无机非金属材料工程专业工程设计训练的拓展研究

何峰 谢峻林 杨虎 赵青林 姜洪舟

[摘 要] 无机非金属材料工程专业的工程设计训练承担着重要的课程任务，对材料专业新工科人才培养具有重要支撑。该专业在工程设计训练的具体实施中，还存在一些问题。为此该专业开展了一系列课程的教学改革。对工程设计训练的具体实施方法进行了拓展，开展了有针对性的研究。以课外科技创新活动为载体充实并拓展工程设计训练时效，有效地解决了相关问题，取得了非常好的成效。提升了该专业学生的工程素养与解决复杂工程问题等能力的培养，对积极响应无机非金属材料工程专业新工科人才培养的需要起到了支撑作用。

[关键词] 新工科;无机非金属材料工程;工程设计训练;拓展

[基金项目] 2020年度武汉理工大学教学改革研究项目“新工科背景下无机非金属材料工程专业人才培养模式改革探索”（W2020061）

[作者简介] 何 峰（1965—），男，重庆人，博士，武汉理工大学材料科学与工程学院教授，主要从事无机非金属材料研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）01-0054-04 [收稿日期] 2021-08-05

一、工程设计训练在材料专业新工科人才培养中的意义

工业发展时代不同，主题和内涵也不同，对工程技术人才也具有不同的需求，因此也推动了工程教育的不断变革与发展。不同工业时代具有相应时代的工程技术人才，同时工程技术人才也支撑相应工业时代的进步与发展。21世纪正经历着第四次工业革命，人工智能、物联网、传感技术、云计算、大数据存储与计算、区块链、新材料、生物科技、新能源等新科技的涌现，推动了创新技术和产业的快速发展，决定了工程教育4.0将经历变革性的发展。新工科成为全国性的工程教育改革行动，天津大学发布了新工科“天大方案”、电子科技大学发布了“成电方案”、华南理工大学发布了“新工科F计划”等。培养面向未来、面向世界、面向产业的新型工程科技人才，支撑创新时代新经济发展，成为新工科教育发展的根本宗旨。

大部分无机非金属材料的生产都伴随着较为复杂的热工过程，或者说热工过程是其整个材料生产的核心。尽管不同产品的加热目的、加热方式及最终目标有所不同，但是，加热过程中所遵循的基本规律是相同的。热工过程也是实现材料绿色制备、智能制造的关键阶段。从培养新工科材料人才的角度分析，热工过程属于复杂工程问题，是培养学生的关键点与难点。

在培养学生解决复杂工程问题方面，除了相关的理论课、实习、实训外，工程设计训练无疑是最为重要的支撑。工程设计训练很好地将理论知识与某一热工单元的自主设计相结合，为学生提供了一个将理论应用于实践的学习环节。通过学生较为系统的训练，培养其工程思维、工程素养、工程意识，建立法律意识、安全意识、环保意识等是不可或缺的。工程设计训练能够提升工程素养与解决复杂工程问题等能力的培养，对于积极响应无机非金属材料工程专业新工科人才培养的需求，其意义不言而喻。

二、工程设计训练在培养学生解决复杂工程问题中的作用

工程是人类综合运用科学理论和技术方法去改造客观世界的实践活动，是一种创造性的活动。现代工程学科之间存在广泛而又深入的交叉融合，作为一个多学科的综合体，越来越依赖于社会、政治、经济、环境、法律、安全和文化等背景支持。

无机非金属材料工程专业工程设计训练是培养学生解决复杂工程问题最有效的载体之一。通过本专业中具体的一个设计选题，学生可以模仿练习，进行工程表达，学习解决工程实际问题的思路和方法。本校无机非金属材料工学专业的工程设计训练设置了材料生产中关键热工设备、热工单元为内容。在掌握材料工艺理论、材料工程基础、相关设计程序和计算方法、学会全面思考工程问题方法的基础上，具备综合运用科学理论和技术方法分析解决复杂问题的基本能力。在关键热工设备、热工单元的设计中掌握工程表达方法与能力。通过较为系统的设计训练提高本专业学生培养工程意识和创新意识、创新能力，掌握初步的工程设计方法。

