资源循环工程设计课程建设探索与实践

马立文，席晓丽*，王曼   

（北京工业大学，材料与制造学部，北京100124）

[摘  要]资源循环工程设计课程是资源循环科学与工程专业一门特色工科专业课。通过工程设计专业知识、设计案例以及设计实操三个维度教学内容，运用多媒体资源、实例训练和设计实习等教学方法，使学生掌握资源循环工厂工程设计的基本技能，具备分析和解决资源循环工程实际问题的初步能力，提升综合学习和团队协作能力。课程建设的探索与实践，为进一步推进教学改革奠定基础。

[关键词]资源循环；工程设计；教学内容；教学方法

[基金项目]2019年，北京工业大学优质综合设计类课程建设项目，资源循环工程设计课程，048000514120513

[作者简介]马立文（1982—），女，湖南湘潭人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部、副教授，研究方向为有色金属循环再造;王曼（1987—），女，河北保定人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部、助理研究员，研究方向为高性能金属结构材料;席晓丽（1975—），女，山西垣曲人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部、教授(通讯作者)，研究方向为资源循环理论与技术。

[中图分类号] G642. 3         [文献标识码] A           [文章编号]       

资源循环利用是指根据资源的成分、特性和赋存状态，对自然资源综合开发、原材料充分加工利用和废物回收再生利用，通过各环节的反复回用，发挥资源的多种功能，使其转化为社会所需物品的生产经营行为[1]。随着我国经济的持续发展，资源和环境的约束越发突出，大力推进资源循环产业，已经成为共识[2]。资源循环科学与技术本科专业在此背景下设立，是国家鼓励发展的战略性新兴产业急需的新兴专业，对于建设资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。北京工业大学资源循环科学与工程专业自2011年获批设立，依托本校有色金属二次资源循环再造科研优势，开设一系列材料、冶金类基础及专业课程，提升学生在本领域的理论知识水平，培养工程设计和创新实践能力。工程设计类课程是工程专业学生运用学科和技术基础知识解决复杂工程问题的综合性课程，是培养未来工程师职业能力、职业素养和职业操守的核心环节[3]。《资源循环工程设计》即属于资源循环科学与工程本科专业的工程设计类课程。以有色冶金工厂设计为参考[4]，学习废弃有色金属循环再利用工程设计的基础概念、工艺流程设计的基本原则和方法、资源循环过程的质量和能量衡算、设备选型计算与设计、厂址选择、车间配置设计、管道设计、范例研究等，培养学生资源循环工程设计的初步能力，为将来从事工程设计工作奠定基础。

本文从课程特点、教学内容、教学理念和设计、教学方法手段、教材建设、网络教学资源建设、师资队伍建设、实验教学改革等方面对资源循环工程设计课程的探索与实践进行讨论和总结。

一、资源循环工程设计课程的特点

资源循环工程设计课程是北京工业大学资源循环科学与工程本科专业的必修课，其特点是将资源循环工艺设计、冶金计算与设备选型等关键模块紧密结合，着重介绍资源循环工厂设计的基本概念、基本原理和基本方法，使学生具备分析和解决资源循环工程实际问题的初步能力，并能进行资源循环工厂的设计（包括工艺流程设计、质量和能量衡算、设备选型计算、厂址选择、车间配置设计和管道设计）。学生通过本课程的学习，支撑以下毕业要求的达成：（1）掌握工程设计和材料开发全周期、全流程的基本设计、开发的方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的多因素影响；（2）能够针对资源循环工程实践中组分-工艺-性能-环境影响-经济成本之间可能出现的相互矛盾与冲突问题，完成单元工序或设备部件的设计；（3）在设计中能够考虑社会、健康、安全、法律、文化、环境等因素；（4）了解专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和专业模拟软件的原理和使用方法，并理解其局限性；（5）能够选择与使用恰当的软件工具、数据技术、网络资源、分析仪器等现代工程和信息技术工具对在资源循环流程、再生材料或产品组分、性能设计、循环技术研发、工艺及设备选择、环境影响评估等复杂工程问题进行分析、计算、设计与优化；（6）善于与团队其他成员合作共事，分享信息，完成所分配的任务，在此基础上，能够发挥领导作用，组织协同工作的开展。最终使学生全面了解资源循环工程设计过程，使学生掌握资源循环工程设计的基本原理和使用原理分析问题解决问题的方法，帮助学生树立工程应用意识，并使学生掌握工程设计方法和过程。

