以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向的“高分子材料學(xué)”課程教學(xué)改革研究*

孟曉宇 叢川波 葉海木

（中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院 北京 102249）

引言

高等教育新工科建設(shè)得以不斷推進(jìn)，在提升我國工科教育水平的同時，實(shí)現(xiàn)了國際互認(rèn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求在教學(xué)中堅持“產(chǎn)出導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”。同時，標(biāo)準(zhǔn)中多次強(qiáng)調(diào)對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[1-2]，具體包括對復(fù)雜工程問題的識別、表達(dá)、分析、交流、解決等方面能力[3]。復(fù)雜工程問題須運(yùn)用工程原理經(jīng)過深入分析才能得到解決，涉及多方面的技術(shù)與工程因素，具有較高的綜合性[4]。

一、教學(xué)改革背景

在通過工程教育專業(yè)認(rèn)證之后，我校材料科學(xué)與工程專業(yè)基于認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定了關(guān)于工程知識、問題分析、設(shè)計解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊、溝通、項目管理和終身學(xué)習(xí)12個方面的畢業(yè)要求。要求學(xué)生掌握從事材料科學(xué)與工程工作所需的自然科學(xué)基本理論和專業(yè)知識，并用來識別、表達(dá)、分析復(fù)雜工程問題；具有選用適當(dāng)?shù)睦碚摲治霾⒔鉀Q復(fù)雜工程問題的能力；掌握本專業(yè)常規(guī)的材料制備、材料性能與結(jié)構(gòu)分析檢測的方法和技術(shù)，以及對復(fù)雜工程問題的預(yù)測和模擬；能夠合理分析和評價專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問題的解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的、專業(yè)工程實(shí)踐環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響；具備創(chuàng)新及合作意識；掌握文獻(xiàn)檢索和獲取專業(yè)及其他相關(guān)信息的基本方法。我校力求不斷地促進(jìn)新工科研究與實(shí)踐，建立持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)質(zhì)量保障機(jī)制，著重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

目前，本專業(yè)分為“高分子材料工程方向”“金屬材料工程方向”與“新能源材料工程方向”三個方向。各方向基于畢業(yè)要求，針對性地設(shè)置了通識教育課、專業(yè)核心課、專業(yè)選修課和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等模塊。“高分子材料工程方向”的專業(yè)課程中包括：“高分子化學(xué)”“高分子物理”“高分子材料學(xué)”和“聚合物加工工藝學(xué)”等，實(shí)踐環(huán)節(jié)包括：“課程設(shè)計”和“畢業(yè)設(shè)計”等。其中，“高分子材料學(xué)”課程起到銜接“高分子化學(xué)”“高分子物理”等基礎(chǔ)課程與“課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”等實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要作用，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要一環(huán)。但在課程內(nèi)容的設(shè)置上仍存在一些問題，具體包括：（1）課程銜接作用需進(jìn)一步強(qiáng)化。基礎(chǔ)理論知識與實(shí)際工程問題的關(guān)聯(lián)性不夠，使學(xué)生難以使用所學(xué)課程知識來解決具體問題。（2）學(xué)生對本專業(yè)涉及的行業(yè)需求、技術(shù)發(fā)展情況缺乏了解。課程內(nèi)容與實(shí)際結(jié)合不夠緊密，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)際應(yīng)用中涉及的復(fù)雜工程問題不清晰，對解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)不利。（3）學(xué)生對材料前沿進(jìn)展了解不足。學(xué)生對高分子材料的認(rèn)識很大程度上停留在傳統(tǒng)材料上，但隨著科技的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了諸多種類的高分子材料，典型的如功能高分子材料，學(xué)生對其特點(diǎn)和應(yīng)用知之甚少。

針對這幾方面的問題，對“高分子材料學(xué)”課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容及考核方式的改革，以解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合我校石油領(lǐng)域工程經(jīng)驗(yàn)，把工程問題搬到課堂，提升學(xué)生的自主創(chuàng)新與實(shí)踐能力，以便更加適應(yīng)社會與行業(yè)的需求。

