基于OBE理念的高分子材料加工課程探索與改革

楊堅(jiān) 劉躍軍 經(jīng)鑫

［摘 要］ 在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，根據(jù)“高分子材料成型加工工藝與設(shè)備”的課程特點(diǎn)，基于湖南工業(yè)大學(xué)辦學(xué)定位與專業(yè)課程體系，確定了該課程應(yīng)承擔(dān)的培養(yǎng)任務(wù)，制定了相應(yīng)的課程教學(xué)目標(biāo)。通過“課程群”建設(shè)的逐步完善、線下教學(xué)手段的多樣化、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入和基于過程與能力的評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的教學(xué)模式初步構(gòu)建。特別是虛擬仿真技術(shù)，將線上線下有機(jī)結(jié)合，“虛實(shí)組合”引入課堂，將知識(shí)與能力的培養(yǎng)融為一體，在激發(fā)學(xué)生自主探索意愿和學(xué)習(xí)興趣方面有著重要的意義。力求通過教學(xué)模式的改革，提高學(xué)生在高分子加工方面的工程知識(shí)儲(chǔ)備、解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)獲得行業(yè)認(rèn)可的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

［關(guān)鍵詞］ 工程教育專業(yè)認(rèn)證；OBE理念；高分子材料成型加工工藝與設(shè)備；課程改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度湖南工業(yè)大學(xué)教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“薄膜加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（220505940233233）

［作者簡(jiǎn)介］ 楊 堅(jiān)（1985—），女，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院講師，主要從事高分子材料加工、結(jié)構(gòu)與性能方向研究；劉躍軍（1970—），男，湖南攸縣人，博士，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院教授，主要從事包裝材料的加工、結(jié)構(gòu)與性能方向研究；經(jīng) 鑫（1987—），女，河南商丘人，博士，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事高分子復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方向研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）37-0141-04［收稿日期］ 2022-12-28

引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，提出了人才為本的理念，明確指出我們要培養(yǎng)高端人才。我國(guó)本科工程類專業(yè)規(guī)模很大，但工程類專業(yè)培養(yǎng)模式大多還是采取傳統(tǒng)的教學(xué)模式，課程考核側(cè)重知識(shí)掌握程度的考查。這與工程教育專業(yè)認(rèn)證所采納的以學(xué)生為本、面向產(chǎn)出和持續(xù)改進(jìn)的OBE理念有著較大的差距。作為高校工程類專業(yè)建設(shè)者，如何響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，培養(yǎng)出具有世界先進(jìn)水平的工程技術(shù)人才，是時(shí)代交給我們的課題。專業(yè)認(rèn)證作為一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程，其本身就有自我迭代的生命力，使得高校的專業(yè)建設(shè)方向更為明確。因而，專業(yè)認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量突破的必經(jīng)之路［1］。

千里之行，始于足下，專業(yè)認(rèn)證落實(shí)于課程。“高分子材料成型加工工藝與設(shè)備”作為高分子材料與工程專業(yè)的核心課程，主要涉及高分子材料成型加工原理，需重點(diǎn)構(gòu)建塑料和纖維等高分子材料加工過程中加工—結(jié)構(gòu)—性能之間的關(guān)系，使學(xué)生能應(yīng)用成型加工的原理，提供解決復(fù)雜工程問題方案［2］。根據(jù)課程特點(diǎn)，基于專業(yè)定位和當(dāng)前教學(xué)條件，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，本課程應(yīng)發(fā)展學(xué)生靈活應(yīng)用高分子材料成型加工原理解決復(fù)雜工程問題的能力；提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)造性解決問題的能力；增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力。筆者擔(dān)任了4年湖南工業(yè)大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)課程的任課教師，現(xiàn)結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，從以下幾個(gè)方面，就該課程目前存在的相關(guān)問題進(jìn)行探索研究。

