创新能力融入材料综合实验课程之改革探索

吴 珊,龙绍檑

(1.贵州师范学院化学与材料学院,贵州 贵阳 550018;2.贵州理工学院材料与能源工程学院,贵州 贵阳 550003)

引言

党的二十大报告中习近平总书记强调,必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。当前,国家推动创新驱动发展,以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展,对新工程科技人才提出了更高要求[1]。相应的,根据专业认证的要求改革高校工程专业的教学模式显得至关重要,即要改变以往强调“以教为中心”的教学模式,更强调“以学为中心”,并且坚持“以学生为中心、以成果为导向和持续改进”的基本原则[2-3]。这就要求高等教育应突出以学生中心、以产出为导向并持续改进的教育理念[4]。这种学生自我学习的产出而非以教科书或教师经验推动的教育系统运作[5],被认为是化工类专业教育范式的革新[6-8]。

材料综合实验作为能有效培养学生创新能力、创新意识的课程,主要是因为它能够构建一种模块化、多维度的符合教学体系[9],无论是基础性实验还是综合性实验,都能够帮助学生在实验中掌握更多的材料科学前沿和拔高眼界,使学生对材料相关实验的学习兴趣和自主探索精神得到提高[10]。基于学生创新能力培养的迫切要求,在一定程度上让实验教学成为培养学生实验技能及创新能力的重要途径,真正实现“教与学”双向奔赴,达到提高学生综合素质和科研创新能力的目标[11-15]。

基于上述原因,该研究以材料综合实验课程中“气动注塑成型聚乙烯复合材料”实验项目为例,从课程的内容选择、教学方式、评价机制三个角度探索和践行“创新能力”融入材料综合实验课程的改革路径,更大程度地启发学生参与、设计、创作实验,摒弃对实验一成不变的重现,以期帮助他们更好地发现问题、解决问题,最终实现综合实验教学与创新培养的有机结合。

一、材料综合实验课程教学现状及存在的问题

以贵州师范学院为例,材料综合实验作为我院材料科学与工程专业的专业基础课程,开设在大学三年级上学期,前导课程开设了无机及分析化学、有机化学、物理化学、机械制图、材料科学与基础、非金属材料基础、高分子物理、高分子化学、材料分析方法与测试技术、金属材料与热处理等,后续课程为新型功能高分子材料、材料加工工艺与设备、毕业实习及毕业论文。

本课程的目标旨在帮助学生验证、巩固和加深非金属材料基础、金属材料与热处理、高分子物理、高分子化学、材料加工工艺课程中所学的基础理论知识;培养学生实验操作能力,养成严肃认真、实事求是的科学态度和严谨的工作作风,以及使用手册、工具书、网络查阅相关文献和资料的能力;确立观察现象的正确方法,初步培养分析判断、逻辑推理能力;掌握独立观察、实验记录、数据处理、撰写规范实验报告的能力。

本课程的实验项目选择主要取决于前导课程以及与教师科研相关的内容。实验内容的完整性较好,只要按照操作步骤进行,就可以得到既定的实验结果,实验过程相对较刻板,趣味性较弱。同时,由于实验内容的科学属性较强,学生想从完整的实验项目中提出自己见解的难度较大,难以启发其创新能力。

就本课程的考核评价形式而言,期末考试是通过每个实验出一道思考题,同学可以通过查阅文献资料获得答案;课堂纪律主要考查学生是否能够按时出勤;实验操作主要是考查学生的实际动手能力,大多是重现教师的操作;实验报告主要考查学生对预习报告和实验报告的撰写能力和思考能力。这种传统的考核评价体系可以在一定程度上反映学生查阅文献、思考问题以及动手操作能力,但是却不能反映学生的创新能力。

因此,在材料综合实验教学过程中,提高学生的参与感,降低实验重现的枯燥感,激发他们的设计意识是必要的。这亟需教师将创新能力的培养以润物细无声的形式融入到日常的实验教学过程中,同时配套恰当的评价机制。

二、以“气动注塑成型聚乙烯复合材料”为例的教学改革路径

(一)强化实验内容的可塑性

综合实验教学是理论应用于实践最好的体现。强化实验内容知识性和趣味性的兼容,一方面可以巩固和检验材料专业相关理论教学的学习成果,培养学生的基本实验操作技能和技巧;另一方面在学习过程中可以更好地激发学生的兴趣,启发学生的创新能力。

