基于SC-CDIO理念材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)改革

張小博

(燕京理工學(xué)院，河北 三河 065201)

材料學(xué)科是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門學(xué)科，專業(yè)實(shí)驗(yàn)是高分子材料與工程專業(yè)教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)，然而長期以來，教學(xué)環(huán)節(jié)中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度與對理論教學(xué)的重視程度并不相稱。一般認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的輔助教學(xué)部分，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)趨勢下，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已不能滿足綜合素質(zhì)人才的培養(yǎng)要求[1-2]。因此，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須轉(zhuǎn)變理念，重新認(rèn)識實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要地位，在夯實(shí)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)基本技能的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)施自主式開放式專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造性思維的能力。

CDIO工程教育模式是以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作全過程作為載體達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的工程能力的目標(biāo)，其理念包含了學(xué)生的工程系統(tǒng)構(gòu)思、終身學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作等方面的能力，是工程專業(yè)進(jìn)行評估的重要依據(jù)之一[3-4]。將CDIO工程理念融入材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，形成基于SC-CDIO工程能力的課程新體系，并在實(shí)踐教學(xué)中，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，使人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高，滿足地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要。

1 構(gòu)建專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基本思路

以專業(yè)教育教學(xué)思想和觀念為基礎(chǔ)，遵循教育教學(xué)規(guī)律，適應(yīng)社會發(fā)展趨勢，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教育理念和以培養(yǎng)學(xué)生能力為核心的教學(xué)觀念，促進(jìn)學(xué)生自主全面發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會思考、學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會創(chuàng)新，構(gòu)建一體化、兩模塊、三層次的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

(1)“一體化”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建，即是要打破實(shí)驗(yàn)課程依附各理論課程(如高分子化學(xué)、高分子物理和高分子加工成型)的現(xiàn)狀，將實(shí)驗(yàn)操作技能和各理論課程中的核心知識點(diǎn)相融合，以材料組成、制備工藝、加工和性能為實(shí)施主線，加強(qiáng)課程間的聯(lián)系，科學(xué)規(guī)劃課程實(shí)驗(yàn)體系，有效體現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性、綜合性、開放性和創(chuàng)新性的特點(diǎn)。

(2)通過設(shè)置不同模塊，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，以及學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新的能力，促使學(xué)生從理論課程向工程實(shí)際綜合的轉(zhuǎn)化，從知識積累向綜合能力的轉(zhuǎn)化。材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和能力培養(yǎng)分成兩個(gè)模塊，分別為：

1)材料設(shè)計(jì)合成與加工模塊。材料設(shè)計(jì)合成與加工實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是涉及到材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝以及生產(chǎn)加工方式的選擇等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，目的是讓學(xué)生掌握材料結(jié)構(gòu)微觀與宏觀間的關(guān)系，以及材料的合成、加工等方面的實(shí)驗(yàn)操作能力。

2)材料性能測試和數(shù)據(jù)分析模塊。材料性能測試和數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是涉及到材料結(jié)構(gòu)的觀察分析和各種性能的測試，以及測試結(jié)果數(shù)據(jù)的分析等方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，目的是培養(yǎng)學(xué)生在材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表征，力學(xué)性能、工藝性能等檢測方面的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析判斷等方面的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

(3)依據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)置不同層次的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，構(gòu)建“基礎(chǔ)-綜合-創(chuàng)新”三層次實(shí)踐教學(xué)體系。其中，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)占20%，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)占40%，開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占40%。各層次之間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論教學(xué)相輔相成且系統(tǒng)而完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1)基礎(chǔ)層?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要目的是夯實(shí)理論知識基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)操作技能，加深學(xué)生對相關(guān)定律、定理和基本概念理論的理解和學(xué)習(xí)，并掌握材料制備和測試的基本實(shí)驗(yàn)操作方法。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要緊跟現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展前沿，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容應(yīng)不斷更新發(fā)展以保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。