二、教學(xué)改革內(nèi)容

1.有效銜接理論與實(shí)踐課程

“高分子材料學(xué)”課程的總目標(biāo)是為從事材料科學(xué)與工程研究與工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)，初步掌握分析復(fù)雜工程問題的能力，具有根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行初步選材的能力。具備查找國內(nèi)外相關(guān)資料，了解相關(guān)研究動態(tài)，并總結(jié)分析的能力。同時，掌握相關(guān)專業(yè)英語詞匯，具備閱讀英文文獻(xiàn)的能力。本課程內(nèi)容主要包括高分子材料的基本概念、基本性能、制備方法及加工工藝等，是銜接“高分子化學(xué)”“高分子物理”等基礎(chǔ)理論性課程與“課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”等實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要課程，不僅起到承上啟下的作用，也是培養(yǎng)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵一環(huán)。但目前課程內(nèi)容中，基礎(chǔ)理論知識與實(shí)際工程問題的銜接不夠緊密，仍停留在結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系上，沒有進(jìn)一步把結(jié)構(gòu)、性能與實(shí)際應(yīng)用相掛鉤，學(xué)生對復(fù)雜工程問題的認(rèn)識并不清晰。例如，學(xué)生通過“高分子化學(xué)”和“高分子物理”課程的學(xué)習(xí)，對聚乙烯的合成方法、基本物理特性已經(jīng)熟練掌握，對其分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的特征也已明確。但對聚乙烯的適用場景并不了解，尤其是在油氣裝備領(lǐng)域的應(yīng)用知之甚少。對于在實(shí)際應(yīng)用過程中需要綜合考慮哪些因素，如何解決涉及的瓶頸技術(shù)問題更是無從下手。

因此，課程選取典型高分子材料，梳理從材料合成到微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)基礎(chǔ)理論，首先在學(xué)生的知識體系中建立起結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，以石油裝備對高分子材料的需求為主線，將纖維、塑料、橡膠、涂層等高分子材料涉及的復(fù)雜工程問題穿連起來，使得各工程問題之間具有一定的連續(xù)性、系統(tǒng)性，促進(jìn)課程中所涉及基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)和工程問題更好地融合。同時，“高分子材料”課程也是“課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”等實(shí)踐環(huán)節(jié)的先導(dǎo)性課程，在“高分子材料”課程中更好地引入復(fù)雜工程問題，初步建立起學(xué)生識別、表達(dá)、分析和解決復(fù)雜工程問題的思維體系，為后續(xù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)奠定良好基礎(chǔ)，更好地提升基礎(chǔ)理論課程與實(shí)踐課程之間銜接性和連貫性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識分析工程問題，并具備使用技術(shù)工具解決實(shí)際問題等方面的能力。

2.緊密結(jié)合學(xué)校及專業(yè)背景

中國石油大學(xué)（北京）從建校發(fā)展至今，圍繞石油石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建起了由石油石化主體學(xué)科、支撐學(xué)科、基礎(chǔ)學(xué)科和新興交叉學(xué)科組成的石油特色鮮明的學(xué)科專業(yè)布局。本校的材料科學(xué)與工程專業(yè)致力于培養(yǎng)適應(yīng)我國石油石化及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展需要的優(yōu)秀專門人才，培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，較強(qiáng)的實(shí)踐能力、知識獲取能力、社會交往能力和組織管理能力，使學(xué)生具有國際視野和創(chuàng)新思維，能將專業(yè)理論、基礎(chǔ)知識與科研、生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。但學(xué)生對石油裝備材料還不夠了解，針對油氣領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境對材料的要求，選擇、設(shè)計材料的能力均有待提升，缺乏材料工況適應(yīng)性、加工性、經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)場施工環(huán)境、環(huán)保、標(biāo)準(zhǔn)等方面的綜合分析能力。與我校石油行業(yè)背景的結(jié)合不夠緊密，不利于實(shí)現(xiàn)本專業(yè)提出的“培養(yǎng)適應(yīng)我國石油石化及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展需要的優(yōu)秀專門人才”的目標(biāo)。

