新工科背景下“材料流變學(xué)”課程教學(xué)改革研究

殷先澤，熊思維，楊詩文

（武漢紡織大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 武漢 430200）

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

“材料流變學(xué)”作為紡織類高校中材料學(xué)專業(yè)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(dǎo)作用，在紡織類高校材料專業(yè)教學(xué)計(jì)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(xué)生進(jìn)一步理解纖維成型機(jī)理，掌握紡絲工藝調(diào)控原理。因此，加深紡織類高校材料類專業(yè)學(xué)生對材料流變學(xué)課程理論知識的學(xué)習(xí)，提高紡織類高校材料流變學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量勢在必行。面對行業(yè)院校的競爭，如何將人才培養(yǎng)模式與專業(yè)定位、區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)特色相結(jié)合，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)，應(yīng)用能力強(qiáng)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(xué)課程教學(xué)中存在的問題

1.1 教學(xué)特色不鮮明

國內(nèi)高校針對流變學(xué)的課程內(nèi)容理論體系相似，材料流變學(xué)教學(xué)內(nèi)容大致包括結(jié)構(gòu)流變學(xué)、加工流變學(xué)、流變測量學(xué)以及聚合物典型加工過程的流變學(xué)分析這四個(gè)部分。其中，流變測量學(xué)和聚合物典型加工過程的流變學(xué)分析對于工科學(xué)生的學(xué)習(xí)尤為重要。通過這兩個(gè)部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握各種流變儀的原理和應(yīng)用，以流變學(xué)原理為基礎(chǔ)構(gòu)建流變測量方法和儀器。不僅如此，還可以將流變學(xué)原理應(yīng)用于聚合物材料的加工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，學(xué)生將學(xué)習(xí)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(diào)整加工參數(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)來改善產(chǎn)品的質(zhì)量和性能[4-5]。

但高校沒有根據(jù)本校特色和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展合理設(shè)置材料學(xué)研究方向的課程，其結(jié)果是同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，跟本專業(yè)研究的聯(lián)系不緊密，體驗(yàn)感不強(qiáng)。不僅師資力量跟不上去，而且培養(yǎng)的學(xué)生基礎(chǔ)不牢，特色不鮮明，學(xué)生學(xué)習(xí)該專業(yè)面臨諸多困惑，就業(yè)質(zhì)量不高，極大地影響了該專業(yè)未來的發(fā)展。目前省內(nèi)高校中武漢工程大學(xué)研究生材料專業(yè)特色比較鮮明，在長期辦學(xué)中，以石油化工產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向，將專業(yè)嵌入產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，編寫了相關(guān)石油類材料流變學(xué)教材，培養(yǎng)的學(xué)生基礎(chǔ)好，就業(yè)質(zhì)量高。

1.2 教學(xué)內(nèi)容缺乏實(shí)用性

材料流變學(xué)的概念和理論比較抽象和復(fù)雜，且應(yīng)用范圍廣泛，涉及材料設(shè)計(jì)、加工和工程應(yīng)用等方面。本學(xué)科的流變學(xué)課程教學(xué)大綱依據(jù)《高分子材料流變學(xué)》教材的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，主要涉及聚合物流變學(xué)的理論基礎(chǔ)，聚合物流體的流變行為分析，以及流變學(xué)在聚合物加工中的應(yīng)用。學(xué)生通過流變學(xué)課程的學(xué)習(xí)，掌握如何通過數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜的流體行為，深入研究流體的分子結(jié)構(gòu)與宏觀流變性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，并了解不同結(jié)構(gòu)對流體特性的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證和修正，加深學(xué)生對流體內(nèi)在結(jié)構(gòu)與流變行為之間微妙關(guān)系的認(rèn)識，從而更好地理解流體的復(fù)雜性質(zhì)。因此，流變學(xué)課程知識面寬，內(nèi)容量大，在學(xué)習(xí)過程中對學(xué)生高等數(shù)學(xué)的掌握要求高，但并不涉及聚合物成纖的相關(guān)實(shí)例。而紡織類高校學(xué)科偏向于工程應(yīng)用，學(xué)生在實(shí)際工作中會遇到紡織纖維材料加工等工程問題，如果教學(xué)內(nèi)容缺乏與纖維成型等實(shí)際工程應(yīng)用的連接，學(xué)生可能難以將所學(xué)的知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題。

