《高分子材料成型加工》教學(xué)改革與實踐*

王梓民，石海信，陸來仙，張瑞瑞

(北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011)

我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對應(yīng)用型人才的需求不斷增加，北部灣大學(xué)作為國家“十三五”規(guī)劃建設(shè)的“應(yīng)用型本科高校”項目單位和教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心“產(chǎn)教融合創(chuàng)新實驗項目”基地院校，其人才培養(yǎng)方式也有著重大轉(zhuǎn)變。就高分子材料與工程專業(yè)而言，專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)需要更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的交叉融合和實用性，使學(xué)生具有扎實的基礎(chǔ)科學(xué)理論，系統(tǒng)掌握專業(yè)相關(guān)知識，具備相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計、生產(chǎn)、組織管理、產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)備使用維護(hù)能力，適應(yīng)塑料、橡膠、化纖、涂料、黏合劑等高分子領(lǐng)域工業(yè)需求，成為具有一定創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的高級復(fù)合型人才[1]。

《高分子材料成型加工》是應(yīng)用型工科高分子材料與工程專業(yè)的必修課程，主要講授高分子材料及配方設(shè)計、加工方法、工藝過程、加工工藝原理和設(shè)備以及高分子材料的加工性質(zhì)等內(nèi)容。課程作為理論到實踐的一個橋梁，使學(xué)生能夠理解和掌握高分子材料的加工原理和工藝過程，為學(xué)生從事高分子材料及其制品的設(shè)計、生產(chǎn)和研究工作打下必要的基礎(chǔ)[2]。課程內(nèi)容包含課堂講授48學(xué)時和實驗32學(xué)時，以有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、高分子化學(xué)、高分子物理等為前置基礎(chǔ)課程。課程知識面廣、理論要求高、設(shè)備操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度較大。本文旨在從多角度改善教學(xué)方式方法，整體提升教學(xué)效果。

1 專業(yè)課程與基礎(chǔ)課程融會貫通

我校選用唐頌超[3]主編，中國輕工業(yè)出版社出版的《高分子材料成型加工》(第三版)為教材，是普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材，包括高分子材料學(xué)、流變學(xué)、添加劑、制品及配方設(shè)計、原料混煉過程和壓延、擠出、注射、紡絲等成型工藝過程，相關(guān)產(chǎn)品涉及塑料、橡膠、化纖、涂料、黏合劑等諸多領(lǐng)域。課程要求學(xué)生具備相關(guān)的數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理等基礎(chǔ)理論知識，同時還要具備操作設(shè)備、分析問題的實踐工程能力，教學(xué)內(nèi)容多而復(fù)雜。因此，理清各門課程之間的關(guān)系，使學(xué)生對學(xué)科結(jié)構(gòu)有直觀認(rèn)識和融會貫通，是非常重要的。

圖1 高分子材料與工程專業(yè)課程間的關(guān)系

以高分子材料與工程專業(yè)課程之間的關(guān)系為例，針對學(xué)生所學(xué)的前置基礎(chǔ)課程《高分子化學(xué)》、《高分子物理》等部分內(nèi)容與本教程部分內(nèi)容交叉重疊的現(xiàn)象，需要從高分子學(xué)科結(jié)構(gòu)層面予以分析和解釋，強(qiáng)調(diào)化學(xué)、物理和工程是學(xué)科的基礎(chǔ)，最終達(dá)到滿足產(chǎn)品使用性能的要求。讓學(xué)生認(rèn)識到本課程的重要性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。對于本課程中所涉及的專業(yè)知識，也需要及時回顧相關(guān)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

2 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成

《高分子材料成型加工》以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，輔以適量的專業(yè)實驗，強(qiáng)化實踐操作過程并深化對理論知識的認(rèn)識能力[4]。所開設(shè)的實驗內(nèi)容穿插于理論教學(xué)的各章節(jié)中，例如，使用熔融體毛細(xì)管流變儀測聚合物流動特性的實驗，就要在實驗前回顧理論課的聚合物流變學(xué)內(nèi)容，并在實驗過程中引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，用實踐檢驗所學(xué)理論課程中的公式、原理和方法。課后要寫好完整的實驗報告，要包括實驗時間和地點、實驗原理、設(shè)備型號和操作參數(shù)、實驗過程、數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果處理及理論分析。將實驗課當(dāng)作理論課程的深化過程，并在理論教學(xué)中，將抽象的設(shè)備圖、工藝流程圖、實驗原理等與實驗操作相結(jié)合進(jìn)行講授，使學(xué)生對抽象知識有直觀的體會。

