新工科背景下“材料流變學”課程教學改革研究

殷先澤，熊思維，楊詩文

（武漢紡織大學材料科學與工程學院 湖北 武漢 430200）

材料流變學是研究聚合物流動和變形的科學，是高分子物理、高分子化學和紡絲工藝學等學科的交叉科學[1-3]。化學纖維在紡絲、拉伸和熱定型過程中都伴隨著復雜的流動和變形，即使是成品纖維，在使用過程中也會發生不同程度的變形，因此材料流變學是化纖成型理論的重要基礎。

“材料流變學”作為紡織類高校中材料學專業的核心課程，對聚合物的合成、紡絲加工等具有十分重要的指導作用，在紡織類高校材料專業教學計劃中具有承上啟下的作用。對聚合物溶液或熔體流變特性的把握有助于學生進一步理解纖維成型機理，掌握紡絲工藝調控原理。因此，加深紡織類高校材料類專業學生對材料流變學課程理論知識的學習，提高紡織類高校材料流變學課程的教學質量勢在必行。面對行業院校的競爭，如何將人才培養模式與專業定位、區域經濟產業特色相結合，培養基礎扎實，應用能力強的材料類人才是紡織類高校共同面臨的課題。

1 材料流變學課程教學中存在的問題

1.1 教學特色不鮮明

國內高校針對流變學的課程內容理論體系相似，材料流變學教學內容大致包括結構流變學、加工流變學、流變測量學以及聚合物典型加工過程的流變學分析這四個部分。其中，流變測量學和聚合物典型加工過程的流變學分析對于工科學生的學習尤為重要。通過這兩個部分的學習，學生將掌握各種流變儀的原理和應用，以流變學原理為基礎構建流變測量方法和儀器。不僅如此，還可以將流變學原理應用于聚合物材料的加工工藝和設備設計，學生將學習聚合物在不同加工條件下的流變行為，探究在擠出、注塑、模壓等典型加工過程中流體特性的變化，掌握如何通過調整加工參數和設備設計來改善產品的質量和性能[4-5]。

但高校沒有根據本校特色和當地產業發展合理設置材料學研究方向的課程，其結果是同質化現象嚴重，跟本專業研究的聯系不緊密，體驗感不強。不僅師資力量跟不上去，而且培養的學生基礎不牢，特色不鮮明，學生學習該專業面臨諸多困惑，就業質量不高，極大地影響了該專業未來的發展。目前省內高校中武漢工程大學研究生材料專業特色比較鮮明，在長期辦學中，以石油化工產業為導向，將專業嵌入產業當中，編寫了相關石油類材料流變學教材，培養的學生基礎好，就業質量高。

1.2 教學內容缺乏實用性

材料流變學的概念和理論比較抽象和復雜，且應用范圍廣泛，涉及材料設計、加工和工程應用等方面。本學科的流變學課程教學大綱依據《高分子材料流變學》教材的內容進行設置，主要涉及聚合物流變學的理論基礎，聚合物流體的流變行為分析，以及流變學在聚合物加工中的應用。學生通過流變學課程的學習，掌握如何通過數學模型描述復雜的流體行為，深入研究流體的分子結構與宏觀流變性質之間的關聯，并了解不同結構對流體特性的影響。通過實驗結果的驗證和修正，加深學生對流體內在結構與流變行為之間微妙關系的認識，從而更好地理解流體的復雜性質。因此，流變學課程知識面寬，內容量大，在學習過程中對學生高等數學的掌握要求高，但并不涉及聚合物成纖的相關實例。而紡織類高校學科偏向于工程應用，學生在實際工作中會遇到紡織纖維材料加工等工程問題，如果教學內容缺乏與纖維成型等實際工程應用的連接，學生可能難以將所學的知識應用于解決實際問題。

1.3 教學方式單一

目前，“材料流變學”課程教學以教師講解為主，公式較多，學生反映較難理解，對相關流變測試設備及相關測試技術僅僅通過圖片或者文字介紹，這大大影響了相關專業的人才培養效果。然而，流變學是一門典型的實驗科學，缺乏流變學實驗教學不利于學生實踐能力和問題解決能力的培養。因此，在教學過程中不僅要加強理論教學，對實驗教學也應該同樣重視。而老師如何借助各種教學工具和教學方式，調動學生的主觀能動性，使材料流變學課程變得通俗易懂是當前的主要問題。

2 材料流變學的教學改革

2.1 凸顯紡織院校“材料流變學”教學特色

材料流變學在紡織領域中扮演著重要的角色。化纖作為一種重要的纖維材料，其在制造、加工和應用過程中的流變行為對產品的性能和品質有著直接影響。材料流變學的研究和應用可以幫助學生理解化纖材料的變形特性、流動行為以及與溫度、應力等條件的關系，從而優化化纖制造和加工過程，改善產品性能。

教師可在教學中引入與化纖材料相關的案例，例如聚酯纖維、聚酰胺纖維等，并提供纖維材料流變學的實驗機會。通過分析和討論這些案例，學生可以了解不同化纖材料的流變行為和特點，理解其與紡織、塑料、橡膠等領域的應用關系。通過播放化纖成型視頻，并配合演示加工過程，學生可以觀察聚合物在成型過程中所發生的各種行為，加深對材料流變學原理的理解。通過以上教學方法，教師可以將材料流變學的纖維特色融入教學過程中，學生能夠更好地理解和應用纖維材料的流變行為，掌握與纖維領域相關的實用知識和技能。

