材料工程基础B

《材料工程基础B》课程教学大纲

课程代码	0701160
课程名称	中文名：材料工程基础B
	英文名：Basis of Materials Engineering B
课程类别	专业课	修读类别	必修
学分	3.0	学时	48（理论32+实验8+设计8）
开课学期	第6学期
开课单位	材料科学与工程学院无机非金属材料工程
适用专业	无机非金属材料工程专业无机非金属材料科学方向
先修课程	高等数学、普通物理、理论力学等
后续有关专业课程和教学环节	无机非金属材料工艺学，无机非金属材料生产设备，毕业设计（论文）
主讲教师／职称	王彩辉/副教授、孔丽娟/副教授、韩玉芳/副教授、罗永会/副教授
考核方式及各环节所占比例	作业+实验成绩+课程设计+期末考试（10%）+（15%）+（15%）+（60%）
教材及主要参考书	（1）《热工基础与工业窑炉》，徐利华，延吉生主编，冶金工业出版社，2010 （2）《硅酸盐工业热工基础》，孙晋涛主编，武汉工业大学出版社，2006 （3）《热工基础及设备》，李启云主编，南京工学院出版社，1988 （4）《材料热工基础》（教材），张美杰主编，冶金工业出版社，2008 （5）《流体力学基础、泵与风机》，王宇清主编，中国建筑工业出版社，2005

一、课程性质和目标

《材料工程基础》B课程属无机非金属材料工程专业的一门专业基础课，内容上注重宏观的物理现象，侧重理论、公式以及概念的理解和应用，旨在使学生认识能量转换所用工质状态及基本参数，气体状态方程，认识流体静压强分布规律，深刻理解能量方程及其应用，阻力损失的计算方法；认识传热的三种方式及其规律，陶瓷及制品生产过程中存在热介质的流动、热量的传递以及机械能的转换过程，更好地将热工理论应用于陶瓷及制品生产中去，提高陶瓷及制品生产过程中的热效率，节约能源，提高技术经济效益。

知识目标：

课程目标1：能够利用气体静力学、动力学的基本概念和原理，分析工质状态参数，能量转化和平衡的有关计算。

课程目标2：能够利用传热、传质的基本概念和理论，系统分析传热系统的状态参数，具有初步设计实际综合换热有关元件及设备的能力。

课程目标3：利用干燥的相关概念、理论及干燥设备的基本原理，针对陶瓷等基本无机材料的干燥过程进行综合分析与计算。

课程目标4：区分燃料的种类与用途，利用燃料热值理论及分析方法，能够针对窑炉燃料的燃烧进行的系统分析与综合计算。

课程目标 5：利用窑炉的基本知识，深入分析多种窑炉的工作原理。

能力目标：

课程目标 6：具备与设计小组成员之间就不同设计方案进行有效沟通和表达的能力；具备初步通过热工设计，选择高效能，低能耗设计方案的能力，培养学生保护环境，建立可持续发展理念。

二、本课程所支撑的毕业要求

1、本课程所能支撑的毕业要求和课程目标的对应关系

序号	毕业要求指标点	毕业要求指标点具体内容	课程目标
1	毕业要求2-1	能够应用数学、自然科学和工程基础等知识，分析材料制备与生产过程中的复杂工程问题，识别与判断影响产品质量的关键因素。	课程目标1、5
2	毕业要求2-2	能够应用工程科学的基本原理，分析影响材料生产工况的关键问题，并能进行故障分析。	课程目标1、3、4
3	毕业要求2-4	能够正确表达材料复杂工程问题的解决方案，并分析其合理性，以获得有效结论。	课程目标5
4	毕业要求3-1	无机非金属材料产品、工艺流程及生产装备全周期和全流程的基本设计和技术方法，能够根据用户需求确定设计目标和技术方案，认识影响设计目标和技术方案的各种因素。	课程目标6
5	毕业要求3-2	能够针对任务需要，完成单元（部件）的设计和工艺计算。	课程目标2、3、4
6	毕业要求3-3	能够结合安全、健康、法律、文化及环境等现实约束条件，对设计方案进行可行性论证。	课程目标6
7	毕业要求3-4	能够集成单元装备或工艺流程设计，对设计方案进行优选，体现创新意识。	课程目标3、4、5
9	毕业要求7-2	针对复杂无机非金属材料工程问题的工程实践，能够站在环境保护和可持续发展的角度思考专业工程实践的可持续性，能正确评价材料生产、使用和废弃可能对人类和环境造成的损害和隐患。	课程目标6

