基于SC-CDIO理念材料专业综合实验改革

张小博

(燕京理工学院，河北 三河 065201)

材料学科是实践性很强的一门学科，专业实验是高分子材料与工程专业教学体系中的重要环节，然而长期以来，教学环节中对实验教学的重视程度与对理论教学的重视程度并不相称。一般认为，实验教学是理论教学的辅助教学部分，在应用型人才培养趋势下，传统的实验教学模式已不能满足综合素质人才的培养要求[1-2]。因此，专业综合实验教学必须转变理念，重新认识实验教学在人才培养中的重要地位，在夯实专业综合实验基本技能的基础上,加强综合性、设计性实验，实施自主式开放式专业实验教学模式，强调培养学生的创新和创造性思维的能力。

CDIO工程教育模式是以构思、设计、实施和运作全过程作为载体达到培养学生的工程能力的目标，其理念包含了学生的工程系统构思、终身学习和团队合作等方面的能力，是工程专业进行评估的重要依据之一[3-4]。将CDIO工程理念融入材料专业综合实验，形成基于SC-CDIO工程能力的课程新体系，并在实践教学中，以项目驱动的方式优化实验课程内容，使人才培养质量不断提高，满足地方经济和社会发展的需要。

1 构建专业实验教学体系的基本思路

以专业教育教学思想和观念为基础，遵循教育教学规律，适应社会发展趋势，坚持以学生为中心的教育理念和以培养学生能力为核心的教学观念，促进学生自主全面发展，培养学生学会思考、学会学习、学会创新，构建一体化、两模块、三层次的专业综合实验教学体系。

(1)“一体化”综合实验教学体系的构建，即是要打破实验课程依附各理论课程(如高分子化学、高分子物理和高分子加工成型)的现状，将实验操作技能和各理论课程中的核心知识点相融合，以材料组成、制备工艺、加工和性能为实施主线，加强课程间的联系，科学规划课程实验体系，有效体现综合实验的先进性、综合性、开放性和创新性的特点。

(2)通过设置不同模块，旨在培养学生的实际操作技能和理论联系实际的能力，以及学生实践和创新的能力，促使学生从理论课程向工程实际综合的转化，从知识积累向综合能力的转化。材料专业综合实验依据实验内容和能力培养分成两个模块，分别为：

1)材料设计合成与加工模块。材料设计合成与加工实验模块主要是涉及到材料的结构设计和制备工艺以及生产加工方式的选择等实验内容，目的是让学生掌握材料结构微观与宏观间的关系，以及材料的合成、加工等方面的实验操作能力。

2)材料性能测试和数据分析模块。材料性能测试和数据分析实验模块主要是涉及到材料结构的观察分析和各种性能的测试，以及测试结果数据的分析等方面的实验内容，目的是培养学生在材料的微观结构分析表征，力学性能、工艺性能等检测方面的实验能力和对实验结果数据分析判断等方面的实验能力。

(3)依据综合实验教学目标设置不同层次的实验课程教学体系，构建“基础-综合-创新”三层次实践教学体系。其中，基础性实验占20%，综合性和设计性实验占40%，开放性和创新性实验占40%。各层次之间统筹协调设置相应的实验项目，形成实验内容与理论教学相辅相成且系统而完整的实验教学体系。

1)基础层。基础实验项目主要目的是夯实理论知识基础和实验操作技能，加深学生对相关定律、定理和基本概念理论的理解和学习，并掌握材料制备和测试的基本实验操作方法。基础实验项目要紧跟现代材料科学的发展前沿，实验项目和内容应不断更新发展以保持实验教学的先进性。

2)综合层。综合性和设计性实验项目主要目的是提高学生独立研究的能力，同时深化和拓展理论教学的知识内容，综合性实验项目的设置通过学生查阅资料设计实验方案、选择实验设备和材料完成实验，综合性和设计性实验项目是在基础实验的基础上培养学生的综合分析能力，使学生综合能力得到提高[5]。

3)创新层。开放性和创新性实验项目注重兴趣驱动、自主实验，重在过程，对学生主体精神，研究、创新意识和团队合作等进行全方位培养。实验项目选题中应引导学生充分发挥自身的学习兴趣和主动性，培养学生运用材料专业理论、知识、技能，进行设计、实践和解决某一实际问题的综合能力，使学生具备良好的综合实践和创新能力。

2 设置“一体化”实验教学内容

2.1 传统实验教学模式的缺陷

传统专业实验教学以验证性实验为主，归纳起来，目前主要有三种：1)材料合成改性，2)材料性能测试，3)材料加工成型；内容和形式上都主要是附属于相应理论课程，各课程内容之间缺乏相关性，表现为各自为战，未能形成一个有机整体，无法体现专业实验课程自身系统性的特点。实验教学内容中以认知性、验证性实验为主，综合性、设计性、自主性和开放创新性实验比例较小，教学过程中学生只需按步操作，缺乏主动、独立地去思考问题、分析问题、解决问题的过程，这不利于培养学生的工程理念，个性化思维和创新能力[6]。

