专业学位研究生纺织学科前沿专题课程案例库建设探索与教学实践

2023-01-04王艳芝王芳芳

河南化工 2022年9期

王艳芝，郭正，王芳芳

(中原工学院纺织学院，河南郑州 450007)

专业学位研究生教育是为适应我国现代经济社会发展需要而建立的培养高层次应用型专门人才的重要途径。而专业学位研究生专业课教学应加强广度和深度，更注重科学性和实践性，以提高学生的主观能动性，培养其分析问题、解决问题的能力。案例教学法是在学生已掌握相关基础知识的前提上，在教学活动中运用典型案例，通过学生的自主学习、独立思考及交互讨论，达到教学目标。自20世纪80年代以来，案例教学法得到了广大教师的认可和广泛应用，并从本科教学逐渐延伸到研究生教学。

21世纪以来，随着科技进步和社会生产力的极大提高，材料发展的进程正在加速推进，创新性已经成为新材料发展的灵魂。经过几年的教学实践，项目先后入选学校和河南省研究生教育改革与质量提升工程项目。以此为契机，以“创新能力培养”为导向，结合纺织工程最新典型生产实际和前沿趋势，深度挖掘了重大基础理论、科学问题及工程技术，系统梳理完善案例，并编制成开放性的课程教学案例资源库，使之在教学中可以不断得到丰富补充，从而真正发挥提升研究生教育教学质量和学生综合素质的作用。课程案例库建设和教学实践的全面开展，取得了较好效果。总之，在专业学位硕士研究生课程教学中推广案例教学，建立并不断丰富教学案例库，不仅对教师的教学理念、管理能力和工程思维提出了新的挑战，有力促进教师教学水平的提高，还可以调动学生学习的主观能动性，锻炼学生的分析、表达、团队合作等能力。

1 案例库建设及案例教学的探索与实践

笔者所在课程组主要从以下3个方面对该课程的案例库建设及案例教学进行了实践探索。

1.1 教学案例的筛选

在案例教学过程中，教学案例的筛选至关重要。教学案例应具有真实性、典型性、创新性、系统性和前沿性等特点。因此，在筛选“纺织科技进展”课程教学案例时，遵循以下几个原则：①真实性原则。教学案例全部取材于纺织行业新的先进材料，且多为教师亲自参与研发或非常熟悉的品种。通过图文并茂细致地阐述每一种纺织材料的发生背景、相关理论、结构与性能，应用领域、存在问题和改进方向，针对性培养学生分析解决实际问题的能力。②典型性原则。进入21世纪，新型纺织材料的开发应用进入了一个前所未有的快速发展时期。一系列具有超高强度和超高模量的高性能纤维和具有阻燃、抗菌等高功能的新型纤维不断涌现。我国纺织材料领域先进基础材料的占比、性能指标和国际竞争力也在稳步提升。选择武器装备研发生产不可或缺的国家战略纤维材料和对推动我国材料产业高质量发展、提升产业链整体水平具有积极意义的新型纤维作为典型教学案例代表。③前沿性原则。教学案例根据国内外纺织材料发展情况与时俱进，通过不断更新，确保更具前沿性。④系统性和创新性原则。教学案例能够对蕴含的理论知识和创新点进行挖掘，确保理论联系实践。例如，在讲授“黑色黄金——碳纤维”部分时，教师选择曾参与研发并一直关注的中复神鹰碳纤维有限责任公司牵头完成的荣获国家科技进步一等奖项目“干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用”作为教学案例，通过阐述该项目的干喷湿纺技术方案和实施过程，使学生了解这一产业化关键技术的突破具有重大意义，不但使我国终于实现国产碳纤维的批量供应，而且从根本上打破了国外高性能碳纤维企业在中国市场的长期垄断。