因此，課程將石油裝備中應(yīng)用廣泛的高分子管材引入課程，選取了地面長輸管線、井下高分子內(nèi)襯油井管、海洋非金屬柔性復(fù)合管三個典型的應(yīng)用場景。從管道的服役工況入手，引導(dǎo)學(xué)生分析使用工況對材料提出了哪些要求，結(jié)合“高分子化學(xué)”和“高分子物理”所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識，初步選擇材料的范圍。課程選取聚乙烯為典型材料，從聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)、支化結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)入手分析其物理機(jī)械性能、耐蝕性能、耐溫性能、加工成型特性以及經(jīng)濟(jì)性，梳理不同應(yīng)用場景對聚乙烯材料的要求，明確其中的關(guān)鍵性能。例如，對于井下內(nèi)襯油管，首先引導(dǎo)學(xué)生基于學(xué)習(xí)過的油氣開采、油氣裝備以及高分子材料的基礎(chǔ)知識，分析井下內(nèi)襯油管的關(guān)鍵性能，明確內(nèi)襯油管的關(guān)鍵性能包括耐蝕性能、耐溫性能、強(qiáng)度、耐磨性能、加工性能，引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮以上性能，分析出應(yīng)使用高密度聚乙烯作為油井管的內(nèi)襯層材料，進(jìn)一步得出高密度聚乙烯主要在耐溫性能上存在問題，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生分析給出解決聚乙烯耐溫問題的方案，且同時要綜合考慮社會、安全、法律以及環(huán)境等因素，最終形成井下內(nèi)襯油管高分子材料的選材、改性和加工方案。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生對石油裝備領(lǐng)域相關(guān)的復(fù)雜工程問題有了更加清晰的理解，相關(guān)能力得到提升。

3.密切聯(lián)系材料發(fā)展趨勢

本專業(yè)所在新能源與材料學(xué)院以服務(wù)國家“雙碳”目標(biāo)，聚焦包括氫能在內(nèi)的新能源領(lǐng)域，圍繞產(chǎn)能、儲能、用能涉及的高性能材料，著力開展教學(xué)、科研工作，努力培養(yǎng)新能源新材料領(lǐng)域高層次創(chuàng)新型人才和工程應(yīng)用型人才，為國家能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級貢獻(xiàn)力量。同時，隨著新能源、生命科學(xué)、信息技術(shù)、先進(jìn)制造、空間和海洋技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對高分子材料中功能高分子的需求日益增多，學(xué)生在今后的就業(yè)和研究生學(xué)習(xí)中，必然會接觸到不同類型的功能高分子。但學(xué)生對高分子材料的認(rèn)識主要停留在傳統(tǒng)高分子材料上，對高新技術(shù)領(lǐng)域中涉及的高分子材料不了解，不能適應(yīng)其發(fā)展要求，與學(xué)院的發(fā)展方向契合度不高。