三、无机非金属材料工程专业工程设计训练存在的问题

在具体的教学实践中，无机非金属材料工程专业工程设计训练所涉及的内容多、难度大、过程复杂，课程对学生前期需要掌握的专业理论知识与相关技能要求高。

无机非金属材料工程专业工程设计训练要求高，所涉及的内容包括：（1）学生领取工程设计训练设计任务书，采取一人一题的方式，要求学生完成设计任务书中的所有训练内容。（2）典型热工单元的结构与方案确定、草图绘制，根据工程设计训练设计任务书的要求，学生进行相关的资料组织、热工计算、结构设计与参数确定。（3）在典型热工单元的结构与方案确定、草图绘制阶段考察通过以后，利用相关工程设计软件进行平面图、三視图纸的绘制。（4）综合答辩阶段，需要对自己的设计作品进行展示与方案交流。（5）作品说明书中需要完整体现技术，以及相关经济、环境、法律、安全等内容。

在进行工程设计训练的实施过程中遇到了一些问题：（1）由于本专业工程设计训练的要求高，所需要完成的内容多，为保证质量、顺利地完成相关训练内容，对指导教师、学生都提出了更高的要求。（2）学生对以工程方法表达工程内容、解决问题的理解与方法运用还处在初级阶段。（3）目前本专业培养方案的整体学分一再减少，学分安排紧张，本专业安排在工程设计训练的学分数为3学分，时间为3周。3周的时间内要良好地完成设计任务书的内容，学生还需要付出更多的努力。（4）绘图过程中需要使用CAD、BIM等工程设计软件，学生对相关软件的学习、掌握需要一定的时间。由于工程设计训练属于综合性的教学环节，在进行实际教学安排的过程中指导教师会感觉有压力，学生在完成该任务的时间不够充分，质量难以保证。如何保障在教学活动中学生的培养质量，需要对本专业进行相应的改革。

四、工程设计训练的改革实践

（一）工程设计训练的课程目标所支撑的毕业要求任务

工程设计训练安排在第七学期，是集工程知识—设计技能—工程素养培养为一体的综合性实践训练环节，其课程目标系统支撑了毕业要求3（设计/开发解决方案）的四个指标点，同时还兼顾支撑了毕业要求8.2和11.2这两个非技术能力指标点，具体内容见表1。要求学生能运用所学工程知识和工程设计方法完成热工装备设计，并在设计中考虑安全、法律、环境、规范、经济性等众多制约因素，因此需要将知识与工程表达、工程与环保、工程与法规、工程与社会、工程与管理等现代工程设计理念融合。

（二）加强工程设计训练相关的理论基础与具体设计单元结合

无机非金属材料工程专业的工程设计训练在支撑与培养学生解决复杂工程问题方面发挥了有效地作用。学生利用工程设计训练，将所掌握地材料工艺、热工工程的基本原理与典型无机非金属材料生产过程中工业热工单元（窑炉）的热工计算与设计相结合，完成相關设计训练内容。工程设计训练的难点在于，学生普遍感到所学的理论抽象，工业热工单元（窑炉）的热工计算与设计工程问题较多，如何将抽象的基础理论、计算数据、结构设想应用于设计中，使之具体话、图形化，实现理论与工程问题相结合是教学实践的重点。

大多数学生认为无机非金属材料工程专业工程设计训练是最难的实践实训课程之一。特别是如何将所学的理论知识与具体的设计实践相结合非常关键。在前期的教学中讲清基本概念、基本理论，以案例的方式介绍理论知识在解决实际工程问题中的应用，尽可能多地增加工程问题、工程设计案例分析，培养学生的工程观点。

（三）以课外创新为载体充实与拓展工程设计训练时效

根据无机非金属材料工程专业工程设计训练存在的问题，为有效地实施工程设计训练，高质量完成相关实训内容，顺应新工科人才培养的发展趋势，工程设计训练还有许多改革的空间。为更加有效地完成工程设计训练对培养学生解决复杂工程问题的支撑，解决工程设计训练中存在的问题，工程设计训练教学团队及相关课程团队开展了以下改革与实践。

1.加强专业内相关课程的衔接与配合。本专业内开设的与工程设计训练相关的课程主要有材料工程基础、无机非金属材料热工设备、无机非金属材料设计概论等。（1）材料工程基础主要是加强相关理论的讲解，如燃料燃烧、传热理论、环境保护、可持续发展等。（2）无机非金属材料热工设备主要对相关设备的工艺、结构特点、主要指标确定的依据、结构设计计算、材料选择等进行授课，综合考虑热工设备技术、经济、环境、法律、安全等因素。（3）无机非金属材料设计概论在完成相关教学内容的同时，需要加强对学生绘图软件的培训，即完成课堂集中讲解、考查课下相关绘图作品的方式，使学生在进入工程设计训练阶段前，较为熟练地掌握1～2种工程图绘制工具，为接下来的工程设计训练打下良好基础。

