新工科背景下《復合材料工藝學》課程建設(shè)

與教改探索焦雷，李惠，王奎，趙玉濤，陳剛（1江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江212022；2江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江212022）隨著教育部國家一流專業(yè)建設(shè)不斷深入推進，國內(nèi)各大高校均對傳統(tǒng)工科專業(yè)課程建設(shè)提出新的教學改革要求，即新工科背景下國家一流專業(yè)課程建設(shè)與教學改革如何有序開展？這是擺在每一位高校工科專業(yè)教師面前的思考題。本文具體以分析《復合材料工藝學》專業(yè)課程建設(shè)為載體，從專業(yè)教學的基本規(guī)律出發(fā)，均衡專業(yè)教學硬件物質(zhì)條件、教學主體人主觀能動因素、教學具體內(nèi)容和先進教學方法理念四個核心的變量［1］。具體提出關(guān)于《復合材料工藝學》專業(yè)課程教學改革幾點建議，旨在推進復合材料工程專業(yè)國家一流專業(yè)課程教學質(zhì)量以及復合材料專業(yè)畢業(yè)生專業(yè)素養(yǎng)。1《復合材料工藝學》專業(yè)課程教學思路改革創(chuàng)新精神是民族進步的靈魂，知識創(chuàng)新是一個國家經(jīng)濟、文化、科技發(fā)展、文明進步的直接動力。隨著21世紀是知識經(jīng)濟時代的到來，科技、經(jīng)濟的國際競爭日趨激烈，要積極而有效地應對目前的國際形勢必須加強對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，而培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要核心在于培養(yǎng)高科技人才。高等教育作為國家創(chuàng)新體系的重要載體，必須擔負起培養(yǎng)高科技人才的重任，所以在高等教育中本科生的培養(yǎng)工作正是高層次人才培養(yǎng)的主要模式，隨著國家科技、經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，社會對高科技人才的提出了更高的需求和要求，希望進入到社會各個行業(yè)的高科技人才不光理論水平高，還能理論結(jié)合實際，解決生產(chǎn)實際問題，同時還具有潛在的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，為社會創(chuàng)造更大的價值。所以在現(xiàn)代高等教育中本科生的培養(yǎng)工作不僅要求學生進行系統(tǒng)的理論課程的學習，還要結(jié)合生產(chǎn)實際進行科學研究，并能提出新見解建立新理論，在此培養(yǎng)過程中不斷地將創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的訓練貫穿于其中。在本科生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中課程教學發(fā)揮著重要的作用，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神的綜合型高層次人才，是每位高等教育工作者需要思考和解答的問題。針對新工科背景下復合材料專業(yè)本科生課程《復合材料工藝學》的教學改革與教學創(chuàng)新問題，結(jié)合本科生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作以深入探討,分析如何通過《復合材料工藝學》課程改革，達到提高本科生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的重要目標。由于我國長期以來以應試教育為主的主導思想，造成了學生僅滿足于混學分、答辯蒙混過關(guān)，缺乏科學創(chuàng)新的能力，習慣于用考試的分數(shù)來代替科研能力、創(chuàng)新素質(zhì)的考查。長此以往使高校培養(yǎng)的本科生缺乏挑戰(zhàn)意識、創(chuàng)新意識。然而隨著科學發(fā)展的日新月異，社會對科技人才的要求越來越高，不僅要求其掌握扎實的理論知識，還要求高科技人才具有積極的科研興趣和挖掘不斷的創(chuàng)新能力，這樣才能更好的促進科學的進步進而帶來社會的跨越式發(fā)展［2］。所以目前非常緊迫的事就是轉(zhuǎn)變本科生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中教師和學生對待授課與聽課的觀念，要求教師能積極參與本科生創(chuàng)新模式的課程建設(shè)與改革，在課程改革中強調(diào)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，應嘗試在教學環(huán)節(jié)中增設(shè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學內(nèi)容，改革本科生原卷面考試的單一模式等方法，突出課程教學中的創(chuàng)新性、前沿性和綜合性要求。