1.3 教學(xué)方式單一

目前，“材料流變學(xué)”課程教學(xué)以教師講解為主，公式較多，學(xué)生反映較難理解，對相關(guān)流變測試設(shè)備及相關(guān)測試技術(shù)僅僅通過圖片或者文字介紹，這大大影響了相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)效果。然而，流變學(xué)是一門典型的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，缺乏流變學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不利于學(xué)生實(shí)踐能力和問題解決能力的培養(yǎng)。因此，在教學(xué)過程中不僅要加強(qiáng)理論教學(xué)，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)該同樣重視。而老師如何借助各種教學(xué)工具和教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，使材料流變學(xué)課程變得通俗易懂是當(dāng)前的主要問題。

2 材料流變學(xué)的教學(xué)改革

2.1 凸顯紡織院?！安牧狭髯儗W(xué)”教學(xué)特色

材料流變學(xué)在紡織領(lǐng)域中扮演著重要的角色?；w作為一種重要的纖維材料，其在制造、加工和應(yīng)用過程中的流變行為對產(chǎn)品的性能和品質(zhì)有著直接影響。材料流變學(xué)的研究和應(yīng)用可以幫助學(xué)生理解化纖材料的變形特性、流動行為以及與溫度、應(yīng)力等條件的關(guān)系，從而優(yōu)化化纖制造和加工過程，改善產(chǎn)品性能。

教師可在教學(xué)中引入與化纖材料相關(guān)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(xué)的實(shí)驗(yàn)機(jī)會。通過分析和討論這些案例，學(xué)生可以了解不同化纖材料的流變行為和特點(diǎn)，理解其與紡織、塑料、橡膠等領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)系。通過播放化纖成型視頻，并配合演示加工過程，學(xué)生可以觀察聚合物在成型過程中所發(fā)生的各種行為，加深對材料流變學(xué)原理的理解。通過以上教學(xué)方法，教師可以將材料流變學(xué)的纖維特色融入教學(xué)過程中，學(xué)生能夠更好地理解和應(yīng)用纖維材料的流變行為，掌握與纖維領(lǐng)域相關(guān)的實(shí)用知識和技能。

2.2 優(yōu)化材料流變學(xué)教學(xué)內(nèi)容，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本專業(yè)流變學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)相對較少，僅在高分子物理實(shí)驗(yàn)課程中開展了兩個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即聚合物熔融指數(shù)測定和烏氏黏度計(jì)測定聚合物稀溶液黏度。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于幫助學(xué)生提高對流變學(xué)知識的認(rèn)識尤為重要，然而，開展傳統(tǒng)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨兩大主要困難：其一，課時(shí)較少；其二，設(shè)備昂貴且臺套數(shù)量有限?；诖耍覀兝脤W(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)設(shè)備，開設(shè)了專題實(shí)驗(yàn)課程，采用大型高級流變學(xué)儀器（包括哈克旋轉(zhuǎn)流變儀、熔融指數(shù)儀、毛細(xì)管流變儀以及共混流變儀等）進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由任課教師講解原理，演示操作，學(xué)生根據(jù)教師所提出的要求觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過課堂講授與課后實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，大大提高了本科生利用流變學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。

2.3 豐富材料流變學(xué)教學(xué)方法

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

①加強(qiáng)基于問題的教學(xué)。強(qiáng)調(diào)教師與學(xué)生互動，鼓勵(lì)學(xué)生參與教學(xué)過程。教師將知識點(diǎn)設(shè)置在問題情境中來引起學(xué)生的興趣，學(xué)生在問題探究過程中需要深入思考問題的本質(zhì)和背后的原理，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和批判性思維能力。在教學(xué)中，學(xué)生和教師共同合作解決實(shí)際問題，通過實(shí)踐性學(xué)習(xí)來加深對知識的理解和應(yīng)用。例如，教師在講解高分子材料的黏彈性行為時(shí)，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(shí)，為什么會出現(xiàn)“擠出脹大”現(xiàn)象？出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是什么？在整個(gè)教學(xué)過程中，教師始終圍繞這個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生積極思考，使學(xué)生成為教學(xué)活動的參與者。同時(shí)，為了進(jìn)一步將這一原理和實(shí)際工程問題聯(lián)系起來，繼續(xù)提出問題：“擠出脹大”現(xiàn)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(xué)方式吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生作為教學(xué)主體，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考，提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果。