3 注重學(xué)生實踐操作能力

應(yīng)用型大學(xué)應(yīng)該注重學(xué)生的實踐操作能力，“學(xué)以致用”是最終目的。因此，《高分子材料成型加工》課程教學(xué)中，不應(yīng)強(qiáng)調(diào)對知識點死記硬背，而要求較高的理解和領(lǐng)悟能力。對于復(fù)雜理論的講授，則更注重推導(dǎo)結(jié)果和用途，而不是公式的推導(dǎo)過程，從而使工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式區(qū)別于理學(xué)人才的培養(yǎng)。在實驗教學(xué)中，務(wù)必使學(xué)生有操作機(jī)械設(shè)備的經(jīng)歷(在教師的監(jiān)督和指導(dǎo)下)，避免紙上談兵、光說不練。只有通過實踐操作，學(xué)生才能仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題并深刻理解相關(guān)知識內(nèi)容。例如，在密煉機(jī)操作實驗中，引導(dǎo)學(xué)生操作、觀察設(shè)備運行時內(nèi)部溫度變化的異常，提出問題：為什么實際溫度會超過設(shè)定溫度，觸發(fā)溫度報警器？從而深化理論課程所講授的知識點：物料混煉時，摩擦和擠壓會嚴(yán)重放熱。再以此為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考可以采取哪些方案來解決問題。

4 培養(yǎng)工程意識

本課程教學(xué)內(nèi)容屬于工程學(xué)，以培養(yǎng)合格的工程應(yīng)用型高分子專業(yè)人才為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。即以解決實際工程問題為出發(fā)點，通過逆向思維和發(fā)散思維訓(xùn)練，反推出需要使用的方法、設(shè)備和工藝，再設(shè)計出技術(shù)可行、成本合理、操作簡便的方案[5]。例如，本院的化學(xué)實驗室需要一批塑料小藥勺，學(xué)習(xí)過《高分子材料成型加工》課程的學(xué)生，是否有能力以小組的形式設(shè)計出實驗方案、制備出相關(guān)產(chǎn)品、解決這個問題？這個過程中，需要綜合運用所學(xué)知識。首先分析產(chǎn)品的具體需求是什么，硬度要求、尺寸要求、顏色需求、用量多少、成本控制等；再考慮選擇的原料能否滿足上述要求，是選用聚乙烯、聚氯乙烯還是聚丙烯？原料混煉使用開煉機(jī)還是密煉機(jī)？制備過程使用注塑機(jī)還是模壓機(jī)？使用螺桿擠出還是活塞擠出？等等問題都需要靈活運用所學(xué)知識和技能，綜合考慮全局，才能設(shè)計出合理的解決方案，滿足具體需求，這個過程是從工科學(xué)生到工程師轉(zhuǎn)變所必不可少的一個階段。

5 以教學(xué)知識點(塑料的工程特征)為例

高分子材料不同于金屬材料和無機(jī)非金屬材料，具有獨特的工程特征。以塑料的工程特征為例，進(jìn)一步分析教學(xué)內(nèi)容的改革和實踐過程。塑料是一類常見的工程材料，在使用性能上具有諸多特征：密度小；拉伸強(qiáng)度和拉伸模量低，韌性較好；熱傳導(dǎo)系數(shù)??；電絕緣性能優(yōu)良；成型加工性能優(yōu)良；減震消音效果好；具有耐磨和自潤滑性能；耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好；透光性好；著色性好；長期使用性能差；熱膨脹系數(shù)大，耐熱性差；容易燃燒。