2)綜合層。綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要目的是提高學(xué)生獨(dú)立研究的能力，同時(shí)深化和拓展理論教學(xué)的知識內(nèi)容，綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置通過學(xué)生查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料完成實(shí)驗(yàn)，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力，使學(xué)生綜合能力得到提高[5]。

3)創(chuàng)新層。開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目注重興趣驅(qū)動(dòng)、自主實(shí)驗(yàn)，重在過程，對學(xué)生主體精神，研究、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)合作等進(jìn)行全方位培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選題中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮自身的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用材料專業(yè)理論、知識、技能，進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)踐和解決某一實(shí)際問題的綜合能力，使學(xué)生具備良好的綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

2 設(shè)置“一體化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的缺陷

傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，歸納起來，目前主要有三種：1)材料合成改性，2)材料性能測試，3)材料加工成型；內(nèi)容和形式上都主要是附屬于相應(yīng)理論課程，各課程內(nèi)容之間缺乏相關(guān)性，表現(xiàn)為各自為戰(zhàn)，未能形成一個(gè)有機(jī)整體，無法體現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程自身系統(tǒng)性的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中以認(rèn)知性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性、設(shè)計(jì)性、自主性和開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)比例較小，教學(xué)過程中學(xué)生只需按步操作，缺乏主動(dòng)、獨(dú)立地去思考問題、分析問題、解決問題的過程，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程理念，個(gè)性化思維和創(chuàng)新能力[6]。

2.2 基于SC-CDIO模式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

基于SC-CDIO大綱能力要求，圍繞完善學(xué)生知識體系、提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)對綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，構(gòu)建成較為完整、有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的多層次遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)新體系，培養(yǎng)提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，設(shè)置了醋酸乙烯酯的制備、聚甲基丙烯酸及其酯的制備、聚苯乙烯的制備等，讓學(xué)生對同一單體利用不同合成方法制備不同性能的材料并加工成型。如聚甲基丙烯酸及其酯的制備實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選擇本體聚合、乳液聚合等方式制備有機(jī)玻璃、涂料和吸水性材料等，加工中采用壓模固化、注塑成型和發(fā)泡成型等制備產(chǎn)品。通過一體化的從制備和加工的學(xué)習(xí)，學(xué)生能對如塑料和橡膠等材料的合成有較深刻的了解和體會，更有效了解成型模具和設(shè)備的結(jié)構(gòu)和加工方式方法。在完成制備和加工模塊后，設(shè)置了材料測試模塊，在材料的性能測試中涉及力學(xué)性能測試(拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、沖擊強(qiáng)度等)、耐熱性能測試(熱變形溫度、維卡軟化點(diǎn)等)、電性能測試(電阻率、介電損耗等)、老化性能和流變性能等。學(xué)生通過對制備的樣品試樣進(jìn)行相應(yīng)性能的檢測，了解各種材料測試的方法和原理。在綜合實(shí)驗(yàn)階段，設(shè)置了如聚氨酯材料、環(huán)氧樹脂材料等涉及熱塑性和熱固性樹脂的不同實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過選擇不同改性劑提高其相關(guān)性能，并通過不同加工成型方式加工成型。此類實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠深入理解高分子材料結(jié)構(gòu)及組成、常用助劑的作用原理和選用原則，成型工藝對材料性能的影響，不僅鞏固了基礎(chǔ)理論和基本實(shí)驗(yàn)技能，還培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題能力。在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，由學(xué)生進(jìn)行自選課題方向，通過查閱資料提出研究方向和創(chuàng)新點(diǎn)，并提出可行性的實(shí)驗(yàn)方案，目前已形成可降解材料、彈性密封材料、相變材料等十幾個(gè)研究項(xiàng)目。其中，部分研究項(xiàng)目參加了”中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”、“中國大學(xué)挑戰(zhàn)杯”等比賽，取得了優(yōu)異成績。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的合理選題和成功實(shí)施能大大提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性，并借此平臺使學(xué)生了解當(dāng)前材料科學(xué)的研究趨勢和前沿，開拓學(xué)生的視野。