2、本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系

教学内容		课程目标	毕业要求指标点
理论教学	1.绪论	课程目标7	毕业要求3-3、7-2
	2.工程流体力学	课程目标1、2	毕业要求2-1、2-2、3-2
	3.工程热力学	课程目标1、2	毕业要求2-1、2-2、3-2
	4.传热学	课程目标1、2	毕业要求2-1、2-2、3-2
	5.干燥过程与设备	课程目标3	毕业要求2-2、3-2、3-4
	6. 传统热工设备及结构	课程目标3	毕业要求2-2、3-2、3-4
实验教学	1.流体粘度实验	课程目标5	毕业要求4-3
	2.流体能量转换实验	课程目标5	毕业要求4-3
	3.热工测量仪器示范	课程目标5	毕业要求4-3
	4.材料导热系数测量实验	课程目标5	毕业要求4-3
课程设计	陶瓷电加热炉的设计	课程目标4、6	毕业要求3-1、3-3、3-4、7-2

三、教学内容及安排

（一）理论教学内容（32学时）

1.绪论（1学时）

(1) 基本要求

通过介绍本课程主要教学内容，使学生认识本课程在无机非金属材料工程专业中的地位和作用。课程要求流体力学、工程热力学及传热学基本定律和能量转换基本原理，理解流体和热工设备在实际工程中的适用范围和达到最佳效率的条件。通过实验环节、简单的窑体设计的训练，加强对材料、结构、工质状态、能量平衡等方面知识的深入理解和综合应用，实现毕业要求的相应目标值。

(2) 教学内容

本课程的教学大纲，本课程在专业中的地位和作用；
陶瓷、水泥、玻璃及耐火材料热工设备的发展简介。
课程大纲解读

课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果。

(3) 的重点

重点：陶瓷热工设备的分类。

2.工程流体力学（9学时）

(1) 基本要求

要求学生流体的基本物理性质、静力学基本方程及应用；连续性方程、伯努利方程及应用；流动损失及管路计算。

(2) 教学内容

流体的物理性质（1学时）：流体的密度、压缩性、膨胀性和粘性；
流体静力学基础（1学时）：作用在流体上的力、流体静压强及其特性、流体静力学基本方程式及其应用、压力的度量及计算基准；
流体动力学基础（3学时）：流体动力学基本概念、连续性方程、理想流体能量方程式、实际流体伯努利方程及其应用；
流体阻力及管路计算（3学时）：雷诺试验、流体流动性质的判别、流体阻力及能量损失的类型、流体在流动时能量损失的计算、管路计算；
烟囱设计计算（1学时）：烟囱的构造及工作原理；烟囱的设计要求（规范）与过程。重点：实际流体伯努利方程的计算分析。3.工程热力学（8学时）要求学生稳定导热、对流换热、辐射换热、综合换热的基本概念和计算。
(2) 教学内容
(1) 基本要求
难点：流体在管路中流动时的能量损失分析。
(3) 重点和难点

稳定导热（2学时）：导热的基本概念、傅里叶导热定律、导热微分方程、平壁与圆筒壁的稳态导热。
对流换热（4学时）：对流换热的基本概念、定律与影响因素、对流换热微分方程组及单值性条件、对流换热过程相似理论、对流换热准数方程、不同情况的对流换热系数计算。
辐射传热（3学时）：辐射传热的本质及特点、黑体辐射的基本定律、实际物体的辐射和吸收、基尔霍夫定律、角系数的概念及性质、两个黑体间的辐射传热、灰体间的辐射传热。
综合传热（1学时）：一种流体通过平壁传热给另一种流体、一种流体通过圆筒壁传热给另一种流体。重点：稳定导热的相关计算、两个灰体间的辐射传热计算。4. 干燥过程与设备（6学时）（支撑毕业要求1-4、2-3；支撑课程目标1、2）要求学生湿空气的相关基本概念；湿空气状态参数及计算；理解理论干燥与实际干燥过程的区别；干燥过程的热平衡计算。
(2) 教学内容
(1) 基本要求
难点：角系数、系统黑度的计算。
(3) 重点和难点