一、基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置

根據(jù)OBE教育理念，在課程開始之前就要根據(jù)產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展需求和學(xué)校定位，系統(tǒng)規(guī)劃學(xué)生畢業(yè)5年之后需達(dá)到的職業(yè)和專業(yè)成就，以此確定培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，進(jìn)而根據(jù)畢業(yè)要求分解到課程的指標(biāo)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建課程教學(xué)方案［3］。依據(jù)OBE教育理念，基于湖南工業(yè)大學(xué)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用復(fù)合型人才的辦學(xué)定位與本專業(yè)課程體系，承擔(dān)了工程知識(shí)、問題分析和設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案方面的能力培養(yǎng)任務(wù)。所以，圍繞高分子產(chǎn)業(yè)和行業(yè)發(fā)展對(duì)工程人才的需求，制定該課程的教學(xué)目標(biāo)（見表1）。

二、基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)方式調(diào)整

（一）群策群力，共建能力

在工程教育專業(yè)認(rèn)證課程建設(shè)過程中將畢業(yè)要求分解成二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)，不同的課程對(duì)應(yīng)不同的指標(biāo)點(diǎn)。而一個(gè)任務(wù)的完成需要不同知識(shí)與能力的有機(jī)結(jié)合，由此就形成了課程群。“高分子材料加工工藝與設(shè)備”這一課程兼具理論性與實(shí)踐性，與“高分子物理”和“高分子材料表征與測(cè)試”等課程有著密切的關(guān)系。高分子工程師解決復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵是建立起配方—加工—結(jié)構(gòu)—性能之間的關(guān)系。該課程是這個(gè)關(guān)系構(gòu)建的核心之一。將與該課程相關(guān)的教師組成教學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過有效配合，形成課程群，建立能力發(fā)展目標(biāo)，在不同課程進(jìn)行分解，有助于學(xué)生系統(tǒng)性地理解知識(shí)和提升解決復(fù)雜工程問題的能力。比如“探究不同加工溫度對(duì)聚丙烯流延膜結(jié)構(gòu)與性能的影響”這一任務(wù)不僅需要學(xué)生用到該課程的專業(yè)理論，還需結(jié)合其他多門課程的相關(guān)理論知識(shí)。學(xué)生在具體的任務(wù)探究過程中，解決工程問題的實(shí)踐能力自然會(huì)得到提升。

（二）豐富線下教學(xué)手段

OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程以學(xué)生為主體，教學(xué)過程的設(shè)計(jì)應(yīng)著力于提升學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和知識(shí)應(yīng)用能力的提升。為此，筆者在以下幾個(gè)方面對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行了改進(jìn)。

1.投入精力用于教學(xué)視頻的篩選與剪輯。一個(gè)好的教學(xué)視頻不僅能吸引同學(xué)的注意力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，而且能幫助學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容形成更形象生動(dòng)的理解，有的則可以便捷地將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用建立聯(lián)系。例如在《塑料成型加工》一章中提到“嵌鑄”這一成型方式。筆者向同學(xué)展示了通過將甲殼蟲軀殼放入自制塑料殼的模具，用環(huán)氧樹脂澆筑成型，經(jīng)過打磨形成一件很具特色的藝術(shù)品的視頻。讓學(xué)生理解塑料的成型工藝在我們的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。鼓勵(lì)學(xué)生在課后嘗試自制藝術(shù)品，更進(jìn)一步理解這一成型工藝。

2.課堂中引入科研最新進(jìn)展，讓學(xué)生理解當(dāng)前理論知識(shí)在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。筆者從事多年高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的研究，將本人的研究數(shù)據(jù)直接在課堂上展示，有助于學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)重點(diǎn)難點(diǎn)。例如，在講述“塑料薄膜的加工成型”部分時(shí)需要讓學(xué)生理解拉伸工藝誘導(dǎo)取向與結(jié)晶有助于制品力學(xué)性能的顯著提升，這里就需要學(xué)生理解加工工藝（拉伸工藝）—結(jié)構(gòu)（取向與結(jié)晶）—性能（力學(xué)性能）之間的關(guān)系這一關(guān)鍵工程知識(shí)。通過數(shù)據(jù)展示，對(duì)比未經(jīng)拉伸的聚乳酸薄膜和經(jīng)過拉伸取向的聚乳酸薄膜二維廣角X射線衍射花樣（可以定性判斷出晶區(qū)的取向程度）和力學(xué)性能的差異，向?qū)W生說(shuō)明加工過程對(duì)結(jié)構(gòu)與性能有著至關(guān)重要的影響。