此知識點內(nèi)容較抽象，涉及的背景知識也較多，為了讓學(xué)生能夠較好地理解和掌握知識點，需要靈活運用上述教學(xué)方法。首先，明確塑料的工程特征直接與其使用時的效果相關(guān)，需要從產(chǎn)品的特定用途角度出發(fā)，通過逆向思維和發(fā)散思維，反推出需要使用的原料、方法、設(shè)備和工藝。即以解決實際問題為出發(fā)點，培養(yǎng)工程意識。例如，生產(chǎn)一種塑料水杯，需要考慮哪些因素？從塑料的工程特征來看，塑料的長期使用性和耐熱性差，而水杯經(jīng)常要接觸高溫環(huán)境，因此在生產(chǎn)過程中要使用防老化劑等助劑；容易燃燒，就要添加阻燃劑等；塑料的熱傳導(dǎo)系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大，加工時可能存在受熱不均的現(xiàn)象，因此在模具形狀設(shè)計、機(jī)械設(shè)備強(qiáng)化傳熱等方面都有一定的要求；從而與添加劑、聚合物流變學(xué)、加工工藝和設(shè)備等章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行融合介紹，同時將高分子化學(xué)、高分子物理等的相關(guān)基礎(chǔ)知識進(jìn)行穿插回顧，形成系統(tǒng)化的工程理念。其次，通過分組實驗設(shè)計，將知識點與實踐操作相結(jié)合，在實踐中深化對理論的認(rèn)識。學(xué)生分組設(shè)計出技術(shù)方案以后，需要通過原料預(yù)混、設(shè)備選型、工藝優(yōu)化等過程，結(jié)合實驗課程的內(nèi)容，使用擠出成型機(jī)、注塑機(jī)、吹塑機(jī)等機(jī)械設(shè)備，親自動手制造產(chǎn)品。通過對產(chǎn)品的性能分析以及解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。最后，通過實驗總結(jié)，明確該知識點并不只是抽象的概念，而是與高分子化學(xué)、高分子物理、流變學(xué)、添加劑、加工設(shè)備、操作工藝等課程和相關(guān)內(nèi)容交叉融合，只有全面考慮、綜合運用所學(xué)知識才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。深化對知識點的理解，形成全局意識和工程意識。

教學(xué)效果對比

近年來，我校高分子材料與工程專業(yè)181班、191班先后進(jìn)行了《高分子材料成型加工》課程的學(xué)習(xí)。其中，191班主要參與了本次教學(xué)改革與實踐的全部內(nèi)容，42人中，80分以上24人，占比57.14%，70～79分10人，占比23.81%，60～69分6人，占比14.29%，60分以下2人，占比4.76%。181班只參與了本次教改的第一部分(專業(yè)課程與基礎(chǔ)課程融會貫通)，37人中，80分以上18人，占比48.65%，70～79分15人，占比40.54%，60～69分1人，占比2.7%，60分以下3人，占比8.11%。由此可知，通過理論教學(xué)與實驗教學(xué)協(xié)調(diào)同步、強(qiáng)化實踐操作、培養(yǎng)工程意識等途徑，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績有了較大提升，主要表現(xiàn)為，80分以上人數(shù)占比增加了近9%，班級平均成績也有一定提高。

通過系統(tǒng)化的教學(xué)改革與實踐，相比于181班，191班的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力、學(xué)業(yè)水平、職業(yè)素養(yǎng)都有了較大提升。

學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)識更加深入，表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)積極性較高。本課程的教學(xué)改革與實踐，有助于促進(jìn)課程模塊化建設(shè)、革新教育教學(xué)方式、改善教學(xué)效果、發(fā)展教育理念。

6 結(jié) 語

作者近兩年先后在18級、19級本科生的《高分子材料成型加工》教學(xué)中引入教學(xué)改革的理念和方法，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了課堂互動，豐富了教學(xué)內(nèi)容，獲得了較好的教學(xué)效果。培養(yǎng)合格的應(yīng)用型工程技術(shù)人才任重道遠(yuǎn)，相關(guān)專業(yè)課程的改革和建設(shè)還需要持續(xù)進(jìn)行，以滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。