《材料學(xué)》課程教學(xué)探索與實(shí)踐

趙天寶，王 霞，楊如意，陳寶書

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

1 課程簡(jiǎn)要介紹

《材料學(xué)》是材料基礎(chǔ)理論密切結(jié)合工程實(shí)踐運(yùn)用的學(xué)科，對(duì)于培養(yǎng)高技能材料方向?qū)W生的專業(yè)素養(yǎng)、興趣以及創(chuàng)新能力發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[1]。該課程主要研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)制備工藝、本征性能與使用性能之間的相互關(guān)系，為材料設(shè)計(jì)、制造、工藝優(yōu)化和生產(chǎn)使用提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)[2-3]。材料學(xué)囊括了高分子材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料等，涉及材料化學(xué)、固體物理學(xué)、生物材料、電子材料、高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)等理論[4]，課程內(nèi)容繁多、知識(shí)涵蓋面廣、學(xué)科交叉性強(qiáng)，知識(shí)掌握存在一定難度。因此，為了讓高分子專業(yè)方向的學(xué)生更好的掌握該課程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)出理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才，本文基于課程特點(diǎn)，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核制度等方面進(jìn)行探索研究。

2 明確課程教學(xué)目標(biāo)

基于高分子專業(yè)方向的學(xué)生對(duì)材料化學(xué)、材料物理和高分子材料科學(xué)的理論等有了基本掌握的基礎(chǔ)，本課程從各大類材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系入手，幫助學(xué)生掌握所有工業(yè)上常用材料的概念、性能、加工及應(yīng)用知識(shí)。要求學(xué)生熟悉其單體及聚合工藝，理解材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與其性能，能夠結(jié)合高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系，具備分析高分子材料結(jié)構(gòu)及解決工程化應(yīng)用的能力，從而達(dá)到能夠根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)性能要求和加工條件選擇合適的高分子材料，并進(jìn)行高分子改性及配方設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)能夠了解和熟悉高分子材料配方設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)、安全管理、社會(huì)文化等背景知識(shí)。

3 整合課程教學(xué)內(nèi)容

材料學(xué)章節(jié)多，涉及的內(nèi)容廣，在課時(shí)少的情況下難以將知識(shí)點(diǎn)拓展開來，在指定的教學(xué)時(shí)限內(nèi)很難將課程全部?jī)?nèi)容講解透徹，教學(xué)效果不理想。因此，課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該與材料科學(xué)與工程的不同專業(yè)方向相適應(yīng)。如對(duì)于高分子專業(yè)方向的學(xué)生應(yīng)該對(duì)課程進(jìn)行精簡(jiǎn)、合并、偏重，使課程內(nèi)容豐富而不雜亂、知識(shí)點(diǎn)清晰而不晦澀。本課程大體上將教學(xué)內(nèi)容分成緒論、金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料四個(gè)部分。從材料的發(fā)展歷程引入，通過多媒體教學(xué)方式講授各種材料的特征、分類、主要來源、結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)、主要用途，然后簡(jiǎn)要介紹金屬材料和無機(jī)材料的基本特征、分類、主要來源、結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，重點(diǎn)講高分子材料制備、成型加工方法和加工過程中各類助劑的作用機(jī)理，如通用塑料的結(jié)構(gòu)與性能、成型加工方法、主要用途；五大通用工程塑料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能、主要成型方法及主要用途；特種工程塑料中聚苯硫醚的主要性能特點(diǎn)及其應(yīng)用；橡膠的基本特征、分類，橡膠的主鏈結(jié)構(gòu)及側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，通用橡膠的來源，天然橡膠的制備、結(jié)構(gòu)及加工、主要應(yīng)用；以增塑劑、增韌劑等為例，講述力學(xué)助劑的概念、用途及作用機(jī)理；最后系統(tǒng)的講授高分子材料及助劑設(shè)計(jì)配方及生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)和安全事項(xiàng)。建立“課堂講授+科研成果展示+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的多元化教學(xué)模式。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的興趣，激發(fā)學(xué)生在課堂上的求知欲，實(shí)現(xiàn)最終的教學(xué)目標(biāo)，擬采用“課堂講授+科研成果展示+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的多元化教學(xué)模式，具體如下：