综合实验的内容知识性要求实验内容完整、科学性鲜明、逻辑感强,能更好地将前导课程理论的学习与科学研究紧密联系起来;而实验内容趣味性的体现要求教师根据各个实验项目的特点,将完整的实验内容里面的某个环节(比如实验结果)改为可设计的实验结果。由于每个学生对创意设计的理解不同,就会产生不同的实验结果。按照自己的想象和设计能够很好地提高学生在实验学习过程中的参与感,降低对实验机械式的重现,可以很大程度上激发他们的设计意识。通过这些操作能提高实验的趣味,调动学生的积极性和能动性,既完成了实验教学的既定目标,也融入了对创新能力的培养。

以“气动注塑成型聚乙烯复合材料”为例,我们将原本既定式实验结果(制件为小型风扇叶片如图1所示)改为创意作品(题材不限、创新为主)。图2中a、b是2018级的学生利用熔融物料的堆垛构造的简单立体图形花篮和蜗牛;图2中c、d是2019级学生构造的立体图形和平面图形并上色;图2中e、f是2020级学生拼搭的复杂图形房屋和老爷车。从简单的平面搭建、颜色设计到复杂大胆的图形和创意搭建,不仅能够反映出各年级学生的学情,也能通过实验结果多样化的设计及构建体现不同学生的设计理念。

图1 小型风扇叶片注塑模具注:a.成品,b.模具。

图2 学生作品

(二)“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式的运用

创新能力的培养就是引导学生自主探索科学问题的过程,让学生形成善于发现、分析和解决问题的科学思想。相比传统的“以教为中心”的教学模式,强调“以学为中心”的教学模式更能够提高学生在实验教学中的参与程度,让他们对创新产生共鸣。因此,我们提出“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式,试图启发学生自主探索、分析问题、解决问题,在一定程度上激发他们的创新能力,真正完成“探索+求新”的融合。该混合式实验教学模式主要是遵循教师预设问题、学生发现问题、学生解决问题的思路,具体实施如下:首先教师根据实验内容的特点,将实验过程中可能出现的问题预先融入实验内容(预设问题),然后学生在实验操作过程中逐步发现它们(发现问题),最后学生利用学到的原理去逐一分析解决问题(解决问题),以获得满意的实验结果。

以“气动注塑成型聚乙烯复合材料”为例,为了获得创意制品,需要学生根据材料的加工工艺原理设置和调整注塑成型的工艺参数(如温度、喂料速度、牵引速度)。如何设置合理的工艺参数就是教师预设的问题,也是“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式的第一步。接下来就进入“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式的第二步——发现问题。就本实验而言,学生会遇到以下三类问题:第一是物料温度过高或过低,会导致物料过稀,不易成型或物料过稠,不易流动;第二是牵引过快或过慢,会导致物料粗细不均匀;第三是喂料过快或过慢,会导致物料堵塞、塑化不彻底或引入空气使制品易断。最后进入“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式的第三步——解决问题。学生想要获得较好的创意作品(如图2中a、b),需要学生在实验中对温度、喂料以及牵引速度有较好的控制,否则温度过高,不易成型;喂料过慢,容易引入空气,物料易断不易牵引;牵引过快或过慢,不易牵引出粗细均匀的物料,搭建出来的作品视觉效果不好。学生要想完成简单和立体图形的拼接和上色(如图2中c、d),在实验操作过程中也需要很熟练地控制温度、牵引速度和喂料三者的关系,才能获得表面无缺陷的制品,上色时才能均匀附着,才能体现出学生的创意。学生想要搭建更复杂的结构(如图2中e、f),不仅要学会控制温度、牵引速度和喂料速度,还要会应用有限元分析的思想在较短的时间里将复杂图形片段化设计,包括对每一个片段的形状、长度、数量的设计。至此,经过“问题分析+翻转课堂”混合式实验教学模式的实践,能体现“以学为中心”为主的教学思想,也能为学生搭建自主探索科学问题的平台,让学生逐步形成发现、分析和解决问题的科学思想,为激发他们的创新能力打下基础。

(三)构建多元化课程评价方式

“期末考试、课堂纪律、实验操作、实验报告”四个方面的评价主要是对学生实验学习的评价。这种评价方式在一定程度上可以反映学生查阅文献的能力、学习态度、思考问题、动手操作以及实验报告撰写等能力,但是却不能反映学生的创新能力,也不能评价教师对学生创新能力培养的成效。

构建多元化课程评价方式,主要从“教、学、思、创”四个方面来体现。对于教师而言的“教、学、思、创”,指的是教学设计、自我提升、教学反思、创新能力评价。这就要求教师在教学设计中结合教学内容将学生创新能力的培养,以润物细无声的形式融入到日常的实验教学过程中,同时构建教师对于学生创新能力培养的评价机制,检验教师的教学设计效果,再根据实验教学效果评价进行教学反思,在不断的学习、不断的思考、不断的创新中进一步优化自己的实验教学方案,提升教学能力。