干燥过程的物料与热量平衡；
湿空气（2学时）：湿空气的状态参数、露点温度和湿球温度、湿空气的h-X图及其应用。
干燥器的选型重点：水蒸气与湿空气状态参数的确定。5. 燃料与燃烧(3学时) 要求学生认识燃料的基本定义、种类及用途；燃料热量的基本计算。1) 燃料的特性、种类及用途；6. 热工设备及过程 (3学时)要求学生认识陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料窑炉的结构，每种窑炉的热工过程。1) 隧道窑、间歇窑的结构与热工过程；3) 水泥窑炉的结构与热工过程。重点：窑炉结构特点。（二）实验教学内容（8学时）
难点：窑炉热工过程的热质交换。
(3) 重点和难点
2) 玻璃工业窑炉的结构与热工过程；
(2) 教学内容
(1) 基本要求
2) 燃料的燃烧计算（气体、液体、固体）。
（2）教学内容
（1）基本要求
难点：干燥过程的热量平衡计算。
(3) 重点和难点

序号	实验项目	实验要求	实验内容	实验性质	学时
1	流体粘度实验	要求学生认识流体产生粘滞性的本质，牛顿内摩擦定律在实际中的应用。根据牛顿内摩擦定律而设计的旋转式粘度计的测量理论及使用方法	1）旋转粘度计的操作及注意事项； 2）选择1~2种不同的牛顿流体进行测定； 3）测试不同转速n下扭矩值M，； 4）计算速度梯度du/dy和和切应力 5）对实验数据分析并绘制 -du/dy曲线，求得粘度	综合性	2
2	流体能量转换实验	要求学生观察流体流动时的各种形式机械能相互转换现象，验证不可压缩流体的机械能守恒方程（伯努利方程）。	1）雷诺装置的结构及工作原理； 2）阀门全闭、开大及全开时各测压管液位高度及体积流量的测定记录。 3）阀门改变时动压头、静压头及压头损失的计算； 4）流体在管内流动时，管径与流速以及各水头关系的分析。	验证性	2
3	热工测量	要求学生认识常用热工测量仪表的种类及原理，热工测量仪器的操作。	1）流量测量仪、温度测量仪、压力测量仪的结构和工作原理； 2）通过4块示教板的工作原理图，配合部分仪表和模型的动态演示，不同结构与不同类型测试仪器使用方法。 3）记录示范演示实验过程中所测试的流量、压力及温度与湿度数据，并填写实验记录并进行数据处理。	演示实验	2
4	材料导热系数测量实验	要求学生测定材料导热系数的实验方法和技能。	1）根据提供的实验设备仪器材料，合理设计实验步骤； 2）调整电位器，改变加热板之间的电压，并测试在热功率不变的条件下，试样两侧的温差。 3）由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度获得试样的导热系数。； 4）改变热功率，重复测试多个温度下的导热系数。5）材料导热系数与温度关系曲线的绘制。	综合性	2

（三）课程设计内容（8学时）

序号	设计环节	基本要求	主要内容	学时
1	任务布置	要求学生认识陶瓷制品领域常用烧制设备的种类及特点、合理确定题目难题程度、工作量大小及进度计划。	1）下达课程设计任务书； 2）确定设计内容、步骤和方法。	1
2	设计计算与绘图	要求学生本专业常用分析、设计、计算、绘图的正确方法，具备方案论证、分析比较、规范撰写和绘图能力。	1) 电烧制窑炉主要尺寸设计计算； 2) 电烧制窑炉的热工计算； 3）撰写设计说明书和绘图。	6
3	答辩	要求学生具备语言表达、思辨能力，阐述观点准确、回答问题清楚的能力。	学生在论文答辩过程中，需要自述本人所完成的工作，创新点及完成的情况，指导教师给予必要点评。	1

四、达成课程目标的途径和措施

1.教学方法

本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“讨论法”“直观演示法”等，具体根据教学内容和目标不同采取更合适的教学方法。

理论部分授课以“讲授法”为主，并与课堂学生讨论等互动方式配合使用。在授课中会穿插习题课的内容，讲解一些有代表性的习题，帮助学生所学知识。此外在每一章讲授结束后，均布置3-5道课后习题，作业面覆盖所讲内容的难点和重点，以便于学生巩固所讲内容及考试复习。对于作业中发现的问题会及时向学生讲解，并帮助改进同学的学习方法。

