何峰 谢峻林 文进 姜洪舟 杨虎

[摘 要]“工程设计训练”是无机非金属材料工程专业方向的实训课程。课程旨在提高学生的综合素质，及参与工程设计的能力。针对不同材料制备过程中的热工设备及相应工艺条件，进行热工设备的设计计算与结构图绘制。通过本课程设计，初步掌握材料生产过程中热工设备设计的基本方法和步骤，对学生进行基本工程设计能力和工程表达能力的训练，提高学生的综合工程設计素养。通过在设计过程中对经济、环境、法律、安全等因素的综合考虑，对企业和行业相关方针政策的了解，培养学生工程意识。

[关键词]无机非金属材料工程;工程设计;改革与实践

[基金项目]2018年教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下材料类专业BIM人才培养模式的研究与实践”（201802039001）

[作者简介]何 峰（1965—），男，重庆人，博士，无机非金属材料工程系主任，武汉理工大学教授，博士生导师，主要从事无机非金属材料的研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）45-0-04[收稿日期] 2020-05-14

一、无机非金属材料工程专业工程设计训练课程开设的意义

我国经济发展已经进入新常态，与之相对应提出了“中国制造2025”[1]。随着“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”基本方针的深化，到2025年我国制造业将迈入制造强国行列[2]。制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。若没有强大的制造业，则就没有国家和民族的强盛。材料行业作为制造业中的基础行业之一，也将在“中国制造2025”的行动中得以迅猛而健康的发展。在此过程中，对工程素养高的工程技术人的需求也将大幅度增长，培养符合“中国制造2025”需要的后备人才已势在必行。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。无机非金属材料品种繁多、用途各异，在国民经济建设与发展中发挥着非常重要的作用[3]。

由于无机非金属材料工业所用原料的稳定性和耐高温性，要使它们相互反应而生成新的高度稳定的物质或使其形成熔融体，必须要在较高的温度下进行（一般都在1200℃以上），因此，大部分无机非金属材料生产都有加热过程，而且是整个生产的核心过程，一般都在用耐火材料砌筑的窑炉中进行。尽管不同产品的加热方式和目的有所不同。但是，加热过程中所遵循的基本原理却是相同的（例如，热的传递;气体的流动;物质的传递;熔体、气体对炉体的侵蚀;气氛的影响等）。在此过程中，加热所需的热量通常来自燃料的燃烧。因此，燃料的品种和质量、燃烧的条件等，直接影响到温度及其均匀性，以及燃料的消耗量。能否合理地组织燃料燃烧过程，是决定产品质量、产量和成本的主要因素。此外，燃料燃烧产生的废气和烟尘，将对环境产生较大的污染，也应给予充分的重视。由此可见，在此过程中属于无机非金属材料制备过程中的复杂工程问题。

材料科学与工程及其相关专业与工程实际结合密切，要求其所培养的学生具有较强的工程实践能力，最终要为解决生产实际中的工程问题服务。在先期修完“工程图学”“材料工程基础”“热工设备”“无机非金属材料工学”等课程的基础上，围绕“解决复杂工程问题”这一毕业要求，组织工程设计训练的相关教学内容。“无机非金属材料工程专业工程设计训练”，将理论知识与解决实际工程问题相结合，以设计型问题为引领，剖析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，体会开发设计的思路与过程。开设“无机非金属材料工程专业工程设计训练”，对学生进行相关工程训练，提高工程素养与解决复杂工程问题的能力，其意义不言而喻。

无机非金属材料工程专业的工程设计训练，很好地将理论知识与过程实际相结合，为学生提供了一个将理论应用于实践的学习平台。通过学生的系统训练，培养其工程思维、工程素养与解决复杂工程问题的能力。

二、无机非金属材料工程专业的工程设计训练教学基本目标

“无机非金属材料工程专业工程设计训练”，通过具体的设计选题，学生可以进行模仿练习，从中学习他人解决工程实际问题的思路和方法。学生经过一定时间的训练，其工程素养会显著提高。

本课程的具体教学目标如下：（1）学会材料生产中热工设备的设计程序和计算方法，了解改善热工设备及热工过程操作条件的基本方法;学会系统和全面思考工程问题的方法，具备综合运用知识分析解决复杂问题的基本能力。（2）根据“工程设计任务书”的要求，能够进行热工设备的结构设计计算、燃烧计算和热平衡计算，绘制所设计设备（热工单元）的三视图;掌握一定工程表达能力和基本工程设计能力，具备参与工程设计的初步能力。（3）能够在设计过程中考虑局部参数对整体设计的影响，并考虑相关经济、环境和安全等因素;提高综合分析和解决问题的能力，培养工程意识和创新意识、创新能力;了解初步的工程设计过程，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的前期知识与技能要求

无机非金属材料工程专业工程设计训练，属于重要的实践训练环节，过程复杂、难度大、环节多，在课程前期需要掌握较为全面的专业理论知识与相关制度技能。本专业的学生需要在先期修完“工程图学”“材料工程基础”“热工设备”“无机非金属材料工学”等课程，在初步掌握相关工程设计软件（Auto CAD，BIM）的基础上，进行工程设计训练。