3.安排課程中部分章節(jié)以學(xué)生分組調(diào)研討論的方式展開。鼓勵(lì)學(xué)生以小組為單位的方式，課前查閱文獻(xiàn)，課上集中討論相關(guān)知識(shí)。例如，在開展《高分子材料混合加工的原料配方設(shè)計(jì)》一節(jié)中添加劑屬性對(duì)性能影響的教學(xué)活動(dòng)時(shí)，讓同學(xué)分組分別調(diào)研：（1）填料粒度對(duì)力學(xué)性能的影響；（2）填料含量對(duì)力學(xué)性能的影響；（3）填料表面性質(zhì)對(duì)力學(xué)性能的影響等。同學(xué)們通過文獻(xiàn)調(diào)研與課堂匯報(bào)，提出自己的觀點(diǎn)與理解。在此過程中，教師可以把握學(xué)生的困惑之處，以便輔導(dǎo)；學(xué)生也可在此過程中掌握重點(diǎn)知識(shí)、提升解決問題和溝通表達(dá)的能力。

4.借助雨課堂，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)外的有效把控。通過雨課堂，發(fā)布預(yù)習(xí)資料，督促學(xué)生課前在雨課堂作答，可有效提高課堂教學(xué)效率。在課堂教學(xué)過程中，雨課堂也可以很好地發(fā)揮記錄課堂教學(xué)過程的作用，為教學(xué)過程評(píng)價(jià)提供有效依據(jù)。

5.鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入教師的課題組，參與科研課題。筆者所在學(xué)院高分子專業(yè)教師立足包裝材料的開發(fā)，通過與高分子加工相關(guān)企業(yè)密切合作，讓學(xué)生參與到科研課題中，從而了解行業(yè)需求，真正將所學(xué)加工專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于工程問題的解決。學(xué)生也可以參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，在參賽過程中，激發(fā)自主研究的意愿，提升實(shí)踐能力。

（三）引入虛擬仿真教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行一些極具特色但線下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的展示［4］，在教學(xué)中的應(yīng)用擁有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。例如，大型加工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，物料在加工過程的結(jié)構(gòu)演化，工藝參數(shù)與制品性能之間的關(guān)系等。筆者將創(chuàng)新性教學(xué)方法應(yīng)用于教改實(shí)踐，充分利用虛擬仿真技術(shù)，將線上線下和“虛實(shí)”組合引入課堂，如圖1所示。

通過增加線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與考核機(jī)制來(lái)輔助常規(guī)的線下教學(xué)，以虛補(bǔ)實(shí)、取長(zhǎng)補(bǔ)短。為此，筆者與教學(xué)團(tuán)隊(duì)在“雙向拉伸功能薄膜生產(chǎn)工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)中，將虛擬仿真學(xué)習(xí)分成了四個(gè)層級(jí)：（1）了解雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)功能、工藝流程、薄膜性能檢測(cè)手段，提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知水平。（2）掌握功能聚丙烯薄膜配方設(shè)計(jì)方法，掌握工藝參數(shù)設(shè)計(jì)原理，在情境互動(dòng)式探究中夯實(shí)工藝操作技能。（3）引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)與討論、對(duì)比總結(jié)、自主構(gòu)建配方—工藝參數(shù)—結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系，并虛擬生產(chǎn)一款薄膜，提高學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、解決實(shí)際工程問題的能力。（4）引導(dǎo)學(xué)生開展針對(duì)性研究。如公共場(chǎng)所扶手等多人接觸物件存在傳播細(xì)菌病毒的可能。學(xué)生需查閱學(xué)習(xí)文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)薄膜生產(chǎn)方案，全方位培養(yǎng)學(xué)生分析、總結(jié)、設(shè)計(jì)、探索等科研創(chuàng)新能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在保障學(xué)生安全的同時(shí)，使學(xué)生真正掌握知識(shí)與原理，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣和專業(yè)志趣，促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合能力。目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被評(píng)為湖南省一流課程。