1.2 教学案例库的建设

教学案例库的建设不仅有助于学生对课程教学内容的理解，还有助于提高学生的专业学习兴趣。为此，“纺织材料进展”课程的教学案例库建设根据课程的主要内容，在近几年来国内外纺织领域50多个重大突破和技术前沿中进行了筛选，从生物质纤维制造开发、功能纺织品的产业化、超细纤维宏量化、高性能纤维国产化等几个方面设计了“21世纪绿色纤维——莱赛尔纤维”“人类健康守护神——抗菌纺织品”“静电纺丝与纳米纤维”“黑色黄金碳纤维和干喷湿纺工艺”“武器装备新宠——液晶纤维”“超高分子量聚乙烯纤维和凝胶纺丝”“生物基可降解聚乳酸纤维”等10个教学案例。每个案例基本包括：教学目的、案例背景和意义、案例主题内容(含与案例相关的图表、附录、动画、视频文件等)、案例理论分析要点和/或重要结论及关键知识点、启发思考题、案例教学组织方式。此外，任课教师还要利用多种渠道不断扩充完善教学案例资源，优选最典型、最有创新性的纺织材料类教学案例，从而最大限度地和实际发展同步，有效支撑课程案例教学。让纺织专业的学生深刻认识新材料在纺织行业中的应用价值，掌握纺织材料的改性、开发和利用等内容，培养从源头创新纺织材料，从而能在未来的工作中运用纺织材料相关知识解决纺织行业面临的资源、环保、节能、可持续等问题，引领纺织行业的深入创新。

1.3 教学案例的有效利用

1.3.1根据课程教学目标设计问题情境

以“静电纺丝与纳米纤维”案例为例，课程教学目标是让学生学习提高静电纺丝产量的最新进展、关键方法与核心技术，分析思考有序化纳米纤维的收集技术及其理论，探讨产品均一性解决方案和静电纺丝应用瓶颈的突破。为此，课程组设计了4个子案例，分别是针对纳米纤维宏量化制备的“多针头多射流静电纺丝”和“无针头多射流静电纺丝”，针对有序化纳米纤维收集技术的“具电学、光学和力学性能的取向纳米纤维制备”，针对高功能性过滤材料开发的“空气过滤材料用功能纤维设计”。编写的这些教学案例不但注重与理论知识相结合，还特别突出了案例实际应用遇到的问题，并相互关联。例如，编写的“多针头多射流静电纺丝”案例，除了介绍原理、结构、特点之外，还引导学生思考技术本身存在的减小多针头之间电场的相互干扰会导致装置体积过大这个矛盾和问题，以及如何解决堵塞现象等。经过思考讨论，学生认识到，多喷头静电纺装置虽然能有效提高纺丝效率，但针头的清洁工作依然是其进一步发展的最大障碍，而且针头间必要的空隙导致装置占地面积的增大，与工业化生产的需求产生矛盾。自然，人们逐渐由多针头向无针头静电纺丝技术转移。继而引出“无针头多射流静电纺丝”案例，以格林施公司的纳米蜘蛛这一现今唯一可行的商用技术为例，指出利用滚筒转动的离心力供液取代传统静电纺针头，从而大幅提高纺丝效率的可行性。但也指出目前所有的无针头静电纺技术由于所形成的液滴及泰勒锥的大小而随机性较大，让学生认真思考如何更好地生产较窄纤维直径分布且均匀性高的纳米纤维层。“空气过滤材料用功能纤维设计”案例中，分别工业过滤和新冠防护口罩应用为例，阐述高效过滤技术要求提高过滤介质的比表面积和缩小介质材料的孔径尺寸的重要性，还指导学生深入分析思考通过采用不同直径及不同堆积厚度的纳米纤维组合来获得一定过滤效率、利用纳米纤维结构设计优化功能过滤行为的技术方案。以车载过滤材料为案例学习了具有阻燃抗菌功能的车载过滤非织造材料的复合技术方案。