“工程图学”课程，是研究工程与产品信息表达、交流与传递的学科。“工程图样”是工程与产品信息的载体，是工程界表达、交流技术思想的语言。在工程设计中，“工程图样”作为构思、设计与制造中工程与产品信息的定义、表达和传递的主要媒介[4]。

“材料工程基础”课程，是无机非金属材料工程专业的一门重要的学科基础课程。围绕材料生产过程主要涉及的工程理论，通过各个教学环节，使学生掌握材料工程的基本概念、基本理论和基本计算技能。通过学习本课程和进行相关内容的工程设计训练，能够掌握材料生产过程中相关的工程理论基本知识，从而具备一定的工程研究能力。本课程的教学，在传授知识的同时，逐步培养学生具有思维能力、自学能力、独立分析问题和解决问题的能力和综合运用所学知识去分析和解决复杂问题的能力[5]。

“热工设备”课程，是为无机非金属材料领域内的热工设备设计、生产操作，科研活动而服务的，其最大特点在于理论联系实际，所以其涉及的知识面较为宽广。本课程也紧跟“节能减排”的时代要求，而且能够将理论知识与科技进步相结合、书本知识与生产实践相结合来组织相关的教学内容。

“无机非金属材料工学”课程，是“无机非金属材料工程专业”及“材料科学与工程專业”的主干课程。它包括水泥、玻璃、陶瓷、气硬性胶凝材料、混凝土、耐火材料、人工晶体等无机非金属材料。本课程着重介绍无机非金属材料生产和制造过程中的共性规律，以单元操作为特色而全面系统地介绍有关无机非金属材料产品的组成、生产工艺原理、生产装备的结构与性能和应用，以及无机非金属材料工业的环境污染防治[6]。

以上课程中的相关基础理论、工艺原理、技术方法等内容，都会对“无机非金属材料工程专业工程设计训练”课程起到知识点的支撑作用。

四、与工程设计训练相关的教学改革

（一）与工程设计训练相关的理论教学改革

无机非金属材料工程专业的工程设计训练与工程实际密切相关，最终要为解决生产实际中的工程问题服务。在理论教学中，教师系统地讲授了书本知识与相关知识点，如何将理论知识更加有效地与生产实际相联系，则需要学生利用工程设计训练将掌握材料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，体会开发设计的思路与过程。

从以往我校的无机非金属材料工程专业的工程设计训练情况看，学生在面对典型无机非金属材料生产过程中工业热工单元（窑炉）的热工计算与设计等实际工程问题时，仍然存在无从下手，理论知识应用能力较差等问题。就工程设计训练实操过程而言，学生普遍感到所学的理论抽象，工程问题较多，如何将抽象的理论具体化、图形化，实现理论与工程问题相结合是教学实践的重点，意义重大。另外，不少学生认为无机非金属材料工程专业的工程设计训练是大学中最难学习的实践实训课程之一，形容完成这一过程是在“煎熬”中度过的。为此，我们开展了围绕“解决工程问题”组织理论教学的方法。教学中讲清基本概念、基本理论后，重点介绍理论知识在解决实际工程问题中的应用，突出工程设计意识和方法的训练，以设计型问题为引领，剖析典型无机非金属材料生产过程中工业热工单元的开发设计思路。

另外，在相关的教学过程中，尽可能多地增加工程问题、工程设计案例分析。通过具体案例讲解、查阅相关文献资料，学习他人解决复杂工程问题的思路和方法，培养学生的工程观点。

（二）充实工程设计训练指导教师队伍

无机非金属材料工程专业的工程设计训练与工程实际密切相关，对参与指导的教师要求越来越高。首先，要求参与工程设计训练的老师自身具有工程经历与素养，参与过实际的工程设计，对工程设计的过程熟悉。其次，对本专业学生在工程设计中容易出现的问题非常了解。再次，指导教师熟悉与无机非金属材料相关的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规，了解企业质量管理体系，并将以上内容自觉、有效地落实到工程设计训练的教学活动中。

专业在充实工程设计训练指导教师队伍方面主要开展了两个方面的工作，一是，形成无机非金属材料工程专业的工程设计训练课程团队，形成具有老、中、青相结合的师资队伍。有能力、资格工程设计训练与开设班级数量的比例为1.6∶1。二是，通过采取外聘相关行业设计院的工程技术人员来校参与指导本专业学生的工程设计训练。三是，委派青年指导教师去相关行业设计院参与相关工程设计，以提升其工程经历与素养。通过相关实践取得了较好的效果。

（三）保持专业与课程特色，注重工程设计训练过程质量把控

我校的特色，在于针对不同无机非金属材料生产过程中的热工设备及相应工艺条件，进行典型热工设备的设计、计算与结构图绘制。通过本课程的设计训练，初步掌握无机非金属材料生产过程中热工设备设计的基本方法和步骤，对学生进行基本工程设计能力、工程表达能力和现代绘图软件使用的训练，提高学生的综合素质，具备参与工程设计的能力。通过在设计过程中对技术、经济、环境、法律、安全等因素的综合考虑，以及对行业和企业中的相关政策法规的学习，培养学生的工程意识和素养。