三、基于OBE教學(xué)理念的評(píng)價(jià)方式

基于OBE理念，學(xué)生的學(xué)習(xí)成果需要得到更為綜合與全面的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方式應(yīng)更加多樣化。因此課程建立了包括理論知識(shí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)等幾個(gè)方面的評(píng)價(jià)機(jī)制。理論知識(shí)的考查試題更具開放性，更加注重學(xué)生理論知識(shí)應(yīng)用于解決工程問題的能力。例如：試分析在注射成型過程中樣條厚度偏差較大，中部?jī)?nèi)凹，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是什么，如何改善。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身就設(shè)計(jì)了考評(píng)機(jī)制，整個(gè)操作過程都有系統(tǒng)記錄賦分。課堂表現(xiàn)一方面通過雨課堂數(shù)據(jù)來(lái)反映，如：預(yù)習(xí)題是否完成、課堂中插入的客觀題正確率如何、主觀題完成狀態(tài)如何、是否積極參與課堂討論中的“彈幕”“投稿”與“投票”等；另一方面通過教師在課堂上的記錄來(lái)反映，如：小組討論是否積極參與、成果匯報(bào)是否有理有據(jù)等。

結(jié)語(yǔ)

工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)“高分子材料成型加工工藝與設(shè)備”課程的教、學(xué)與評(píng)價(jià)方式都提出了更高的要求。依據(jù)OBE教學(xué)理念，筆者對(duì)該課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式和評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了研究與改革。進(jìn)一步明確了以綜合能力提升為目標(biāo)的培養(yǎng)方案。新教學(xué)方案的實(shí)施將為學(xué)生日后從事高分子材料領(lǐng)域相關(guān)工作打下更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］夏益青，盛玉萍，于永啟，等.“雙一流”背景下基于OBE理念的《高分子物理》課程教學(xué)改革的探索［J］.高分子通報(bào)，2022（11）：132-136.

［2］楊春林，歐梅桂，嚴(yán)偉，等.工程教育認(rèn)證背景下課程思政融入模式探索與實(shí)踐：以《聚合物成型加工原理》課程為例［J］.高分子通報(bào)，2021（5）：121-127.

［3］戴先中.工程師：工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的“培養(yǎng)目標(biāo)”［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2021（12）：28-34.

［4］董桂偉，趙國(guó)群，王桂龍.我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與趨勢(shì)研究：基于近十年中國(guó)知網(wǎng)文獻(xiàn)的知識(shí)圖譜分析［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2021（7）：85-92+96.

Exploration and Teaching Reform of Polymer Processing Based on OBE Concept

YANG Jian， LIU Yue-jun， JING Xin

（School of Packaging and Materials Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou， Hunan

412007， China）

Abstract： Under the situation of engineering education professional certification， the training tasks and the curriculum teaching goal are determined according to individual characteristics of the course of “technology and equipment of polymer processing”， which are based on the orientation of Hunan University of Technology and the curriculum system of this major. The teaching model of student-centered and learning-outcome-oriented has been initially constructed according to the gradual improvement of the construction of “course group”， diversification of offline teaching methods， the introduction of virtual simulation experiment and the evaluation system based on process and capability. In particular， virtual simulation technology organically combined online and offline teaching， realized combination of virtuality and reality， and integrated the development of knowledge and ability. It is of great significance in stimulating students independent exploration willingness and learning interest. The purpose of the reform of teaching mode is to improve students engineering knowledge base in polymer processing， and ability to solve complex engineering problems. And then， application-oriented engineering and technical talents recognized by the industry can be cultivated.

Key words： engineering education certification; OBE concept; Technology and Equipment of Polymer Processing; curriculum reform