2《復合材料工藝學》專業(yè)課程內(nèi)容的教學改革《復合材料工藝學》專業(yè)課程內(nèi)容是研究復合材料材料的組分、成型工藝、成型條件與性能之間相互關(guān)系和變化規(guī)律的一門應用性很強的基礎(chǔ)科學。它所包含的內(nèi)容組成了一個以固體的“組分”、“化學反應”、“物理性能”和“材料工藝”為頂點的四面體，因而它是具有立體性質(zhì)的一個科學領(lǐng)域。樹脂基復合材料工藝科學是材料科學中的一支新秀，它廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，對尖端科學技術(shù)的發(fā)展起到了重大作用。探索以課程理論為基礎(chǔ)，以教學方法為手段，以實踐為目的的教學改革思路。其主要培養(yǎng)本科生學生能夠主動運用理論知識發(fā)現(xiàn)、分析、解決實際問題的能力，培養(yǎng)本科生獨立自主的科研創(chuàng)新能力，最終實現(xiàn)從科學知識到科研能力，以及科研創(chuàng)新素質(zhì)的共同提高，結(jié)合學校的辦學特色和人才培養(yǎng)的模式，本次將對本科生課程《復合材料工藝學》進行如下的的改革，具體內(nèi)容如下：(1)結(jié)合本校辦學特色，增加本行業(yè)內(nèi)最新研究內(nèi)容，反映最新的科學研究方向，拓寬本科生視野。結(jié)合本校以金屬基復合材料研究為辦學特色，適當增加金屬基體合金材料相變和增材制造內(nèi)容，具體可增加等離子噴涂、激光熔敷、電子束和離子束等高能束對材料表面處理和改性方面的內(nèi)容，研究表面經(jīng)過處理后材料的相變規(guī)律，拓寬金屬基材料的復合工藝學的知識面。⑵結(jié)合新興產(chǎn)業(yè)形勢，反映當前市場需求，激發(fā)學生積極探索進取精神［3］。例如新興電子封裝專業(yè)，就是在電子芯片的加工制造過程中，為了減少微缺陷，需要對硅片進行一種快速熱處理，將這些新興的產(chǎn)業(yè)技術(shù)對學生進行介紹，并告知學生我們國家在這個行業(yè)還處于世界較為落后的水平，由此激發(fā)學生為祖國富強而努力學習的興趣。⑶將近現(xiàn)代材料分析測試手段引入課程教學中，增加一定的實踐性環(huán)節(jié)，通過具體的實驗讓學生理解相變的過程，相變的機理［4］,并能拋磚引玉的引導學生能積極思考與自身科研課題相關(guān)的問題，拓展學生的創(chuàng)新思維。隨著學校材料學科近年來的快速發(fā)展，學校購置了大量先進的儀器測試手段，因此在課程實踐教學環(huán)節(jié)中，加入了這些大型儀器設(shè)備的使用，通過對本科生開放使用先進的實驗儀器設(shè)備比如TEM、SEM、XRD、DSC等先進的儀器，是本科生親自操作儀器，對經(jīng)過不同的溫度處理后金屬材料相變前后微觀結(jié)構(gòu)的變化，相變點的測試等方面的知識能積極主動的去理解和辨識。這種開創(chuàng)性的實踐教學環(huán)節(jié)的改革將對大大促進本科生實踐動手能力的培養(yǎng)，以及激發(fā)學生的科研熱情和探知未知科學知識的興趣，進而促進學生的知識創(chuàng)新的能力。(4)根據(jù)學校最新提出的培養(yǎng)“創(chuàng)新型、復合型”人才的要求，力求“厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、重實踐、強能力、高素質(zhì)”理念，在理論和實踐方面進行全面創(chuàng)新，進一步創(chuàng)新多媒體課件的建設(shè)。優(yōu)化傳統(tǒng)教材內(nèi)容不適用部分，按新編教材大綱制作多媒體，與最新教材一一匹配,優(yōu)化課件動畫細節(jié)，專業(yè)產(chǎn)品圖片進一步修改更新，建立網(wǎng)絡(luò)教學平臺，充分利用現(xiàn)代化科教手段，加強師生網(wǎng)上互動，使其成為《復合材料工藝學》專業(yè)課程內(nèi)容的教學改革基礎(chǔ)保障。3教學過程與課程考核的創(chuàng)新性改革適當調(diào)整《復合材料工藝學》課程教學大綱，優(yōu)化教學內(nèi)容，使學生迅速、全面地掌握本課程的基礎(chǔ)理論知識，更好地為專業(yè)課打下基礎(chǔ)。建設(shè)了多媒體教學課件和教學模型，加強學生理解和掌握枯燥乏味、復雜的、深奧的理論知識，激發(fā)學生學習復合材料工藝學課程的興趣;課堂教學形式多樣化，不拘泥于單一的“講與學”，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。