1.3.2与“翻转课堂”相结合，提升案例教学效果

以“纺织科技进展”课程为例，为了拓展学生视野，锻炼学生主动学习，培养学生解决实际问题的能力，强化以学生为中心的活动设计，选择能够“织”出汽车和飞机同属高性能纤维的三种纤维作为教学案例对象，分别是黑色黄金——碳纤维、武器装备“新宠”——液晶纤维和世界上最坚韧的纤维——超高分子量聚乙烯纤维，采用“翻转课堂”的形式，由教师和学生共同编写案例。让学生自己选择感兴趣的案例，分组去查阅资料，充分交流研究相互补充，写出较为详实的专题报告，对案例进行深入分析并提出自己的问题。课堂上小组挑选代表发言，其余组员做补充发言，其他组的学生质疑提问。案例教学的最后还对案例进行总结和反思，要求学生分组撰写案例学习总结，总结在案例学习、分析、讨论中取得的收获、已解决和待解决的问题，提出反思认识和合理建议，在此基础上，教师做全面总结并补充完善案例内容。对案例的总结和反思不仅可以加深学生对案例的理解，而且对培养学生分析问题、解决实践问题的能力也具有重要意义。这种方式使学生由被动学习变为主动学习，不但使学生很好掌握了这三类高性能纤维在制造原理、结构性能特点和典型应用的差异，而且帮助学生在比较、鉴别中提高认识，在收集过程中拓宽视野，调动了学生的学习积极性和主动性。教师也从教学活动的组织者和引导者转变为参与者，积极参与课堂讨论，不但保证教学有序进行，而且顺利实现双向互动。案例教学与“翻转课堂”的结合，使研究生在查阅资料、分析讨论、总结汇报的全过程中得到锻炼，利于培养实践探索和团队协作精神及语言表达能力，强化责任心和使命感，激发学生的学习动力和激情；集思广益，博采众长，使案例多视角，内容更丰满。

1.3.3组织学生参加行业专家开设的专题讲座，丰富案例教学的工程实践内涵

工科研究生教育必须主动适应社会发展对高层次应用型人才的需求，立足研究生创新能力培养，必须建立研究生教育协同创新培养模式。利用高校学术交流广泛的现实条件，在工程类专业学位硕士研究生培养过程中，组织学生参加知名高校和研究单位行业专家的线上线下专题报告，是案例教学的另一种切实可行的形式。这不仅有利于丰富案例教学的工程实践内涵，而且有利于引导学生关注行业热点问题和前沿动态，激发学生的专业热情和创新潜能。例如，在“纺织科技进展”课程教学过程中，先后组织学生参加了武汉纺织大学王栋教授作的“纤维材料在生物传感领域的研究及其应用”学术讲座、美国田纳西大学郭占虎副教授作的“功能纳米复合材料制备及其在电子方面的应用”专题讲座和中国科学院上海高等研究院林金友博士作的“纤维素纳米纤维多级结构可控构筑及应用研究”学术报告。专家们精彩分享各自研究领域所取得的最新成果和研究进展，深入解读行业前沿动态，极大地丰富了学生的专业知识和视野。此外，参加专题讲座也使任课教师获得更多的启发和案例蓝本，促进教师持续优化课程教学内容，不断丰富教学案例库，使理论教学更接近实际，从而有效契合专业学位研究生的培养目标、专业技能与用人单位的技术要求。

2 案例库建设及教学效果

教学案例库建设是课程实施案例教学的前提和支撑，而优质教学案例的筛选和积累是一个不断改进完善的过程。纺织科技进展专业学位硕士研究生课程开课4年来，在教学案例库建设中始终坚持“加强理论与实际相结合”，教学案例覆盖了纺织材料的结构、性能、应用拓展、改性方案、工艺设计、环境友好等多个方面，并注重从国家发展、企业利益、学术价值、技术专长等多角度进行综合，目前已初步建成一套能够反映最新科技前沿且可以不断完善更新的课程教学案例库。学生普遍认为该课程能有效地整合所学专业科技前沿，内容丰富生动，具有很强的针对性和实用性，学习很有收获。建设教学案例库，将案例教学融入课程教学，培养学生解决复杂工程问题的能力，是高校工程类硕士研究生培养的必然要求。教学案例库的建设内容、教学案例与课程教学的融合方式都是需要精心设计、不断完善的。随着案例库建设融入课程教学的不断推进，工程类研究生的工程实践能力和整体培养质量有了明显提升，能够与实际要求紧密结合，提高了实操技能，从而为将来从事科研和工程设计、运行、管理等工作奠定了扎实的基础。