对于学生而言的“教、学、思、创”,指的是教学互通、自我学习、主动思考、创新能力四个方面。其中教学互通和自我学习就是要求学生能够学会对教师所教的书本上的知识点进行总结,同时将这些知识用于解决实际问题;主动思考和创新能力是指学生想要获得创意的实验结果,需要他能够对实践过程中遇到的问题进行反思。具体体现于两个方面:一方面是通过学生的“思考、创意”加深学生对于基本理论的理解,让书本知识为己用,构建学生主动思考和创新能力,构建教师“教”与学生“学”的良性学习循环模式。以“气动注塑成型聚乙烯复合材料”为例,作为高分子材料加工的基础性实验,需要学生通过实验的教学了解聚合物的工艺性能、注塑机的机械原理,并且能够通过实验总结材料注塑成型过程中可能出现的问题。在该案例中,学生想要获得创意制品,就必须要了解塑料注塑成型的工艺过程[16](填充—保压—冷却—脱模4个阶段构成一个完整的连续过程,它直接决定着制品的成型质量以及聚合物温度与形变的关系),注塑机的机械原理[17](利用塑料的可挤压性和可模塑性,将松散的物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化成为黏流态熔体,在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射将粘流态熔体打入温度较低的闭合模具中,经过一段保压冷却定型后,开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件),同时熟悉注塑过程中工艺参数的设置如温度的设置、压力的设置以及时间的设置,才能克服注塑制品可能出现的问题,如毛刺(或称飞边、溢边、溢料)、充填不足(或称成形不足)、熔接痕(或称结合线)、凹陷(或称缩坑)、气泡、银纹等。那么,从制品的均匀性、着色情况、表面完整性看,就能在一定程度上反映学生对注塑原理的理解,是否达到实验教学的目的。学生用自己的双手搭建的实验结果,明显增加了学生的积极性和小组成员之间的配合,使其能更好地理解教师讲授的实验目的、实验原理,真正实现从做中学、从做中悟。

另一方面在对基本理论深入理解的基础上,向原有“期末考试、课堂纪律、实验操作、实验报告”考核内容中引入对创新能力的考核及奖励机制,激发学生对创新能力的思考和践行。以“气动注塑成型聚乙烯复合材料”为例,从结构难易程度、配色准确程度、主题新颖程度给出评价标准以及占比,设置相应的奖项鼓励学生的创意。具体实施如下:设置创意考核、期末考试、课堂纪律、实验操作、实验报告作为考核内容,分别各占总成绩的20%,新增加的创意考核将从结构难易程度、配色准确程度、主题新颖程度三个方面来反映学生的创新能力,其中结构难易程度占比30%,配色准确程度占比30%,主题新颖程度占比40%,评分有95分、90分、85分、80分四个等级,评委老师根据评价标准为每项作品打出相应的分数,为优秀学生作品颁发奖励。同时推荐参加“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、“创青春”中国青年创新创业大赛、全国大学生电子商务“创新、创意及创业”挑战赛等比赛,鼓励学生敢于创新、善于创新、乐于创新。

三、教学改革效果及评价

依据上述的教学改革路径,结合2018级、2019级、2020级材料专业学生实验教学反馈,可以看出材料综合实验课程教学改革的效果得到提升。从学生成绩来看,三个年级该实验项目的成绩集中于85与90分数等级,而且比例逐渐增加。同时,95分数等级的比例也在增加,说明学生的创新能力有所提高。从学生课堂参与度及表现来看,随着实验内容的趣味性增加,学生参与实验的意愿更加强烈,学习的主动性显著提高。同时,从近几年学生报送的课外创新竞赛项目的数量来看,学生参与课外创新竞赛的意愿也逐渐增加,学生会主动地联系老师进行选题探讨,更多地表达自己的想法。

四、结语

实验教学通常是采用既定式模式进行,学生按照一定的步骤即可得到既定的实验结果,这样往往限制了学生的思维,遏制了学生的自主探索意识。将创新能力培养逐步融入实验内容、实验教学模式、实验课程评价机制,不仅能够激发他们的设计意识,还能够很好地让学生将科学原理融会贯通于实验操作中,帮助学生从做中学、从做中悟,让他们更好地发现问题、解决问题,实现综合实验与创新能力培养的有机结合,完成以教师为中心向以学生为中心教学模式的转变,构建教师与学生之间真正的教与学双向奔赴的桥梁,从而深化教育教学改革,提升本科人才创新能力的培养。