圍繞復合材料工藝學相關(guān)專業(yè)實驗課內(nèi)容增加了大型儀器設(shè)備的應用與操作，加深學生對復合材料工藝學理論的深刻理解，增強學生的動手能力，培養(yǎng)學生的邏輯分析能力、獨立思考能力以及綜合運用能力。增加教材以外的新知識點，開拓學生視野，激發(fā)學生學習興趣。改變過去教學課堂講授與板書相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，采用多媒體課件教學，集文字、音、像、聲、動畫、圖像、視頻等于一體。重點輔以必要的文字板書，向?qū)W生傳授知識的信息量、知識點得到大幅度的增加[5]。學生的感官得到多種刺激與吸引，調(diào)動學生的積極性，大大提高了教學效果和教學質(zhì)量。注意將教改成果、學科發(fā)展成果充實教學內(nèi)容。在教學方法上，本課程引入了新的教學模式，比如教師在講授完復合工藝的基本理論和基本概念后，采用專題教學，研討式教學,讓學生分成5?6個小組，分配不同的主題，讓本科生親自查閱資料，制作多媒體，自己講解，學生提問，老師共同解疑的形式來完成主題內(nèi)容，這樣就避免了學生單一的記錄筆記灌輸式的教學模式，讓每個學生都能積極參與到教學活動中來，享受得到知識的快樂和充實，同時也培養(yǎng)了本科生的自學能力和自我思考能力，通過這種教學模式的改革，本科生們在學習完這門課程后，不僅了解復合工藝概念和公式,而且還能準確掌握該課程涉及的國內(nèi)外新理論、新方法、新技術(shù)，甚至能自己提出新的見解。以《復合材料工藝學》第一章課程教學為例，結(jié)合新工科背景重點講授復合材料的國內(nèi)外發(fā)展概況與應用成果，具體教學主線為20世紀40年代，在美國首先出現(xiàn)了手糊工藝(雷達罩、飛機油箱、汽車外殼、飛機機身、機翼)。60年代，纏繞工藝、噴射成型、片狀模塑料(SMC)、拉擠成型工藝、透明玻璃鋼逐漸出現(xiàn)并引起人們的興趣。70年代，樹脂傳遞模塑(RIM)及(增強反應注射模塑)RRIM,熱塑性片狀模塑料得到較好的發(fā)展。80年代，出現(xiàn)了離心澆鑄工藝。進入20世紀70年代，對復合材料的研究發(fā)跡了僅僅采用玻璃纖維增強樹脂的局面，人們一方面不斷開辟玻纖-樹脂復合材料的新用途，同時也發(fā)現(xiàn)，這類復合材料的比剛度要求很高的尖端技術(shù)的要求，因而開發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進復合材料(AdvancedCompositeMaterials,簡稱ACM)。這種先進復合材料具有比玻璃纖維復合材料更好的性能，是用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。期間可以利用多媒體課件，集文字、音、像、聲、動畫、圖像、視頻于一體，創(chuàng)新性重點講解標志性事件案例成果。第一件美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機一里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg,它以結(jié)構(gòu)小巧重量輕而稱奇于世。第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁，用碳/碳復合材料制造發(fā)動機的噴管和喉襯，發(fā)動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成，被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復合材料。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天收音機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料。第三件是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使收音機結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。復合材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了復合材料的良好性能和技術(shù)的成熟，這對于復合材料在重要工程結(jié)構(gòu)上的應用是一個極大的推動。通過上述具體教學改革措施，學生的感官得到多種刺激與吸引，調(diào)動學生的積極性，大大提高了《復合材料工藝學》第一章教學效果和教學質(zhì)量。此外，《復合材料工藝學》課程考核模式應該針對新工科背景做出對應的探索與創(chuàng)新，比如在課程的總成績中加大了實踐成績的比例，另外業(yè)改革了以前進行卷面考試的單一模式，增加了專題研討的分值,另外學生在課后還要將自己的科研課題與本門課程結(jié)合起來，通過查閱資料撰寫一篇3000?5000字的科技論文，這些新的考核模式更