3.1 課堂講授

豐富教學(xué)方法。采用多媒體教學(xué)為主，利用大量圖片和視頻資料，形象生動(dòng)地介紹材料結(jié)構(gòu)及其制備過程，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，提高課堂教學(xué)信息量和教學(xué)效果，例如在緒論章節(jié)講述材料的發(fā)展史之前，給學(xué)生播放央視紀(jì)錄片《材料革命》，通過生動(dòng)的視頻進(jìn)入課程學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生興趣，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)材料的認(rèn)知，然后再介紹材料的發(fā)展歷程、材料分類、材料的基本性能、材料的結(jié)構(gòu)特性及助劑，循序漸進(jìn)，有助于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的整體把握。

聯(lián)系日常生活講授。結(jié)合日常生活中高分子現(xiàn)象大量舉例，提出問題、鼓勵(lì)學(xué)生積極討論并給出措施，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，啟發(fā)學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和主動(dòng)獲得知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。比如講解塑料的特點(diǎn)與性能時(shí)，向同學(xué)們提問“為什么用塑料繩綁東西會(huì)越來越松？”由常見的高分子應(yīng)力松弛現(xiàn)象入手，讓學(xué)生發(fā)表自己的觀點(diǎn)，借此解釋應(yīng)力松弛現(xiàn)象，再畫出典型的應(yīng)力松弛曲線，圖文結(jié)合對(duì)其應(yīng)力松弛概念進(jìn)行系統(tǒng)的講述和解釋，加深學(xué)生對(duì)該概念的理解，能起到事半功倍的效果。

加強(qiáng)教學(xué)過程監(jiān)控。以課內(nèi)討論、課堂提問等形式，形成教師課堂講授與學(xué)生學(xué)習(xí)與思考的互動(dòng)；以課堂考勤和課堂提問，控制課堂教學(xué)過程；以作業(yè)、期中考試形成過程控制。如，在講解完應(yīng)力松弛概念留下問題，“生活中還有哪些現(xiàn)象是由應(yīng)力松弛產(chǎn)生的？你還知道哪些日常現(xiàn)象可以由材料特性解釋？”讓同學(xué)們?cè)谡n堂上積極討論并發(fā)表意見，有助于轉(zhuǎn)變學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的觀念，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，進(jìn)一步提高教學(xué)效率。

強(qiáng)化師生互動(dòng)。充分利用QQ微信群等通信技術(shù)，加強(qiáng)師生交流和溝通，解疑答惑，公告作業(yè)答案等相關(guān)教學(xué)資料，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生通過線上方式反饋課堂感受和學(xué)習(xí)情況，充分了解學(xué)生思想動(dòng)態(tài)和學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。定期向?qū)W生推送新材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)，形成課外互動(dòng)，提高教學(xué)效果。如，在學(xué)習(xí)無機(jī)非金屬材料章節(jié)前，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)強(qiáng)國觀看《匠心冶陶》宣傳片，通過對(duì)大型景德鎮(zhèn)市傳統(tǒng)手工制瓷技藝的了解認(rèn)識(shí)陶瓷，進(jìn)一步的講解無機(jī)非金屬材料的基本特征、分類、主要來源、結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。

3.2 科研成果展示

材料學(xué)是一門綜述性學(xué)科，其知識(shí)體系不斷發(fā)展與更新，書籍教材的更新難免落后于時(shí)代的飛速發(fā)展，因此在教學(xué)過程中，必須結(jié)合時(shí)代前沿科研動(dòng)態(tài)和行業(yè)實(shí)際需求，將科研成果引入課堂。比如，在講解力學(xué)助劑章節(jié)內(nèi)容時(shí)，將自己的科研成果PP耐磨試樣展示給學(xué)生看(如圖1所示)，同時(shí)結(jié)合塑料成型工藝介紹樣品的熔融共混過程，結(jié)合高分子助劑章節(jié)介紹滑石粉對(duì)PP力學(xué)性能的作用機(jī)理。同時(shí)，展示行業(yè)前言科技成果(如圖2所示)——華東師范大學(xué)葛建平教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的精準(zhǔn)膠體自組裝制備的透氣耐磨的結(jié)構(gòu)色織物，通過展示該研究成果的獨(dú)創(chuàng)性和優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步的拓展到膠體制備、粘結(jié)劑的種類和作用機(jī)理等理論知識(shí)。在教材內(nèi)容基礎(chǔ)上結(jié)合最新研究成果，能夠讓學(xué)生更全面的認(rèn)知材料，了解當(dāng)下材料的研究熱點(diǎn)和發(fā)展新方向。

