摘要：《粉体科学与工程基础》课是我校无机非金属材料专业的专业基础课，具有与工程实际紧密结合的特点。本文根据学生学习本课程的特点，从理论教学、实验教学和学生科技竞赛等环节对学生进行工程思维能力的培養和工程方法的训练，理论联系实际，提高学生分析、解决工程实际问题的能力。
关键词：粉体科学与工程基础；教学；工程思维能力
中图分类号：G642.4 ？摇文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）03-0071-02
《粉体科学与工程基础》是我院无机非金属材料专业的一门重要的专业基础课，主要从理论上论述粉体在几何特征、堆积、物理、界面化学、机械力化学、粉体力学、流体力学、流态化等方面的性质和变化规律。其教学目的是使学生系统地掌握粉体材料的基本性质、制备理论及操作过程等的理论知识，从而能根据材料的性能要求，从粉体科学的角度，对粉状原材料的颗粒几何特征和表面物理化学性质进行正确的表征和合理的设计，为进一步学习粉体制备与处理工艺及装备技术奠定基础，使学生能从粉体过程工程的层面，掌握正确、合理地运用粉体材料制备工艺和装备技术的技能，从而培养他们进行材料设计、研究、开发和制备的能力。由于课程改革，本课程的学时数已减少为32学时，而教学大纲所要求的知识点却没有减少，因此，如何在少的学时数中使学生能够系统掌握本门课的知识成为教师在教学中所面临的问题。同时，本课程在三年级下学期或四年级上学期开设，这时的学生已进入专业课的学习，并且即将面临毕业论文写作，如何能将本课程的知识与学生的专业课结合起来，理论联系实际，培养学生的工程思维能力和工程方法的训练，也是我们在教学中要着重关注的问题。为此我们通过《粉体科学与工程基础》各环节的教学来培养学生的工程思维能力。
一、理论教学中培养工程思维能力
《粉体科学与工程基础》作为《粉体科学与工程》的基础篇，其课程内容与材料、冶金、化学工程、矿业、建筑、食品、医药、能源、电子及环境工程等诸多领域都有极大的关系，是一门跨学科、跨行业的综合性极强的基础学科。本课程作为大三和大四学生的专业基础课，在课程讲解中，注重理论结合实际，将课堂知识与实际的工程例子结合，激发学生学习的兴趣，最大限度地调动学生的学习情绪，使他们成为学习的主体。
1.课堂教学注重理论联系实际。为提高课堂教学质量，教师上课之前认真备课，熟悉课程内容，精通所教课程的专业知识，在课堂上向学生讲清楚各章节的基本原理及其在生产实际中的应用，并通过相关的习题训练使学生巩固所学知识，同时，教师也要不断地把与课程内容相关的前沿知识和学科的发展动态提供给学生。在课堂教学中，尽量结合学生的专业学习和认识实习，选择一些与现实生产、生活联系紧密的工程问题进行引导、分析、讨论和归纳总结。例如，在颗粒流体力学章节的教学中，先以北方常见的沙尘暴的形成和传输为例，如果风持续的时间很长，形成悬移的浮尘能够被输送到很远的地方，所经过的地区就会出现沙尘暴；当风速减弱到一定程度后，浮尘就会降落，该地就会出现降尘天气，说明颗粒的粒度、流体（空气）的速度是影响颗粒沉降的主要因素。再以颗粒在流体中的两种沉降方式：重力沉降和离心沉降为例，举例选矿生产中常用的重力选矿机和水泥生产中的离心选粉机，通过讲述设备的工作原理和设备结构，引导学生理解颗粒在流体中的两种运动方式，引导学生如何在生产实际中根据颗粒的大小选用适宜的设备。例如，《颗粒堆积》一章是本课程的基础篇，涉及颗粒的大小和分布的计算、等径球形颗粒的堆积结构，教师详细讲解应用较多的经典颗粒尺寸分布和堆积理论，让学生明白堆积颗粒系统中的颗粒尺寸分布在许多产品的生产中起着重要作用，它不仅影响着最终产品的性质，如气孔率、密度、强度等，而且许多工艺性质也取决于颗粒尺寸分布，如泥浆粘度、注浆速度、干燥速度等等。根据学生的专业特点举例讲述水泥颗粒分布对水泥性能和混凝土施工性能的影响；陶瓷工业中密实陶瓷与多孔陶瓷的制备与颗粒堆积与分布的影响，并布置学生课外通过学校的图书馆资源以及其他网络上的电子资源去查询“利用颗粒大小和分布制备多孔陶瓷的方法”“陶瓷注浆成型中颗粒大小与分布对成型密度的影响”，用PPT的形式进行课堂交流。这种交流拓宽了学生的知识面，另外通过学生自己查阅科研文献也激发他们的创新思维，强化对工程观念的检验和应用，同时也能培养学生对“粉体科学与工程基础”课程的兴趣，有利于工程观念的建立和提升。