二、教学内容

依据资源循环科学与工程专业的特点，依托北京工业大学国家重点学科“材料学”及“新型功能材料教育部重点实验室”的特色优势，充分利用北京工业大学在有色金属资源循环领域的科学研究优势，在学校和学部对资源循环科学与工程专业大力投入的基础上，积极扩展资源循环工程设计课程内容，在教学内容安排上，进行创新，突出“内容系统”、“注重实践”、“结合实例”的特色。“内容系统”是指课程深度结合本专业有色金属资源循环原理以及工艺过程，对工厂设计的质量和能量衡算、设备选型计算、厂址选择、车间配置设计以及管道设计等进行全方位的介绍，使学生对工程设计有完整系统的认识。“注重实践”是指在课程内容的安排方面，进行大量设计类计算的讲解与联系，通过将大型设计任务分解为具体工段单元，进行精讲精练，强化设计技能的学习。“结合实例”是指依托北京工业大学一系列产学研科技转化项目，让学生通过典型案例，学习工程设计知识，并可以在本校自主研发的稀缺金属资源循环工业过程优化系统中试平台上进行观摩实操。通过上述三个层次的创新性安排，使得本课程的教学内容相比同类工程设计课程更具实践性和新颖性，开拓了学生视野，增强学生科技转化成生产力的课本层面以及实物层面的认识。

三、教学理念和设计

资源循环工程设计课程的教学理念是注重实践、强调创新、师生互促。具体体现在以下方面：（1）以工程实践为指导：将资源循环工程设计的实践教学建立在理论教学基础之上，为理论的延续、扩展和深化提供保障，实践教学课堂是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。通过构建理论与实践相结合的协同教学模式，提升学生的工程设计能力和解决复杂工程问题的能力；（2）以能力提升为根本：摆脱填塞式知识教学，通过讲解与提问、情景模拟等启发学生自主思考，开展设计任务竞赛，利用小组协作方式，锻炼学生团队协作和口头、书面交流表达能力，通过设计软件工具等实用工具扩展教学，提升学生利用工具解决问题的能力，激发创新热情；（3） 以师生互动为保障：教学相长，教师适时补充教学案例，及时更新前沿知识，不断总结知识点和设计技巧，及时反馈给学生，同时建立师生定期交流的模式，及时收集学生对课程及课堂学习的各种反馈，持续改进，利用网络资源，建立师生交流网络课程学习小组，增加资源共享程度和互动，激发学生课上和课下学习主动性，鼓励学生依托课程专业知识参与创新创业项目。

四、教学方法手段

资源循环工程设计课程与其他设计类课程具有相对大量的计算内容相似[5]，也有大量的概念和计算，内容相对枯燥，计算也比较繁琐，造成教师教学过程易枯燥乏味，学生学习易出现兴趣不高，以及畏难情绪，不利于课程学习的深入。因此，在教学手段方面，特别需要采用灵活多样的教学方法，力图培养学生的创新思维与实际应用能力。为此，教学团队对传统课堂讲授过程进行以下改进：（1）摒弃枯燥的纯理论讲解，在课堂专业知识的讲授过程中结合实际设计案例进行详细分析，补充介绍国内外先进设计理念，适当讲解设计现场实践操作知识，使课程更实用更易被接受；（2）充分运用现代信息技术进行课程资源建设和教学方法改革，课程中使用的flash动画、三维动画、企业生产加工实况录像等多媒体资源，能对学习中的难点、重点等知识点获得比较直观、清晰理解，起到良好的教学效果；（3）增加设计实操的训练，在课堂中间，布置设计小任务，强化知识点学习，在课程结束的时候布置小组设计任务，加强团队合作能力的培养，以及综合设计能力培养；（4）增加生产线模拟实操环节，依托学校稀缺金属资源循环工业过程优化系统中试线平台，让学生有机会到实体中试线上直观感受一个生产工程的设计建造过程；（5）实现授课形式多元化，除了课堂知识的传授，同时注重技能的培养，广泛引导学生参加各项工程设计大赛、创新设计大赛等，将参赛过程作为课堂的延续，实现教学内容与实际应用相结合。

五、教材建设

在教材的使用中，选用了冶金工业出版社出版、蔡祺风主编的《有色冶金工厂设计基础》作为主教材。同时，结合冶金工业出版社出版、姜澜主编的《冶金工厂设计基础》进行授课。教学参考书推荐由冶金工业出版社出版、王玖宏主编的《冶金工程设计施工理论与实践》；冶金工业出版社出版、郭鸿发编著的《设计基础/冶金工程设计(第一册)》等。此外，结合工程实践、实际教学结果和学生反馈，对具体的教学内容进行整理和改进，在教程内容的基础上完善课程讲义PPT。充分查阅国内外相关文献，吸收国内外学术会议最新信息，在课程讲义中增加具有鲜明特色的设计案例，根据资源循环技术的最新进展实时更新，以便于学生能够了解和掌握最新的资源循环设计技巧。

