地方院?？蒲谐晒D(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐①

龔新懷，吳以校，趙瑨云，陳良壁

(1．武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300;2．華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

地方本科院校是我國(guó)高等教育的重要組成部分，發(fā)展目標(biāo)多定位于地方性、應(yīng)用型本科院校，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的高級(jí)應(yīng)用型人才。［1］實(shí)踐教學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的重要組成部分，而實(shí)踐教學(xué)的主體部分是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建理論和實(shí)際的橋梁，提高實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和精神。［2］

但長(zhǎng)期以來(lái)在地方院校中，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和作用認(rèn)識(shí)不足，過(guò)度依賴(lài)?yán)碚摻虒W(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視長(zhǎng)期不足，以至沒(méi)有充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用。［3］主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)于社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的陳舊與滯后，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型比較單一，并且多以認(rèn)知性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，而能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)比例偏少，且教學(xué)模式不合時(shí)宜，學(xué)生只需按教師指導(dǎo)的過(guò)程按部就班等，不能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)作用，教學(xué)效果大打折扣。

因此推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革刻不容緩，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入教師科研成果，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并將科研方法轉(zhuǎn)化成教學(xué)手段，充分發(fā)揮科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)和教科研的互動(dòng)作用，是提高學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的有效方法。［4－5］一方面教師科研項(xiàng)目多來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，并引導(dǎo)學(xué)生較早接觸項(xiàng)目研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力;同時(shí)教師科研項(xiàng)目多轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從教學(xué)實(shí)施上保證了學(xué)

生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。現(xiàn)就福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目“閩北竹木廢棄物的綜合利用”的研究方向之一:“木塑復(fù)合材料的制備與性能測(cè)試”，轉(zhuǎn)化為高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目報(bào)告如下。

1 木塑復(fù)合材料的發(fā)展概況

1.1 木塑復(fù)合材料簡(jiǎn)介

木塑復(fù)合材料 (WPC)是以木纖維或其他植物纖維，經(jīng)一定處理后，與熱塑性塑料等，經(jīng)擠出、注塑或壓制等成型工藝制成的，一種可循環(huán)利用的多用途綠色環(huán)保型材料。［6］融合了塑料及植物纖維的特性，具有:(1)吸水率小、耐腐蝕、防霉菌和蟲(chóng)蛀、使用期限長(zhǎng);(2)表觀類(lèi)似木質(zhì)材料，可同木材一樣進(jìn)行鉚釘?shù)冗B接固定，又不會(huì)像塑料易彎曲、變形等，可二次加工、循環(huán)利用;(3)引入塑料及助劑組分，借助塑料成型工藝，制備各種形狀、色澤的制品。因而廣泛應(yīng)用于裝潢、建筑、包裝、運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并保持強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，國(guó)內(nèi)近十年開(kāi)始迅速發(fā)展，以約15%的年增長(zhǎng)率發(fā)展，可大量消減我國(guó)大量農(nóng)林剩余物，有望成為木材、金屬、塑料等傳統(tǒng)材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者，擴(kuò)展為產(chǎn)值數(shù)千億元的新興產(chǎn)業(yè)。

1.2 木塑復(fù)合材料研究存在的問(wèn)題

盡管木塑復(fù)合材料具有很多突出優(yōu)勢(shì)，但木塑復(fù)合材料發(fā)展至今仍然存在一些問(wèn)題尚未得到很好解決。比如植物纖維材料富含羥基等極性官能團(tuán)，親水性強(qiáng)，塑料基體多為疏水性材料，二者熱力學(xué)不互溶，難以形成有效界面粘結(jié)和均勻共熔體，植物纖維在基體中分散不均，易形成應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響木塑復(fù)合材料性能。［7］因此提高二者的相容性，促進(jìn)其界面粘結(jié)作用，是木塑復(fù)合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。［8］

1.3 木塑復(fù)合材料界面改性研究

目前木塑復(fù)合材料的界面改性主要集中在對(duì)木粉等植物纖維進(jìn)行物理、化學(xué)手段改性，降低其親水性，改善其與樹(shù)脂的界面粘合作用。

物理方法［8］是通過(guò)各類(lèi)的物理性手段，不添加化學(xué)試劑來(lái)改變纖維的結(jié)構(gòu)和表面能來(lái)提高植物纖維與塑料基體間的相容性。主要的物理處理方法有熱處理、放射處理、電暈放電處理等。