2.以课外科技创新活动为载体，充实与拓展工程设计训练时效。材料科学与工程学院每年都会组织“材料文化节”活动，其中有一个专题为由“圣戈班”冠名的“无机非金属材料工厂3D设计大赛”。该课外科技创新活动宗旨是为该专业及相关专业学生提供平台，使用工程绘图软件对无机非金属材料工厂中的各种机械单元、热工装备单元等进行设计，以考查学生对相关设备、结构单元的理解及工程表达的能力与水平。“材料文化节”针对的学生主体为大学2～3年级的本科学生，时长为4个月。

以课外科技创新活动为载体，充实与拓展工程设计训练时效的具体的做法为：（1）将由“圣戈班”冠名的“无机非金属材料工厂3D设计大赛”与本专业的工程设计训练相结合。（2）要求本专业的学生全员参加。（3）指导教师根据3D设计大赛与工程设计训练的具体要求进行布题。（4）使工程设计训练的周期由3周扩展为3个月。

通过2个周期的实践，笔者认为此次课程改革达到了改革的初衷，较为有效地解决实施过程中遇到的问题，取得了较好的成效。具体成效体现在以下几个方面：（1）将3D设计大赛与工程设计训练相结合，大大提高了学生与指导教师的认同度，学生的兴趣有所提高，实现了第一课堂与第二课堂的有效融合与衔接。（2）工程设计训练周期的扩展，解决了工程设计训练要求高、时间紧促的问题，使得工程设计训练的时间安排更加从容。（3）学生对本专业工程设计训练的理解、具体设计的理解、设计内容的覆盖面都有了提升，完成内容的质量有了明显的提高。（4）学生对以工程方法表达工程内容，解决问题的理解与方法运用有了一定的变化。（5）通过工程设计训练，学生对CAD、BIM等工程设计软件的使用已经较为熟练。图1为课程改革后学生设计的热工单元装备3D图。

结语

在新工科背景下，对无机非金属材料工程专业人才培养的要求越来越高，培养模式也随之发生着显著的变化。针对以往本校无机非金属材料工程专业工程设计训练过程中存在的问题，开展了相关教学改革。通过加强工程设计训练相关的理论基础与具体设计单元的结合，以课外创新为载体充实与拓展工程设计训练时效等举措，很好地将理论知识与工程实际相结合，将第一课堂与第二课堂相衔接，为学生提供了一个将理论应用于实践的学习环节。通过训练周期时间的扩展，经过1个周期工程设计训练的教学实践，学生得到了系统、充分、有效地训练，培养其工程思维、工程素养，提高了学生解决复杂工程问题的能力。此次课程改革达到了改革的初衷，深受广大学生的欢迎和积极参与，有效地解决了遇到的问题，取得了非常好的成效。

参考文献

[1]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.

[2]朱玉平，张学军.基于新工科的工程训练培养体系构建与实践[J].实验技术与管理，2021，38（1）：8-11.

[3]委福祥，王延庆，刘洪涛，等.“新工科”背景下材料专业实践教学体系探索[J].实验室研究与探索，2019，38（1）：197-200.

[4]何峰，謝峻林，文进，等.无机非金属材料专业工程设计训练的改革与实践[J].教育教学论坛，2020（45）：174-177.

Research on the Expansion of Engineering Design Training for Inorganic Non-metallic Material Engineering Specialty

HE Feng， XIE Jun-lin， YANG Hu， ZHAO Qing-lin， JIANG Hong-zhou

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： The engineering design training of inorganic non-metallic materials engineering undertakes the important course tasks， which has an important support for the training of Emerging Engineering Education talents in materials specialty. There are some problems in the specific implementation of engineering design training. Therefore， some teaching reforms have been carried out in this major. The specific implementation methods of engineering design training are expanded， and targeted research is carried out. Extracurricular scientific and technological innovation activities as the carrier are taken to enrich and expand the timeliness of engineering design training， which can effectively solve the relevant problems and achieve good results. It is very beneficial to improving the students’ engineering competence and ability for them to solve complex engineering problems， and actively respond to the needs of emerging engineering talent training of inorganic and non-metallic materials engineering.

Key words： Emerging Engineering Education; inorganic non-metallic materials engineering; engineering design training; expand