六、网络教学资源建设

现代信息技术的发展，使网络教学成为现代教育一个重要的教学手段。2020年新型冠状病毒疫情在全球爆发，把网络教学推到时代的前线。为了避免疫情扩散，国内外各大中小学，2020年春季都不得不开展网络教学。各种网络教学平台作为网络教学的载体，迅速发展。上网课，成为教师必备技能。资源循环工程设计课程之前的网络教学发展相对缓慢，2020年以来，利用网络教学平台、网络会议平台，本课程为学生提供了在线学习环境，通过平台学生可以查看课程基本信息和教学材料，利用微信群、在线课程平台聊天工具，可以与教师进行即时线上互动，利用电子邮件、课程论坛等可以进行课后的师生交流，网络平台还能够方便地进行课堂签到、提交作业、在线测试等功能，极大地扩展了课程教学空间。

七、师资队伍建设

师资队伍是人才培养的保障，是课程建设的重要环节。资源循环工程设计课程教学团队成员长期从事资源循环的科学研究工作，具有丰富的专业知识和课题研究经验，熟悉本领域的研究前沿动态，且与相关企业具有广泛合作。一直以来课程教学团队成员深度参与本校资源循环科学与工程本科专业的申请、获批、设立与建设过程，长期从事资源循环科学与工程本科专业的教学。在教学中，注重师德师风、重视课程思政、业务精专、责任心强。本课程设有资源循环工程设计课程教学研究小组，通过传帮带，课程责任教授，带领几名年轻教师，定期开展教师的工程实践能力和讲授能力培训，提升授课教师授课水平和工程实践水平。教学研究小组通过定期开展授课教师的交流会，为教师提供更多的相互观摩和学习的机会，从而有利于建设一支相对稳定的高素质、专业化的师资队伍，并不断提升其业务水平。同时，教学组积极邀请来自资源循环行业先进企业的优秀校外专家加入教学团队，为更新课程案例、丰富网课素材，提供强大的专业支持，从而有助于提升人才培养质量。

八、 实践教学改革

资源循环工程设计课程作为资源循环科学与工程本科专业的必修课程，在教学过程中积极进行改革，根据国家发展循环经济的战略部署及绿色北京规划指导思想，结合北京工业大学材料与制造学部优势学科发展特点，强调专业理论课程结合实践设计课程的特色，适时调整并制定科学系统和具有特色的教学大纲，改革教学模式，增加多种教学手段，运用多种教学设备和方法进行教学。改革过程中特别注重强化设计实践能力的培养，充分利用北京工业大学稀缺金属工业过程优化系统中试平台的良好条件，综合利用现代互联网科技，统筹学生课上课下时间，适当安排相关网络课程资源，连通资源、环境、材料领域扩展知识，突出交叉学科特色、注重课下自学和教师课堂教学的结合，挖掘学生的学习兴趣，强调对学生多种综合能力培养。资源循环工程设计课程的课程教学内容、教学方法及能力培养的结构图如图1所示。在教学内容上包含工程设计专业知识、工程设计实施案例和重视实体平台设计实操，从三个维度理论联系实际，层层深入构建学生专业知识框架和认识体系；在教学方法上包含传统讲授、多媒体展示、设计实例训练、生产线设计实习、中试实体平台设计实操等多种手段，从不同角度综合训练学生的设计思维和创新能力；在考核方法上，进行多元化尝试，根据不同的课程内容设置不同的考核要求，以小组或者个人为单元，通过组织设计报告撰写、课堂展示、课堂讨论、情景模拟等考核方式，全面培养学生设计开发能力、专业决策能力、综合分析能力、工具学习能力、计算优化能力和团队协作能力等多项毕业要求所必须的综合能力，为学生未来胜任本领域相关专业技术工作提供保障。

图1 资源循环工程设计课程结构图

结语

工科院校是国家培养工程师的摇篮，随着高等教育对实践类教学的重视，工程设计类课程在工科院校人才培养中将发挥越来越重要的作用。北京工业大学资源循环科学与工程专业的工程设计课程建设经过多年的探索与实践，依托学校教育部新型功能材料重点实验室及发改委国家工业大数据重点实验室的建设，逐步形成自己的特色和风格，也取得了一定的教学成果。未来，我们将继续在教学内容、教学方法、师资队伍等方面进行不断创新，力争为本专业学生设计开发能力、专业决策能力、综合分析能力、团队协作能力的提升提供更系统化的培养，为国家资源循环领域源源不断输送优秀的工程技术人才。