化學(xué)法改性［8］是利用化學(xué)試劑對(duì)植物纖維進(jìn)行處理從而改變植物纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，降低其極性，改善植物纖維組分在塑料基體中的分散性，主要有堿處理法、偶聯(lián)劑法、酰化處理法、表面接枝法。堿處理法是一種傳統(tǒng)的纖維處理方法，在植物纖維的表面處理中被廣泛的利用，經(jīng)堿處理的的植物纖維，去除了表面的雜質(zhì)，形成粗糙的形貌;而且堿溶液能除去纖維中的部分果膠、半纖維素、木質(zhì)素等強(qiáng)度低的組分，形成空腔，易于形成纖維和基體間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)作用。

偶聯(lián)劑法是通過(guò)添加偶聯(lián)劑來(lái)完成植物纖維的改性。偶聯(lián)劑分子多是一端為極性基團(tuán)，可與植物纖維親和，另一端為非極性基團(tuán)，與塑料基體親和，以一種“橋”的形式將不易相容的兩種物質(zhì)結(jié)合起來(lái)，改變界面相容性，提高復(fù)合材料的性能。常用的界面改性劑有馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯、鋁酸酯等。

?；幚矸ㄊ菍⒅参锢w維富含的羥基與酸酐、酰氯等改性劑反應(yīng)，生成脂類(lèi)化合物，羥基被極性較弱的酯基取代，降低了植物纖維極性，改善與塑料基體的相容性。表面接枝法是在植物纖維和塑料基體間接枝上有機(jī)聚合物長(zhǎng)鏈從而提高界面相容性的常用方法。

2 科研課題涉及到的高分子知識(shí)點(diǎn)

2.1 高分子材料成型加工知識(shí)

木塑復(fù)合材料制備工藝通常為將木粉、塑料顆粒干燥，經(jīng)高速混合機(jī)共混，再擠出成型，或者擠出造粒、注塑成型，也有的是混煉機(jī)混煉、熱壓成型等。其中工藝設(shè)備的選型和工藝參數(shù)的設(shè)置，對(duì)木塑復(fù)合材料的制備和性能具有重大影響。設(shè)備選型中包過(guò)高速混合機(jī)、擠出機(jī)、注塑機(jī)及開(kāi)煉 (密煉)機(jī)及熱壓成型機(jī)等，設(shè)備的型號(hào)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用性能等都必須經(jīng)過(guò)事先的確定。工藝參數(shù)如工藝溫度、擠出機(jī)的擠出速率、注塑機(jī)的注壓、保壓壓力及時(shí)間，熱壓機(jī)的成型壓力等都要經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)摸索，才能確定出最佳的成型工藝條件。

2.2 高分子物理知識(shí)

經(jīng)成型加工制備得到的木塑復(fù)合材料性能如何，須經(jīng)過(guò)性能檢測(cè)。木塑復(fù)合材料的常規(guī)物理性能檢測(cè)主要有力學(xué)性能、耐熱性能、吸水性、阻燃性、老化性能等，其中力學(xué)性能是木塑復(fù)合材料的使用基礎(chǔ)和前提，在木塑復(fù)合材料的性能測(cè)試中占有非常重要的地位，主要包過(guò)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、模量、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等，復(fù)合材料力學(xué)性能的好壞與塑料基體種類(lèi)、植物纖維性質(zhì)及填充量、木塑復(fù)合材料的成型加工方法以及植物纖維的界面改性等密切相關(guān)，這些因素的變動(dòng)直接關(guān)系到復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài)，在以木粉為填充相，塑料為基體的二元結(jié)構(gòu)相態(tài)中，木粉的改性方法及效果與分散相和連續(xù)相的形態(tài)密切相關(guān)，最終決定復(fù)合材料的力學(xué)性能等。

2.3 高分子材料研究方法知識(shí)

結(jié)構(gòu)決定性能，而性能決定應(yīng)用，為指導(dǎo)制備具有更好實(shí)際應(yīng)用性和性能特點(diǎn)的木塑復(fù)合材料，就必須從微觀層面上揭示木塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)，掌握其構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)而得出最佳的反應(yīng)條件和成型工藝。通過(guò)紅外和X射線(xiàn)衍射等分析物料組分反應(yīng)前后的變化，采用掃面電鏡等可觀察木塑復(fù)合材料斷面形態(tài)，可揭示木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)的機(jī)理等。

3 科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐

3.1 實(shí)驗(yàn)具體安排和實(shí)施

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及高分子材料成型加工、高分子物理、高分子材料研究方法等多門(mén)課程知識(shí)點(diǎn)，將從組分配方設(shè)計(jì)、木塑復(fù)合材料成型制備、復(fù)合材料性能測(cè)試表征及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理多方面完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，因此筆者按實(shí)驗(yàn)步驟中涉及的內(nèi)容主題變化，將實(shí)驗(yàn)分成四個(gè)板塊，如表1所示。