实验部分主要采用“讲授法”与“直观演示法”结合，通过在实验室对仪器设备的讲解以及实验步骤的示范性操作，让学生不仅可获得感性认识，也增强了实践动手能力。实验课程的开设是对理论课程的有益补充，可加深学生对所学理论知识的理解。

设计部分主要采用“讲授法”与“讨论法”结合，针对重难点部分内容在教师引导下，学生中间进行充分讨论，确保学习效果。在具体实施过程中，教学内容应紧跟陶瓷设备发展动态，及时补充新方法、新技术、新材料等内容，并根据每届学生的特点，对不同内容根据需要调整课堂组织和讨论内容，提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。

2.教学手段

本课程利用采用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。

3.课外阅读要求

推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外阅读。通过课外阅读，既能加深对教学内容的理解，又能拓展专业视野，紧跟行业发展前沿。

4.多环节训练

（1）作业+出勤

（2）实验

（3）课程设计

（4）期末考试

五、课程综合记分方法

课程考核由作业、实验、设计和期末考试四部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：

考核环节	比重（%）
作业+出勤	10
实验成绩	15
课程设计	15
期末考试	60
总计	100

（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）

各个环节的评分标准如下：

作业与出勤

每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成10分。

作业的评分标准

观测点	85～100分	75～84分	60～74分	<60分
完成进度（权重0.1）	严格按照作业要求并及时完成	基本按照作业要求并及时完成	不能按照作业要求，未及时完成	不能按照作业要求未及时完成
概念清楚（权重0.2）	概念清晰	概念基本清晰	概念不清晰	概念错误
计算能力（权重0.5）	完全正确	基本正确	部分错误	完全错误
分析或结论有效性（权重0.2）	分析正确，结论有效	分析基本合理，结论基本有效	分析不合理	未给出分析

出勤考核为每次为5分，按时出勤的加5分，缺勤扣5分，期末计算出勤的总分，折合成百分制。

实验

实验成绩根据实验报告成绩以及实验课上的操作表现及实验预习情况综合进行评定。每次实验按百分制评分，总评后折算成20分。

3.课程设计

课程设计成绩是根据设计计算说明书、图纸及答辩表现三方面综合给出。按百分制评分，总评后折算成20分。

实验课程评价标准

过程控制	关注点	80-100分	60-79分	0-60分
实验预习权重0.2	对实验目的和原理的熟悉程度	完成预习报告，回答问题正确	完成预习报告，回答问题基本正确	能基本回答问题
实验操作权重0.3	实验态度	按时参加实验原始数据记录完整	按时参加实验原始数据记录基本完整	实验课迟到原始数据记录不完整
	操作技能	实验过程熟练，操作的规范，动手能力强	实验过程较熟练，能完成基本操作	需在指导下完成基本操作
	协作精神	主动做好分配任务，并能协助同组成员	完成分配任务，能与同组成员配合	被动参与实验
实验报告权重0.5	数据分析处理能力	数据整理规范，计算结果正确	数据整理规范，计算结果基本正确	数据整理和结果均有明显错误
实验报告权重0.5	综合应用知识能力	能综合实验数据分析规律，结论正确	结论基本正确但缺乏实验数据综合分析	结论有错误

课程设计评价标准

考察点	比例	80-100分	60-79分	0-60分
设计图/工艺参数计算/工艺方案	40	图设计正确参数计算正确工艺方案适当	图设计基本正确参数计算基本正确工艺方案基本可行	图设计有误参数计算有误工艺方案不可行
设计说明书	30	说明书完整，格式规范	说明书基本完整，格式较为规范	说明书不够完整，格式不规范
PPT讲解	15	陈述的逻辑性强问题表达清晰结论准确合理	陈述的逻辑性强问题表达清晰结论准确合理	陈述的逻辑性强问题表达清晰结论准确合理
提问交流	15	思路清晰，回答问题正确，	思路基本清楚，回答问题基本正确	思路不清晰，回答问题不太正确

4.期末考试

期末考试成绩是通过闭卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程所讲的流体力学、工程热力学、传热学、干燥及热养护过程等知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成50分。试卷蓝图设计如下表：

试卷蓝图设计

课程目标	把握能力层次（对应试题）			目标分值	百分比（%）
课程目标	认识	理解	应用	目标分值	百分比（%）
1	4~8	6~10	6~10	16~28	20~24
2	4~8	8~12	6~10	22~26	22~26
3	3~5	8~12	8~12	20~24	20~24
4	3~5	6~10	6~10	18~22	18~22
5	6~10	3~5	////	10~14	10~14
					100