2.课堂教学注重工程方法训练。工程实际问题多数因为影响因素众多而变得相当复杂，依据现有的科学理论还难以弄清问题的本质，在目前的阶段还做不到用严密的理论思维方式去解决，只能用工程近似的办法来解决工程具体问题。工业上处理工程问题的常用方法有数学分析法、实验研究法和数学模型法等。教学中根据课程内容将这些工程方法教授给学生，以培养学生的工程意识。例如以流体在颗粒固定床层中的透过流动时压降的计算为例，对于有无数个颗粒构成的固定床而言，颗粒间的空隙形成许多可供流体通过的细小通道，这些细小通道是曲折而又相互交错、大小和形状也很不规则，流体通过如此复杂的通道时的压降自然很难直接用数学分析的方法求出。这时可引导学生借用数学模型法来解决。即，将床层中复杂的不规则的通道简化成一组管径为de、长度为Le的平行细管，细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积、细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积，将颗粒层内的实际流动过程大幅度简化，按这种简化后的模型，流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为de、长度为Le的细管的压降。简化后的模型根据圆管中流体定态层流流动时的沿程阻力损失计算公式，引入固定床流动摩擦系数λ′为模型参数，建立数学模型，通过实验来确定模型参数和检验数学模型的有效性。最后采用康采尼或欧根公式计算床层压降，[1]就把一个复杂的实际工程问题简化为一个简单的流体流动问题。学生在其中经历了提出问题、分析问题、解决问题的过程，既加深了对公式的理解和认识，又掌握了一种实用的工程问题解决方法。
二、实验教学中强化工程思维能力
实验教学是理论联系实际环节，针对课程的内容而进行的验证、理解、巩固和提高的实践教学环节。通过实验培养学生工程实验的方案设计、流程组织、实验操作、数据处理、归纳总结等实验能力。“粉体力学”是本门课的重点，粉体的流动性是粉体力学性质的最重要的表征。教师首先在教学中详细讲解粉体流动性的内涵以及各种测试方法，然后联系工程实际举例说明粉体的流动性在粉体工程设计中的应用。比如，在粉末冶金、食品、制药、钢铁和农业等生产过程中，广泛涉及到颗粒物质流动，如工业上常见的筒仓卸料、传输、混合、流态化和固气分离等，把握粉体材料的流动特性，对于防止发生粉料堵塞、控制粉体内颗粒成分的均匀性和一致性都具有至关重要的意义。水泥厂中许多操作过程都会涉及到粉体的重力流动。“粉体力学”实验中设立了粉体流动性综合实验（Carr指数法）和粉体剪切实验（直剪实验）。两组实验分别分成六组，每组两人，每组的粉体种类不同、粒径相同，或种类相同、粒径不同，要求学生按规定测试步骤完成实验后，比较各组的测试计算结果，总结出影响粉体流动性的因素。学生通过实验自我总结出粉体流动性与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等因素关系，引导学生比较Carr指数法和直剪实验两者的实验方法和评价指标的不同，分析两者用于工程实际时的使用范围及不足之处，并提出改进意见。通过学生主动思考，可以将工程思维在实验环节得到强化和深化，变为学生自觉主动的习惯。
三、结合学院科技竞赛，应用工程思维能力
我院从2010年起每年组织“材料性能设计与制备”大学生科技竞赛活动，全院大二到大四的本科生自由组合参加，竞赛旨在加强学生在材料性能设计与制备方面的综合知識，提高学生分析问题，方案设计及动手实践能力，开拓创新。教师在上课时积极鼓励学生参加竞赛活动，并担任竞赛指导老师。这两届的竞赛活动围绕“轻质高强”材料制备，根据任课教师的研究方向，选定以多孔陶瓷为目标。首先由老师讲解，要求学生以所学的“颗粒堆积”理论为指导，通过查阅文献资料，学生确定了有代表性的三种制备方法：颗粒堆积成孔工艺法、添加剂造孔工艺法，发泡工艺法。学生综合运用各方面知识，全面考虑材料多方性能，综合比较几种方法后自主设计详细的实验方案，并经指导教师修改认可后进入导师实验室进行原料准备、球磨混料、成型、烧结、测试等工艺，在实验中不断修改和完善实验方案，最终完成制备。学生对这种竞赛活动非常积极，因为比赛过程中，不仅要求同学们有扎实的理论基础，还要应用工程思维能力，勇于实践探索，将理论基础和动手实践相结合，同时也使学生团队合作意识增强。这种综合运用所学学科知识、自我设计创新科研性、自我制备的方式对培养学生创造性、独立科研工作能力具有重要意义。
参考文献：
[1]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理[M].第2版.北京：化学工业出版社，2005：162-163.