②加強(qiáng)基于案例的教學(xué)。重視案例教學(xué)法，教師將理論知識融入案例教學(xué)情境，通過介紹具體案例來引起學(xué)生的興趣和好奇心，學(xué)生在案例教學(xué)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(xué)生通過剖析案例中的具體知識，將理論與實(shí)際情況緊密關(guān)聯(lián)，更好地理解知識的應(yīng)用和實(shí)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(guān)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(jīng)歷拉伸、擠出等復(fù)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(dǎo)致纖維無法形成或質(zhì)量不佳。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)討論獲取到這一案例背后的流變學(xué)知識。進(jìn)一步的，通過描述尼龍6在不同溫度、剪切速率和應(yīng)力條件下的流變特性，了解尼龍6 的流變行為和變形機(jī)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(diào)節(jié)尼龍6 的黏度和流動性，以實(shí)現(xiàn)更好的加工性能和產(chǎn)品質(zhì)量。基于案例的教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)際情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和應(yīng)用，讓學(xué)生更深入地理解和掌握所學(xué)知識，并能夠?qū)⒗碚撝R轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。

③理論結(jié)合實(shí)踐。將枯燥晦澀的高分子流變學(xué)理論知識與實(shí)際應(yīng)用背景結(jié)合，可以讓學(xué)生通過具體研究體系來學(xué)習(xí)與探索。舉例來說，教師在講解賓漢流體這一概念時(shí)，除了我們?nèi)粘？梢姷呐Ｄ?、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(fā)，比如航天潤滑劑、印刷油墨等例子，通過這些具體的實(shí)例，讓學(xué)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(shí)例相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)習(xí)的專注度和主動性，使學(xué)生在實(shí)際案例中理解和應(yīng)用所學(xué)的理論知識，比如，在講解材料的黏彈性時(shí)，以防彈衣作為具體實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生了解防彈衣防彈背后的流變學(xué)原理，既突出了紡織學(xué)科的紡織特色，又能讓學(xué)生了解流變學(xué)知識的應(yīng)用研究。通過這樣的教學(xué)方式，鞏固了學(xué)生的基礎(chǔ)知識，使他們能夠更好地將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，而且有助于提升學(xué)生多維度思考和分析問題的能力，使他們在未來的工程實(shí)踐中能夠更好地應(yīng)用所學(xué)的知識。

2.4 豐富考核方式

作業(yè)與考核都是檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段，通過作業(yè)和考核結(jié)果的反饋可以讓教師有效把控課堂教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)調(diào)整授課方式，以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和培養(yǎng)其綜合能力。作業(yè)的形式包括課堂作業(yè)和開放性課題報(bào)告。采用多元化評價(jià)方式來進(jìn)行考核，作業(yè)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(diào)整有利于發(fā)揮學(xué)生的自主性，更全面地考核他們的學(xué)習(xí)成果和綜合能力。這樣的教學(xué)方法和評價(jià)方式將促進(jìn)學(xué)生更積極地參與學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)生的綜合素質(zhì)，使課程更加有效地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和發(fā)展目標(biāo)。

3 結(jié)論

由于材料流變學(xué)學(xué)科的交叉性質(zhì)，為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，教師需要不斷地探索和改進(jìn)教學(xué)方法，根據(jù)在實(shí)際教學(xué)中所積累的經(jīng)驗(yàn)，對課程教學(xué)體系進(jìn)行優(yōu)化和完善，以減少學(xué)生對課程的畏懼情緒。我們的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握材料流變學(xué)的理論和實(shí)踐過程，使他們能夠熟練運(yùn)用流變學(xué)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(xué)的理解。我們相信，通過不斷優(yōu)化教學(xué)方法和教學(xué)體系，學(xué)生將更加樂于學(xué)習(xí)和應(yīng)用材料流變學(xué)的知識，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)并提升整體教學(xué)質(zhì)量。