在具體實(shí)驗(yàn)方案中，將同學(xué)分成12組，每組5名同學(xué)，先后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。以聚烯烴塑料用量為100份計(jì)，固定木粉及助劑配比和工藝參數(shù)，第1到第4組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中對(duì)木粉的表面處理方式分別為堿處理、KH550硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑和二異氰酸酯偶聯(lián)處理;第5到7組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中對(duì)木粉進(jìn)行復(fù)合表面處理，其處理方式分別為堿處理－KH550硅烷偶聯(lián)、堿處理－鈦酸酯偶聯(lián)、堿處理－二異氰酸酯偶聯(lián)處理，木塑復(fù)合材料制備完成后，按要求完成力學(xué)性能、熱性能等測(cè)試及表征，通過(guò)前期的數(shù)據(jù)分析，可以得出最佳的復(fù)合材料界面改性方式;第8組到12組則固定最優(yōu)界面處理方式，依次改變木粉的填充比例，對(duì)塑料基體分別為20%、30%、40%、50%、60%。實(shí)驗(yàn)完成后，及時(shí)運(yùn)用相關(guān)軟件作圖分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同界面處理方式及木粉填充量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，并結(jié)合斷面形態(tài)研究其機(jī)理，最后匯總完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告及論文等。

3.2 實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核評(píng)價(jià)

以往實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)價(jià)方式是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師給出成績(jī)，這種模式不能客觀、全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能，抑制學(xué)生深入探究的學(xué)習(xí)興趣。為了真實(shí)、公正而較全面的評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，我們重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核標(biāo)準(zhǔn)體系。實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括預(yù)習(xí)報(bào)告、文獻(xiàn)資料查閱、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)記錄及分析、撰寫(xiě)報(bào)告、宣講報(bào)告七個(gè)環(huán)節(jié)。宣講報(bào)告環(huán)節(jié)是要求同學(xué)小組合作，根據(jù)完成的實(shí)驗(yàn)，仿效畢業(yè)答辯流程，準(zhǔn)備匯報(bào)PPT，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)方案涉及、實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)論五大方面進(jìn)行陳述，同時(shí)教研室選派幾位教師組成評(píng)委組，對(duì)學(xué)生資料查閱、方案設(shè)計(jì)及配方、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論等方面進(jìn)行提問(wèn)、打分。重點(diǎn)考察學(xué)生資料查閱及歸納能力、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、問(wèn)題及數(shù)據(jù)的分析解決能力，初步評(píng)價(jià)學(xué)生的操作實(shí)踐和創(chuàng)新性思維能力。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)時(shí)安排、知識(shí)點(diǎn)及培養(yǎng)目標(biāo)

3.3 教學(xué)效果及成果

本實(shí)驗(yàn)來(lái)自于教師的科研課題，又與現(xiàn)實(shí)生活如室外公園建筑、家居裝修板材等及地方產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，引起了學(xué)生的極大興趣，而且通過(guò)這一綜合性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)查閱、高分子材料加工設(shè)備、塑料助劑選用及高分子物理性能測(cè)試等有關(guān)知識(shí)都有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，綜合運(yùn)用了多門(mén)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，并掌握了多種儀器設(shè)備的使用，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研工作等奠定良好基礎(chǔ)。通過(guò)提出問(wèn)題、文獻(xiàn)查閱及小組協(xié)作方式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感和學(xué)習(xí)自信心。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后同學(xué)反饋結(jié)果顯示，大部分同學(xué)大表示對(duì)科研的基本過(guò)程和方法有了直觀的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的基本科研能力和方法。同時(shí)對(duì)該實(shí)驗(yàn)課題有興趣的同學(xué)，繼續(xù)參與該課題的后續(xù)研究，在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，相關(guān)研究成果在中文期刊上發(fā)表相關(guān)論文3篇，成功申請(qǐng)國(guó)家級(jí)、省級(jí)等大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3項(xiàng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)教師提煉科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一種創(chuàng)新模式和重要途徑。實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及反饋意見(jiàn)表明，這種教學(xué)模式是切實(shí)可行的，具有良好的教學(xué)效果，有利于地方院校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。高校教師應(yīng)積極參與到科研成果向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化的研究實(shí)施中去，以實(shí)現(xiàn)“教學(xué)帶動(dòng)科研，科研促進(jìn)教學(xué)”的良性循環(huán)。

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