六、评估方法

每学期课程结束后进行课程评估。

本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。

课程目标1的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
能够利用气体静力学、动力学的基本概念和原理，分析工质状态参数，能量转化和平衡的有关计算。	细化课程目标1（气体静力学的参数换算）	出勤	出勤率
		作业	考察的观测点1（静力学基本知识的应用）
		期末考试	考察的观测点2（能量转化图的计算、烟囱的设计计算）
	细化课程目标2（能量转换图、伯努利方程的应用）	出勤	出勤率
		作业	气流纯直分流法则、能量转化图
		期末考试	能量的系统守恒与转换

课程目标2的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
能够利用传热、传质的基本概念和理论，系统分析传热系统的状态参数，具有初步设计实际综合换热有关元件及设备的能力。	细化课程目标1（传热的基本方式及异同）	作业	传热方式及基本理论
	细化课程目标1（传热的基本方式及异同）	期末考试	基本概念
	细化课程目标2（能量转换图、伯努利方程的应用，能够进行烟囱的设计和计算）	出勤	出勤率
		作业	不同传热的基本计算
		期末考试	多层平壁的传热计算

课程目标3的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
利用干燥的相关概念、理论及干燥设备的基本原理，针对陶瓷等基本无机材料的干燥过程进行综合分析与计算。	细化课程目标1（湿空气的基本概念）	出勤	出勤率
		作业	区别干球温度、湿球温度、露点温度，结合实际案例进行讨论分析。
		期末考试	基本概念
	细化课程目标2（理论干燥和实际干燥过程的异同及相关计算）	作业	湿空气参数的计算
		期末考试	实际干燥过程与理论干燥过程的湿焓图表达
		计算说明书	参数选择，数据计算
		图纸绘制	图纸表达是否符合规范

课程目标4的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
区分燃料的种类与用途，利用燃料热值理论及分析方法，能够针对窑炉燃料的燃烧进行的系统分析与综合计算。	细化课程目标1（燃料的分类及定义、燃料的热值及换算）	出勤	出勤率
		作业	燃料的分类与分析方法
		期末考试	基本概念
	细化课程目标2（燃料燃烧参数的计算）	出勤	出勤率
		作业	煤组成的换算
		期末考试	燃烧的相关参数计算

课程目标5的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
利用窑炉的基本知识，深入分析多种窑炉的工作原理。	细化课程目标1（不同工业窑炉设备的工作原理）	出勤	出勤率
	细化课程目标1（不同工业窑炉设备的工作原理）	作业	分类、工作原理
	细化课程目标2（设计窑炉所需材料的种类）	作业	工艺流程、材料构成与选用
		期末考试	窑炉原理与选材
		计算说明书	参数选择，数据计算
		图纸绘制	图纸表达是否符合规范

课程目标6的评估设计

学习成果		学习任务、过程和观测
预期学习成果	细化的预期学习成果及实施准则	预设的学习任务	观测点
具备与设计小组成员之间就不同设计方案进行有效沟通和表达的能力；具备初步通过热工设计，选择高效能，低能耗设计方案的能力，培养学生保护环境，建立可持续发展理念。	目标细化：对一般窑炉的设计计算。	出勤	出勤率
		计算说明书	参数选择，数据计算
		图纸绘制	图纸表达是否符合规范

七、课程目标达成评价与持续改进机制

1.课程评价

课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负责人组成。评价小组依据毕业要求达成度目标值设置课程达成目标值，采用课程总评成绩分析法进行评价。依据课程评价的结果，寻找问题，持续改进课程教学质量。依据毕业要求达成度评价结果，持续改进课程体系。

2.持续改进机制

（1）建立持续改进制度

①成立本课程持续改进组。

②由课程持续改进组组长负责组织执行并监督持续改进过程。

③制定持续改进措施。

（2）成立本课程持续改进组

组长：付华

组员：王彩辉、孔丽娟、韩玉芳

（3）本课程持续改进措施

根据各个考核环节的达成评价结果，寻找和分析学生的能力短板，进行课程持续改进，包括课程教学内容的改进、教学方法和手段的改进、考核方法的改进等。

制表：王彩辉审核：付华批准：发布日期：2018年

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