具有化工特色的高分子材料專業實踐教學探索

汪 瑾， 殷 俊， 徐 佩， 唐龍祥

（合肥工業大學化學化工學院，合肥 230009）

0 引 言

當前世界處在新一輪科技革命和產業變革時期，在國際形勢多變、大國競爭加劇的環境下，我國更是提出了“實現從高等教育大國向高等教育強國轉變”的教育理念，顯示出我國高等教育開始注重內涵發展，即大學要保持持久的創新精神［1］。如何實現這一轉變，是每個高等教育者需要思考的問題。我國無論是在科研經費投入還是高等教育規模上都處于世界前列，2020 年我國科研經費投入總量達到了24 426 億元，占GDP的比重達2.4%，居我國歷史最高，總量居世界第二［2］。但是我國科技與國際發達國家相比還面臨差距拉大的嚴峻挑戰，還存在諸多“卡脖子”關鍵技術亟待突破。要想解決這些問題，必須要提升企業技術創新能力，而人才是創新的主體。

我國高等工程教育改革與發展至今已歷經五大階段：起步探索期、快速發展期、調整優化期、創新發展期、新工科建設期［3］。自1999 年起的高校擴招就體現了工科類高校和工科學生數大幅增加的特征，顯現出國家日益重視高等工科類應用人才的培養。然而在高校一貫“唯論文”的束縛下，材料專業不僅是學生包括很多教師都存在“重理科、輕工科”的思想，由此導致人才培養與產業需求存在“兩張皮”的問題［4-5］。所以不僅要調整設置培養創新的實踐課程體系，而且要建立合理的評價體系，推動新工科發展，培養學生成為對社會有用的“能動手、會創新”工程人才。真正的教育變革就是教育評價改革，2020 年9 月國務院出臺的《深化新時代教育評價改革總體方案》也為廣大教育工作者指明了方向，以成果為導向的評價標準［6］已得到國際工程教育的廣泛認識。筆者所在的高分子材料與工程專業可追溯至1958 年的“高分子工學”專業，專業自建立起就設立于化工學院，本文從專業歷史沿革研究其發展定位，探討具有化工特色的高分子材料專業實踐課程體系建設，旨在建立高素質復合型的新工科人才培養模式，為國家新技術、新產業、新經濟的發展提供支撐。

1 實踐教學體系建設

1.1 實踐教學存在的問題

實踐教學在其課程設置上普遍存在著缺乏連貫性和系統性、綜合性與設計性比例不合理、實驗評價機制不完善等問題［7-8］。而基于學生實踐能力培養的角度分析，現階段實踐教學還存在以下主要問題：①主觀意識上不夠重視，不能真正認識到實踐課程的重要性，而是看作副課；②實際條件受限，由于經費短缺或實驗場地狹小等現實問題，實踐課程內容單一且水平不高；③實踐時的安全無法滿足，危險化學品、高溫高壓等實踐項目對材料專業特別是涉及化學化工類仍極具挑戰性；④外部條件嚴峻，由于企業安全生產的壓力，加之諸如新冠疫情這類突發公眾事件的影響，工廠實習環節越來越難以實現。以上因素均導致實踐課程難以達到教學目標的預期效果。

1.2 分層次、多模塊設計實踐教學體系

基于獲取專業基礎知識、培養專業視野和大工程觀、培養運用專業知識分析問題和解決問題、培養運用計算機工具進行綜合設計的先進實驗教學理念，在不斷的教學實踐中發展和完善后，本專業構建了三層次、六模塊的實踐教學體系，如圖1 所示。

圖1 三層次六模塊實踐教學體系

其中3個層次包括：①基礎性實驗教學層次。主要以驗證性實驗為主，旨在培養學生的專業基本技能；②提高型實驗教學層次。主要以綜合性實驗為主，旨在培養學生獨立思考和綜合設計的能力；③研究型實驗教學層次。主要以設計性、創新性的實驗為主，旨在培養學生的綜合創新能力。實驗內容由淺到深、由易到難、由單一到綜合，系統地涵蓋了從事高分子材料與工程專業所需的基本技能、綜合分析問題和解決問題的能力及創新意識等方面。針對工程師素質和能力結構的要求，將實踐教學體系劃分為實驗、課程設計、工程實踐訓練、生產實習、畢業論文和科技創新訓練等6個模塊，形成基本技能、專業技能層層推進的新格局。其中，實驗、工程實踐訓練課程中的設計性、綜合型實驗占60%以上，工程實踐訓練和課程設計的課內總學時達294 學時，工程實踐訓練內容涵蓋高分子合成、材料加工、材料配方設計及性能檢測等方面，課程設計包括化工設計、高分子專業課程設計。工程實踐訓練、課程設計、畢業論文、科技創新訓練模塊的培養使學生樹立了工程觀，強化了專業工程實踐能力和創新能力的培養，提高了學生綜合分析和解決問題的能力。