圖1 PP耐磨試樣Fig.1 PP wear-resistant specimen

圖2 基于SiO2光子晶體的結(jié)構(gòu)色聚酯纖維[5]Fig.2 Structural color polyester fiber based on SiO2 photonic crystal[5]

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

專業(yè)課程中不僅設(shè)置課堂的理論教學(xué)板塊，還要開拓實(shí)習(xí)實(shí)踐板塊。課程以教師引導(dǎo)為主，實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行高分子材料的樣品制備及力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包括掌握擠出機(jī)和注塑機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作方法，選擇材料成型加工工藝參數(shù)制備樣品，并在不同的拉伸速度下對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并加以討論、分析，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。經(jīng)過小組實(shí)驗(yàn)的開展，有利于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，增強(qiáng)其實(shí)踐技能與理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)其組織溝通能力，強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)能夠適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的應(yīng)用型、復(fù)合型人才、創(chuàng)新型人才[6]。

圖3 塑料力學(xué)性能測(cè)試流程Fig.3 Plastic mechanical properties test process

4 構(gòu)建靈活的考核制度

課程的考核應(yīng)以考核學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)的達(dá)成為主要目的，以檢查學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度及綜合分析能力。鑒于此，本課程改變傳統(tǒng)的以期末考試成績(jī)?yōu)橹鞯目己朔绞絒7]，而是由平時(shí)成績(jī)(10%)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)(10%)、期中成績(jī)(10%)、期末成績(jī)(70%)4部分考核結(jié)果多角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。平時(shí)成績(jī)主要考核學(xué)生對(duì)每章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，主要考察學(xué)生對(duì)于高分子材料基本概念、結(jié)構(gòu)與性能、應(yīng)用的掌握情況，能分析高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)成績(jī)根據(jù)實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，總分100 分，主要考察學(xué)生對(duì)高分子材料及助劑配方設(shè)計(jì)、加工工藝、材料制備掌握情況，對(duì)于材料做出結(jié)構(gòu)分析、性能測(cè)試及報(bào)告分析的能力，對(duì)材料在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)及安全事項(xiàng)掌握情況。期中根據(jù)緒論，材料基本概念、結(jié)構(gòu)與性能等相關(guān)內(nèi)容設(shè)置名詞解釋、選擇題、填空題、簡(jiǎn)答題等題型，進(jìn)行開卷考試，由學(xué)生答題情況判定成績(jī)。期末針對(duì)本課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行閉卷考試，卷面成績(jī)100分，主要考核學(xué)生對(duì)材料的概念、性能、加工及應(yīng)用，熟悉其單體及聚合工藝，理解材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與其性能等基本知識(shí)的掌握，考核學(xué)生對(duì)各類材料的應(yīng)用，了解各類材料的衍生物，考察分析高分子材料結(jié)構(gòu)及解決工程化應(yīng)用的能力。

5 結(jié) 語

基于材料學(xué)課程特點(diǎn)，明確提出教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合材料高分子專業(yè)定位重新整合教學(xué)內(nèi)容，從材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、工藝和使用性能入手，將教學(xué)內(nèi)容分成緒論、金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料四個(gè)部分。同時(shí)，以多元化的教學(xué)模式進(jìn)行課程教學(xué)，在課堂講授的同時(shí)引入科研成果展示，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使材料學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)更加鮮活，課堂氛圍更加活躍，并以靈活的考核制度對(duì)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，最終教學(xué)效率獲得提高。