针对材料的不同产品对象而确定不同的工艺条件，确定设计的具体选题，做到一人一题。在设计过程中，注重引导学生综合运用课程理论教学中的理论知识和相关工艺知识，培养学生的自主能力、创新意识和解决复杂工程问题的能力。

对于工程设计训练过程的质量把控比其结果把控更加现实、有效。只有当工程设计训练过程中的各阶段的质量做到被控制后，学生才会对工程设计训练有所体会，对工程设计能力、工程表达方法有切身体会与掌握。在我校无机非金属材料工程专业工程设计训练的过程中，通过多年的探索，我们发现将工程设计训练过程顺序，有机切分成四个可以考核的阶段是非常有效的，只有当前一个训练内容完成并达到基本要求时才能够进入下一个阶段的训练。

1.学生领取工程设计训练设计任务书与初步设计阶段，根据一人一题的原则，对设计任务书的内容对相关知识点进行回顾，讲解设计中的难点，设计与计算的内容、方法，以及相关注意事项。提出工程设计训练的内容要求、设计规范及时间节点要求，并且按时间节点要求进行相应的考核。要求同一个班级按同步的时间节点完成相关内容。

2.典型热工单元的结构与方案确定、草图绘制阶段，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。主要内容包括：（1）对相关设备的工艺、结构特点、主要指标确定的依据等，同时了解行业企业在环境保护、可持续发展等方面的方针政策。（2）燃料燃烧的计算，对燃料的理论空气量与实际空气量、理论烟气量与实际烟气量、燃烧温度等相关参数进行计算。（3）结构设计计算：对设备的主要结构进行设计计算，确定主要结构形式和尺寸，对主要耐火材料进行科学选择。（4）窑体表面散热的计算，对窑体表面散热进行计算，对绝热或隔热材料进行设计和选择。在材料设计和选择中，要考虑经济、环境和健康等方面因素。（5）进行热平衡的计算确定适当的体系并进行热量平衡的计算，以确定相应参数。对主要经济技术指标进行计算，包括对设备的热力强度、热效率等进行计算。（6）分析讨论，对所设计的设备进行结构、性能等方面进行分析和评价。（7）可根据指导教师的提问，向其准确表达局部结构的设计思想与具体的设计参数，较为准确地绘制出局部结构草图，用图形表达设计思想与局部单元结构。

3.正式圖纸绘制、说明书撰写阶段，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（Auto CAD，BIM）进行正式图纸绘制，将所设计的典型热工单元热工装备以三视图的形式表达出来。图纸的基本要求为，对设计的内容与结构表达清晰，图纸布局合理，线型应用准确。说明书的撰写对内容表达清楚，内容完整，计算设计参数正确，写作层次分明，条例清楚。

4.综合答辩阶段，学生完成工程设计训练的前三个阶段之后，需要对自己的设计作品进行展示，介绍自己的设计内容，接受指导教师的提问，以考查学生工程素养与综合能力。

以上四个阶段中的2～4阶段分别安排一定的分值，进行相应考察（见下表）。

五、结语

无机非金属材料工程专业的工程设计训练，很好地将理论知识与过程实际相结合，为学生提供了一个将理论应用于实践的学习平台。我们进行的一系列加强工程设计训练的教学改革，通过学生的系统训练，培养其工程思维、工程素养与解决复杂工程问题的能力。工程设计训练属于难度很大的实践教学环节，指导教师在技术层面对学生进行辅导，在心理层面对学生进行安慰，深受广大学生的欢迎和积极参与，取得了良好的教学效果。

参考文献

[1]武培锋.创需引领未来[M].北京：现代出版社，2016：2.

[2]周苏，王硕苹，等.创新思维与方法[M].北京：中国铁道出版社，2016：6.

[3]谢峻林，何峰，顾少轩，等.无机非金属材料工学[M].北京：化学工业出版社，2011：28.

[4]高金莲.工程图学[M].北京：机械工业出版社，2015：59.

[5]徐德龙.谢峻林.材料工程基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008：67.

[6]姜洪舟.无机非金属材料热工设备[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011：46.

Reform and Practice of Engineering Design Training in the Field of Inorganic Non-metallic Materials

HE Feng， XIE Jun-lin， WEN Jin， JIANG Hong-zhou， YANG Hu

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan University of Technology，

Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Engineering Design Training is a practical training course in the field of inorganic non-metallic materials engineering. The purpose of the course is to improve the comprehensive quality of students and their ability to participate in engineering design. According to the thermal equipment and the corresponding technological conditions in the preparation of different materials， the design calculation and structure drawing of the thermal equipment are carried out. Through the design of this course， the students can master the basic methods and steps of thermal equipment design in the process of material production， train the students' basic engineering design ability and engineering expression ability， and improve the students' comprehensive engineering design literacy. Through comprehensive consideration of economic， environmental， legal， security and other factors in the design process and understanding the policies related to enterprises and industries students' awareness of engineering is to be cultivated.

Key words： inorganic non-metallic materials engineering; engineering design; reform and practice