2.2 優化材料流變學教學內容，增加實驗教學內容

本專業流變學的相關實驗相對較少，僅在高分子物理實驗課程中開展了兩個簡單的實驗項目，即聚合物熔融指數測定和烏氏黏度計測定聚合物稀溶液黏度。實驗教學對于幫助學生提高對流變學知識的認識尤為重要，然而，開展傳統流變學實驗教學面臨兩大主要困難：其一，課時較少；其二，設備昂貴且臺套數量有限。基于此，我們利用學校科研團隊設備，開設了專題實驗課程，采用大型高級流變學儀器（包括哈克旋轉流變儀、熔融指數儀、毛細管流變儀以及共混流變儀等）進行現場實驗教學，由任課教師講解原理，演示操作，學生根據教師所提出的要求觀察實驗現象，分析實驗數據，得出實驗結果。通過課堂講授與課后實驗教學相結合的方式，大大提高了本科生利用流變學知識分析問題和解決問題的能力。

2.3 豐富材料流變學教學方法

為了消除學生對“材料流變學”的畏難情緒，培養學生的興趣，如何將流變學中的抽象概念具體化和形象化，讓學生對流變學概念理解得更透徹，是流變學教學所面臨的首要任務。

①加強基于問題的教學。強調教師與學生互動，鼓勵學生參與教學過程。教師將知識點設置在問題情境中來引起學生的興趣，學生在問題探究過程中需要深入思考問題的本質和背后的原理，培養學生的探究精神和批判性思維能力。在教學中，學生和教師共同合作解決實際問題，通過實踐性學習來加深對知識的理解和應用。例如，教師在講解高分子材料的黏彈性行為時，通過課堂播放聚合物熔體加工視頻，提出問題：在聚合物加工時，為什么會出現“擠出脹大”現象？出現該現象的原因是什么？在整個教學過程中，教師始終圍繞這個問題引導學生積極思考，使學生成為教學活動的參與者。同時，為了進一步將這一原理和實際工程問題聯系起來，繼續提出問題：“擠出脹大”現象對化纖加工成型的影響是什么？如何控制“擠出脹大”對化纖成型的影響？通過這種教學方式吸引學生的注意力，引導學生作為教學主體，鼓勵學生自主思考，提高學生的課堂學習效果。

②加強基于案例的教學。重視案例教學法，教師將理論知識融入案例教學情境，通過介紹具體案例來引起學生的興趣和好奇心，學生在案例教學中參與討論和分析，通過合作和交流，深入探討案例中所涉及的問題和解決方案，學生通過剖析案例中的具體知識，將理論與實際情況緊密關聯，更好地理解知識的應用和實際意義。比如，教師提出案例：合成纖維的可紡性與聚合物的流動性之間的關系。聚合物流動性是影響合成纖維可紡性的重要因素之一。在紡絲過程中，聚合物材料要經歷拉伸、擠出等復雜的流動過程，這就要求聚合物具有一定的流動性。如果聚合物流動性不足，它在紡絲過程中可能無法流動和延展，導致纖維無法形成或質量不佳。學生通過自主學習討論獲取到這一案例背后的流變學知識。進一步的，通過描述尼龍6在不同溫度、剪切速率和應力條件下的流變特性，了解尼龍6 的流變行為和變形機制，確定尼龍6 合適的加工溫度范圍。通過控制加工溫度，可以調節尼龍6 的黏度和流動性，以實現更好的加工性能和產品質量。基于案例的教學方法強調學生在實際情境中進行學習和應用，讓學生更深入地理解和掌握所學知識，并能夠將理論知識轉化為解決實際問題的能力。

③理論結合實踐。將枯燥晦澀的高分子流變學理論知識與實際應用背景結合，可以讓學生通過具體研究體系來學習與探索。舉例來說，教師在講解賓漢流體這一概念時，除了我們日常可見的牛奶、牙膏等典型的生活案例以外，還可以從軍事、航天等工程案例出發，比如航天潤滑劑、印刷油墨等例子，通過這些具體的實例，讓學生理解賓漢流體的概念以及用途。教師將抽象的理論知識與具體實例相結合，激發學生的好奇心，提高學習的專注度和主動性，使學生在實際案例中理解和應用所學的理論知識，比如，在講解材料的黏彈性時，以防彈衣作為具體實例，引導學生了解防彈衣防彈背后的流變學原理，既突出了紡織學科的紡織特色，又能讓學生了解流變學知識的應用研究。通過這樣的教學方式，鞏固了學生的基礎知識，使他們能夠更好地將理論知識與實際應用相結合，而且有助于提升學生多維度思考和分析問題的能力，使他們在未來的工程實踐中能夠更好地應用所學的知識。

2.4 豐富考核方式

作業與考核都是檢查學生學習效果的重要手段，通過作業和考核結果的反饋可以讓教師有效把控課堂教學內容，及時調整授課方式，以更好地激發學生的學習動力和培養其綜合能力。作業的形式包括課堂作業和開放性課題報告。采用多元化評價方式來進行考核，作業總成績所占比例增至40%，期末理論考試成績所占比例降低至50%，并考慮出勤和課堂討論的參與程度，占比10%。這樣的調整有利于發揮學生的自主性，更全面地考核他們的學習成果和綜合能力。這樣的教學方法和評價方式將促進學生更積極地參與學習，提高學習效果和學生的綜合素質，使課程更加有效地滿足學生的學習需求和發展目標。

3 結論

由于材料流變學學科的交叉性質，為了達到教學目標，教師需要不斷地探索和改進教學方法，根據在實際教學中所積累的經驗，對課程教學體系進行優化和完善，以減少學生對課程的畏懼情緒。我們的目標是讓學生掌握材料流變學的理論和實踐過程，使他們能夠熟練運用流變學的基本原理來分析纖維材料的流變行為，并提升他們解決問題的能力，積極推動紡織類院校材料類研究生對流變學的理解。我們相信，通過不斷優化教學方法和教學體系，學生將更加樂于學習和應用材料流變學的知識，從而實現教學目標并提升整體教學質量。