础理论与培养工程实践能力相结合为目标，探讨材料制造和加工过程中动量、热量和质量传递、干燥和燃料燃烧的基础理论课程，是材料学科创新创业型人才培养的重要课程之一[1-3]。

实验实践环节是材料工程基础课程的重要组成部分，是学生理解理论教学重点和难点的主要方式，是培养学生材料工程实践与创新能力的重要途径[4-5]。然而，教学中面临几点问题：①校内实践教学环节改革与建设滞后，缺乏系统化与科学化，实验仪器设备台套数不足，学生无法将所学理论知识与实际生产快速结合；②校外实践教学基地建设落地难，工业现场走马观花，多以参观为主，实际工程训练严重不足。

2015年起,在省级精品资源共享课程以及校级精品课程的资助下，开展了材料工程基础课程实践教学平台建设，构建了材料工程基础课程专业实验、传热传质仿真模拟实验、校内材料合成中试实验、校外产学研共建实习基地的一体化实践教学平台，为材料工程基础省级精品课程建设以及创新型人才培养进行了有益的研究与探索。

1 校内实践教学平台建设与实践

1.1 专业实践教学开放平台

(1)实验教材建设。材料工程基础课程主要研究材料领域内的各种材料及其制品加工的基础共性规律，涉及流体力学、传热、传质、干燥、燃料燃烧等5大部分，为了满足学生对材料工程基础理论的全面系统地掌握与理解，有效地培养学生的创新能力和动手能力，为学生进一步的专业课学习与实践打下良好、扎实的基础，总结多年教学实践经验，2010年在西北工业大学出版社出版了《无机材料科学与工程基础实验》教材，本书紧扣理论教学中的知识点，系统地介绍了材料工程基础领域相关的基础理论实验，着重介绍了实验设计原理、实验研究方法、实验数据处理等，主要包括绝热材料导热系数测定、松散材料导热系数测定、管道流体阻力的测定等设计型实验，干燥动力学实验、综合传热系数等综合性实验等14个实验[6]。突出实验内容之间的逻辑性、设计性、实际应用性。该教材被评为“第一届全国煤炭高等教育优秀教材”。

(2)开放实验平台。高等学校实践教学体系改革的重要内容是开放性实验平台的建设。开放实验室对强化学生的基本技能和动手能力，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，促进学生创新意识、合作精神的协调发展，激发学生的科学探索精神具有十分重要的意义[7-9]。在材料工程基础的实验教学中，以陕西省矿物材料实验教学示范中心为基础，为学生构建了开放式的实验教学平台。依据实验室所具备的实验测试设备情况，在学生对实验设备的特点和使用方法有充分了解的前提下，给定学生不同种类的材料或器件，提出测试要求，学生则根据所学知识并查阅相关资料，制定出实验方案，在教师引导下进行讨论、修改和完善，最后由学生自主完成实验操作、实验数据整理与分析等全过程。例如，学生可根据材料工程基础理论，自行设计材料导热系数测定的实验方案、设计并制作简单的材料合成炉、自主选择并购买保温材料等，自主选择时间，在实验教师的指导下开展实验。通过以上方式，学生们加深了对课堂所学理论知识的理解，实验动手能力和创新意识得到了提高。

1.2 传热传质仿真模拟实践教学平台

材料合成尤其是无机材料大多在1 000 ℃以上的高温下制备，动量传递、热量传递以及质量传递始终贯穿在材料的制备中，严重影响材料制备的质量、效率、成本及环保。数值模拟是研究热量传递和质量传递的重要手段[10-12]。培养学生了解和掌握ANSYS、FLUENT等数值计算软件的应用很有必要。2016年建立了材料数值模拟仿真实验室，利用现有商用软件平台，将大型数值计算软件ANSYS、FLUENT引入传热、传质教学。式(1)～(4)为学生通过传热分析，依据材料工程基础理论与碳化硅合成条件建立的碳化硅合成炉的数学模型，图1为几何模型，图2为学生对碳化硅合成炉中温度场模拟结果。

(1)

初始条件：

T(x,y)|t=o=T环

(2)

外边界条件：

(3)

内边界条件：

(4)

式中:w0为热流密度，b和h为热源的宽和高，T1，T2，…Tn为实验所测炉体表面各点温度，T环为当时当地的环境温度。

图1 碳化硅合成炉边界条件

图2 合成炉内不同合成时间下的温度场(℃)

通过开展材料计算仿真实验，学生不但能够掌握温度场、浓度场、热流密度、温度梯度等基本概念和等温线运移情况，并且了解了建立传热传质数学模型对解决实际工程问题的重要价值与意义，对抽象、枯燥的数学传输方程有了新的认识，激发了学习兴趣，取得了很好的教学效果，对今后解决工作中出现的复杂工程问题大有裨益。

1.3 中试实验教学平台

以学校矿物加工工程和机械工程材料博士点、材料科学与工程一级学科硕士点为依托，以无机非金属材料工程、金属材料工程、高分子材料工程和化学工程与工艺专业等为基础建设的陕西省硅镁材料工程中心，是国内首家以煤炭和矿物原料为主要资源进行硅类材料、镁类材料和复合材料及其生产工艺技术研发、孵化、中试及工业性实验的专业研究机构。以此为平台，开展综合性和实践性强的现场教学，取得了明显成效。例如利用工程中心的碳化硅高温中试炉进行现场实践教学，使学生充分认识到实际生产中的热量传递、质量传递现象，以及实际生产中如何强化有益传热、削弱有害传热的措施。解决了学生工程能力训练所需的校内实践平台缺失，工程创新和工程应用创业实践场地、仪器设备严重不足的问题，为材料工程基础创新人才的培养提供了优质资源。

2 校外实践实习基地教学平台

校外实践实习教学基地是连接学校和社会的桥梁[13-15]。通过校外企业的实践教学环节，学生进一步了解社会，认识企业，将材料工程基础课程中的工程基础理论及基础知识与工程实践结合起来，并在实践中将材料工程专业知识转化为具体的实践技能。

然而，我国大部分企业现代化程度高、技术保密性强，场地以及环境要求严格，很难一次性长时间的大规模接待学生进行实践训练，影响了校外实践教学的质量，不能满足创新型人才培养的需求。为此，以校企科研联盟为切入点，以产学研合作为基础，本着优势互补、资源共享、互惠互利、共同发展的原则，构建集科技服务、实践教学及人才培养为一体的产学研基地平台，形成了校企双方产学研合作的良好格局。目前我院已与陕西渭南新秦金属镁有限公司、陕西省有色金属控股公司、南玻集团、西安博尔新材料有限责任公司等单位建立了长期、紧密的校企合作关系，为材料工程基础省级精品资源共享课程的实习、实训提供了空间。

3 结 语

材料工程基础精品课程实践教学平台的建设，通过构建材料工程基础课程专业实验开放平台、传热传质仿真模拟实验平台、校内材料合成中试实验、校外产学研共建实习基地的一体化实践教学平台，大幅提高了学生对材料工程基础理论及基础知识的理解以及材料工程实践能力与创新能力的培养，取得了良好的成绩，我院学生先后获得第三届“互联网+”大学生创新创业大赛全国铜奖，陕西省金奖，教育部主办的第一届和第二届全国高校无机非金属材料基础知识竞赛二、三等奖。并获得多项国家级和省级的大学生创新创业训练计划项目。