因此，在本課程中，增加功能高分子材料的授課內(nèi)容。但由于課時限制，除介紹功能高分子的基本概況，分類及特點(diǎn)之外，著重講解與學(xué)院和專業(yè)背景緊密相關(guān)的功能高分子材料，將創(chuàng)新理念、相關(guān)的學(xué)科前沿成果融入課程。選擇在產(chǎn)氫和儲氫領(lǐng)域廣泛使用的高分子孔材料作為典型案例，介紹影響孔材料性能的主要因素，基于催化產(chǎn)氫，氫氣分離與儲存的要求來設(shè)計孔材料，并掌握相應(yīng)的制備方法。從孔材料框架材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、孔徑、孔容以及孔的幾何形狀入手分析其吸附能力、儲存能力、物理機(jī)械性能及加工成型特性，明確不同應(yīng)用場景對孔材料的要求，引出其中涉及的復(fù)雜工程問題。為了對課堂內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，充分利用課外時間，將學(xué)生分成小組，課下查閱相關(guān)的國內(nèi)外高水平論文，使其對功能高分子有更深入的了解，與課堂教學(xué)形成互補(bǔ)。同時，結(jié)合課上和課下所學(xué)知識，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別、表達(dá)、分析，并提出解決方案，撰寫總結(jié)報告。在此過程中，除了培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力之外，學(xué)生還能夠鍛煉團(tuán)隊分工、協(xié)作能力，加強(qiáng)合作意識。同時通過學(xué)習(xí)，學(xué)生對高分子材料產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，加深了學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)識和認(rèn)可。此部分課程內(nèi)容也為學(xué)生后續(xù)的“課程設(shè)計”和“畢業(yè)設(shè)計”等實(shí)踐環(huán)節(jié)的選題，甚至研究生課題的選擇奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.考核方法改進(jìn)

考核是檢驗(yàn)課程是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要手段。但之前本課程的考核通常僅采用結(jié)課考試的方式考查學(xué)生對課程知識的掌握程度，難以與課程內(nèi)容改革相匹配，不能更好地檢驗(yàn)學(xué)生對復(fù)雜工程問題的識別、表達(dá)、分析、解決能力，無法體現(xiàn)學(xué)生在此過程中的團(tuán)隊協(xié)作。因此，在對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革的同時，也勢必要對考核方式進(jìn)行改進(jìn)。

為了更好地檢驗(yàn)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，首先將課程考核的方式多元化，更加注重加強(qiáng)過程考核，增加過程考核成績所占比例。教師緊密結(jié)合功能高分子材料涉及的實(shí)際問題，設(shè)置一些蘊(yùn)含復(fù)雜工程問題的題目，讓學(xué)生組成團(tuán)隊，設(shè)立組長，明確組長和組員的分工。學(xué)生基于所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，并結(jié)合網(wǎng)上所查找的資料，形成一套解決問題的詳細(xì)方案，提交報告的同時，組織學(xué)生進(jìn)行答辯，對所設(shè)計復(fù)雜工程問題的識別、分析、解決的方案進(jìn)行講解，組員分別對自己負(fù)責(zé)的部分進(jìn)行講解并回答問題，讓每位學(xué)生都能夠真正參與其中。教師針對學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握程度、問題的分析理解、方案的設(shè)計、其他因素綜合考量、團(tuán)隊的合作、文獻(xiàn)查閱、答辯過程等方面進(jìn)行綜合考核與評價。另外，在結(jié)課考試中增加開放式題目，基于油氣裝備高分子材料領(lǐng)域的實(shí)際問題設(shè)立題目，題目針對某種高分子材料在應(yīng)用中存在的一個問題來設(shè)置，問題難度適中，讓學(xué)生能夠根據(jù)課堂所學(xué)知識和課外知識的積累，在有限的時間內(nèi)給出解決問題的初步思路和方案綱要，從而進(jìn)一步考查學(xué)生對典型工況技術(shù)要求的掌握程度，對工程問題的分析能力、理論知識與實(shí)際需求的關(guān)聯(lián)能力。

結(jié)語

以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向，針對存在的課程銜接作用不強(qiáng)，學(xué)生對行業(yè)需要、發(fā)展情況缺乏了解，對材料前沿進(jìn)展認(rèn)知不足等問題，重點(diǎn)對“高分子材料學(xué)”的課程內(nèi)容和考核方式進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。教學(xué)改革促進(jìn)了各課程之間的融會貫通，學(xué)生對實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜工程問題有了更加深入的了解，對復(fù)雜工程問題的識別、分析、解決等方面能力顯著提升。