3 建立階段性實(shí)施和過程性評價(jià)體系

3.1 階段性實(shí)施過程

在綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過程中，采取分組合作方式進(jìn)行，每組成員在3～5人左右，分組采用自愿、隨機(jī)指定和男女生混合編組的方式，這種分組方式目的是提高學(xué)生間相互合作的能力，避免好學(xué)生樂于要，差學(xué)生沒人要和一人做，其余人看的現(xiàn)象。項(xiàng)目實(shí)施過程中，主要分成以下幾個(gè)階段進(jìn)行：

1)項(xiàng)目前期調(diào)研和分析階段：該階段要求學(xué)生通過收集和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行小組討論，最終確定選題方向，明確項(xiàng)目要求和指標(biāo)，并對項(xiàng)目進(jìn)行合理分工和安排。本階段完成后，每個(gè)小組需提交項(xiàng)目可行性報(bào)告。

2)項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)階段：該階段要求每個(gè)小組根據(jù)文獻(xiàn)資料和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施步驟、正交或單因素實(shí)驗(yàn)表，在本階段需和教師進(jìn)行研討項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程的合理性。本階段完成后，每個(gè)小組需要提交項(xiàng)目整體實(shí)施報(bào)告。

3)項(xiàng)目實(shí)施階段：該階段要求每個(gè)小組按照設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)過程，在實(shí)驗(yàn)過程中要定期與指導(dǎo)教師進(jìn)行交流，對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行討論，不斷調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)體系，同時(shí)通過交流也方便教師隨時(shí)掌握各個(gè)小組的進(jìn)展情況。本階段完成后，每個(gè)小組需要提交項(xiàng)目研究報(bào)告。

4)項(xiàng)目驗(yàn)收和交流階段：該階段要求每個(gè)小組依次與指導(dǎo)教師交流進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，驗(yàn)收的依據(jù)主要是最終產(chǎn)品與設(shè)計(jì)指標(biāo)的相符性，創(chuàng)新性和組內(nèi)成員的合作等方面，最后，開展不同小組的交流匯報(bào)，使學(xué)生通過相互間的學(xué)習(xí)和借鑒，進(jìn)一步找出各自的不足并加以提高。

3.2 過程性評價(jià)體系

綜合實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)形式多樣，不同層次的實(shí)驗(yàn)，不能一概而論，如何對給每個(gè)學(xué)生進(jìn)行客觀公正的評價(jià)，需要建立強(qiáng)調(diào)知識目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)的過程性考核體系?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要考核的是學(xué)生的基本理論和實(shí)驗(yàn)操作能力，可采用操作能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式進(jìn)行考核；綜合性實(shí)驗(yàn)主要考核對理論和實(shí)驗(yàn)技能綜合應(yīng)用的能力，可采用對設(shè)計(jì)方案的合理性，實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和結(jié)果分析可靠性等進(jìn)行綜合評價(jià)；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察學(xué)生從事科研創(chuàng)新的能力，主要考核文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、材料制備、性能測試和數(shù)據(jù)處理等5個(gè)方面的綜合能力，可通過學(xué)生撰寫科技論文和答辯的方式進(jìn)行考核。學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績依據(jù)三層次項(xiàng)目的權(quán)重計(jì)算得到總分即為學(xué)生的最終綜合實(shí)驗(yàn)成績。

4 結(jié)論

材料專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程作為學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，最終的目的是要培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作技能，理論與實(shí)踐結(jié)合的能力和創(chuàng)新性思維意識等方面的全面發(fā)展。目前，燕京理工學(xué)院在材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用SC-CDIO模式，切實(shí)增強(qiáng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題能力和團(tuán)結(jié)合作的能力，養(yǎng)成了良好的工程素質(zhì)，取得了一定的教學(xué)效果。這必將對深化應(yīng)用型人才教育教學(xué)改革發(fā)揮重要作用。