2.2 基于SC-CDIO模式实验内容的改革

基于SC-CDIO大纲能力要求，围绕完善学生知识体系、提高学生综合素质为目标对综合实验内容进行改革，构建成较为完整、有利于培养学生实践能力与创新能力的多层次递进的实践教学新体系，培养提高学生的实践能力和创新意识。在基础实验阶段，设置了醋酸乙烯酯的制备、聚甲基丙烯酸及其酯的制备、聚苯乙烯的制备等，让学生对同一单体利用不同合成方法制备不同性能的材料并加工成型。如聚甲基丙烯酸及其酯的制备实验中，学生可以选择本体聚合、乳液聚合等方式制备有机玻璃、涂料和吸水性材料等，加工中采用压模固化、注塑成型和发泡成型等制备产品。通过一体化的从制备和加工的学习，学生能对如塑料和橡胶等材料的合成有较深刻的了解和体会，更有效了解成型模具和设备的结构和加工方式方法。在完成制备和加工模块后，设置了材料测试模块，在材料的性能测试中涉及力学性能测试(拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度等)、耐热性能测试(热变形温度、维卡软化点等)、电性能测试(电阻率、介电损耗等)、老化性能和流变性能等。学生通过对制备的样品试样进行相应性能的检测，了解各种材料测试的方法和原理。在综合实验阶段，设置了如聚氨酯材料、环氧树脂材料等涉及热塑性和热固性树脂的不同实验，学生通过选择不同改性剂提高其相关性能，并通过不同加工成型方式加工成型。此类实验使学生能够深入理解高分子材料结构及组成、常用助剂的作用原理和选用原则，成型工艺对材料性能的影响，不仅巩固了基础理论和基本实验技能，还培养了学生综合分析问题能力。在创新性实验中，由学生进行自选课题方向，通过查阅资料提出研究方向和创新点，并提出可行性的实验方案，目前已形成可降解材料、弹性密封材料、相变材料等十几个研究项目。其中，部分研究项目参加了”中国大学生高分子材料创新创业大赛”、“中国大学挑战杯”等比赛，取得了优异成绩。创新性实验的合理选题和成功实施能大大提高学生参与实验活动的积极性、主动性和创新性，并借此平台使学生了解当前材料科学的研究趋势和前沿，开拓学生的视野。

3 建立阶段性实施和过程性评价体系

3.1 阶段性实施过程

在综合实验项目实施过程中，采取分组合作方式进行，每组成员在3～5人左右，分组采用自愿、随机指定和男女生混合编组的方式，这种分组方式目的是提高学生间相互合作的能力，避免好学生乐于要，差学生没人要和一人做，其余人看的现象。项目实施过程中，主要分成以下几个阶段进行：

1)项目前期调研和分析阶段：该阶段要求学生通过收集和阅读相关文献，进行小组讨论，最终确定选题方向，明确项目要求和指标，并对项目进行合理分工和安排。本阶段完成后，每个小组需提交项目可行性报告。

2)项目整体设计阶段：该阶段要求每个小组根据文献资料和设计指标要求设计出实验项目的实施步骤、正交或单因素实验表，在本阶段需和教师进行研讨项目设计过程的合理性。本阶段完成后，每个小组需要提交项目整体实施报告。

3)项目实施阶段：该阶段要求每个小组按照设计阶段的设计步骤进行具体实验过程，在实验过程中要定期与指导教师进行交流，对实验过程中出现的各种问题进行讨论，不断调整和优化实验体系，同时通过交流也方便教师随时掌握各个小组的进展情况。本阶段完成后，每个小组需要提交项目研究报告。

4)项目验收和交流阶段：该阶段要求每个小组依次与指导教师交流进行项目验收，验收的依据主要是最终产品与设计指标的相符性，创新性和组内成员的合作等方面，最后，开展不同小组的交流汇报，使学生通过相互间的学习和借鉴，进一步找出各自的不足并加以提高。

3.2 过程性评价体系

综合实验课程开设形式多样，不同层次的实验，不能一概而论，如何对给每个学生进行客观公正的评价，需要建立强调知识目标、技能目标、素质目标的过程性考核体系。基础性实验主要考核的是学生的基本理论和实验操作能力，可采用操作能力和实验报告的方式进行考核；综合性实验主要考核对理论和实验技能综合应用的能力，可采用对设计方案的合理性，实验操作的规范性和结果分析可靠性等进行综合评价；创新性实验重点考察学生从事科研创新的能力，主要考核文献查阅、方案设计、材料制备、性能测试和数据处理等5个方面的综合能力，可通过学生撰写科技论文和答辩的方式进行考核。学生的最终实验成绩依据三层次项目的权重计算得到总分即为学生的最终综合实验成绩。

4 结论

材料专业的综合实验课程作为学生实践环节中的重要一环，最终的目的是要培养学生具有扎实的实验操作技能，理论与实践结合的能力和创新性思维意识等方面的全面发展。目前，燕京理工学院在材料专业综合实验教学中采用SC-CDIO模式，切实增强了学生工程实践能力，提高了学生解决实际问题能力和团结合作的能力，养成了良好的工程素质，取得了一定的教学效果。这必将对深化应用型人才教育教学改革发挥重要作用。