1.3 注重實踐教學內涵建設

實驗教學不是簡單的動手能力的培養，還應在實驗實訓過程中獲得解決問題和分析問題的能力［9］。培養學生具有解決復雜工程問題能力，既要通過整個“培養體系”實現，但更要落實到培養的各個環節中。使學生經歷復雜工程（系統）建設，并在建設過程中體現知識、技術、方法的綜合應用；并要構成體系，從簡單到復雜，從小規模到大規模［10］。本專業通過以下兩個方面強化實踐教學的內涵建設，并形成了本專業的實踐教學特征（見圖2）。

圖2 專業實踐教學特征

（1）工程實踐訓練真實化。通過高分子工程實踐訓練課程，選用貼近工業化生產水平的高分子聚合反應和高分子加工實驗所用設備，以達到較為真實的工程訓練情景。此外，依托多年形成的行業合作優勢，走“產學研”合作教育的途徑，校企雙方互動，相互滲透，使學生進入真實的技術開發環境，為本科生實踐性教學環節提供了良好的支撐。

（2）工程實踐訓練系統化。憑借我校工科專業齊全、技術力量強的優勢，依托我校的“工程素質教育中心、化工類工程實踐創新基地、高分子材料工程示范實訓中心”等實踐教學平臺，本科生在大學4 年中先后經歷機械工程知識及技能、化工知識及技能、專業知識及技能的一系列、全方位的培養與培訓，進一步夯實了學生的工科基礎。此外，將專業課程設計拓寬為高分子合成工藝設計、加工工藝設計、塑料制品模具設計3個方向，多方面培養高分子專業學生的工程設計能力。

2 基于成果導向的教學設計

成果導向教育并沒有一個固定的模式，必須在教學實踐中加以調節才能達到良好的效果［11-12］。從解決復雜工程問題的畢業要求出發，以工程實踐訓練課程工程師基礎訓練的教學設計（見圖3）和教學實施為例，探討成果導向教育在高分子材料與工程專業中實踐課程體系評價中的應用。成果導向的教學設計遵循反向設計原則，即以產出為導向，其宏觀設計的邏輯起點是內外需求，其微觀設計（即課程教學設計）的邏輯起點是畢業要求［13］。

圖3 實踐教學課程設計內容

在課程目標設計上，本課程從知識目標上要求學生掌握高分子材料的配方與生產工藝設計、材料制備與性能檢測方法；從能力目標上要求學生能夠基于專業科學原理并采用科學方法對高分子材料工程問題進行研究，并獲得高分子材料體系基本設計的能力；從素質目標上要求學生遵守工程職業道德和規范，并具有自主學習和適應發展的能力。

在教學內容設計上，根據2018 年教育部發布的《材料類教學質量國家標準》［14］的要求，“完成至少1種材料的制備，包括原料的選擇、配方計算、工藝方案設計、制備、相關性能測試及結構分析等全過程訓練”，本課程開設兩個實驗項目內容“聚丙烯結晶行為及其對相關性能的影響”和“功能性聚合物復合材料的制備及性能”，通過配方設計和一定加工工藝制備樣品，分別研究不同成核劑對聚丙烯結晶行為及其力學、熱性能等的影響以及功能助劑對聚合物復合材料的導電及介電性能的影響。

在教學評價設計上，本課程基于預習、實際操作、提問與討論、實驗報告幾方面對學生進行綜合評價，其中實驗報告內容包括文獻綜述、實驗過程、實驗數據記錄、結果與討論、結論和參考文獻幾部分。本課程教學目標的達成度（a）計算式為［15］：a ＝0.5X1＋0.25X2＋0.15X3＋0.1X4，其中，X1～X4分別為實驗報告、實際操作、提問與討論、預習評價課程教學目標的達成度。預習、實際操作、提問及討論的評價方式可考核學生對聚合物及復合材料的配方設計與加工工藝控制的工程實踐能力，進而對“能搭建和操作實驗裝置，安全開展工程相關實驗實踐”“能夠勝任團隊成員的角色和責任，獨立完成團隊分配”的畢業要求達成度形成支撐；實驗報告的評價方式可考核學生對聚合物及復合材料的制備、性能檢測與標準的理解，進而對“能對實驗結果進行分析和解釋，并與理論模型進行比較”“能夠根據現代工程工具和信息技術工具的局限性和適應范圍，選擇恰當的工具用于解決高分子化工與材料復雜問題”的畢業要求達成度形成支撐。

3 結 語

本專業所在的化學化工學院擁有“化工類工程實踐創新基地”，屬國內首批高?；ゎ悓I基本技能實訓教學平臺，可以承擔化工基本技能訓練、反應釜操作實訓以及氣體吸收解吸、有機無機分離等化工單元操作實踐環節的教學訓練，不僅是本科教學評估、卓越工程師計劃、國際工程教育專業認證等學科建設的有力支撐，更是工程師培養的搖籃。本專業在實驗實踐項目的選擇上確立為服務經濟發展和培養高素質創新型人才的定位，工程實踐訓練做到真實化、系統化，從而形成了具有明顯化工特色的高分子工程人才培養模式。