材料表面與界面課程教學改革初探

張彩寧,王煦漫

(西安工程大學 材料工程學院,陜西 西安 710048)

材料是國民經濟的支柱型產業。任何一種材料在應用過程中都會不可避免地與外界或其他材料接觸,從而產生表界面問題。而表界面的結構和性能必然對材料的整體性能造成非常重要的影響,故材料表界面的研究也是材料領域的研究熱點之一[1]。作為我校高分子材料與工程專業的一門重要專業課程,材料表面與界面課程在學習液體表面特性、固體表面特性、固液表面特性等表面化學知識的基礎上,系統地學習高分子材料及其復合材料的表界面特性和基礎理論。在課程學習中,學生除了要掌握材料表界面的基礎知識和概念之外,還需要深刻地理解材料表界面相關特性與材料性能之間的關系,特別是上述內容在聚合物表面改性、聚合物增強、高分子材料的黏接、涂裝和印刷等領域的應用。因此學好這門課程,將為學生學習聚合物改性技術、涂料與膠黏劑等課程,以及參加工作之后在相關領域從事研究開發工作奠定堅實的基礎。

1 課程的現狀與存在問題

經過數年的課程教學,發現材料表面與界面課程目前的教學方式與內容存在下列問題:

(1)采用傳統的教學方式,基本以教師全課堂講授為主,學生參與度很低,導致學生學習的積極性不高;

(2)教學內容偏重理論學習,關于高分子材料界面實際應用的內容較為欠缺;

(3)教學內容與高分子材料表面與界面最新進展聯系不緊密,教材中一些內容未能及時跟蹤最前沿進展;

(4)課程考核以筆試為主,缺乏對學生綜合能力的考核。

以上問題導致學生在學習過程中缺乏主動性,無法激發學生的學習興趣[2]。因此,構建新的以學生為主體的材料表面與界面教學方法和以激發學生學習興趣為目的的材料表面與界面教學內容,不僅能夠克服現有課程教學的不足,更好地培養高分子材料領域的技術人才,同時也能為高分子材料與工程專業的專業認證提供一定的借鑒。

2 教學方法改革

材料表面與界面課程專業性很強,教學內容涉及很多復雜的理論和大量的公式推導,極易讓學生覺得枯燥無味,對學習產生畏難和厭倦情緒。此外,該課程又與高分子材料表界面的實際工程問題緊密聯系,因此單一的課堂理論授課方式無法保證教學效果。為了解決這些問題,本專業的教師從2020年開始對材料表面與界面課程進行了以學生為主體的課堂教學改革,嘗試將多種教學方式應用于教學中,主要是將多媒體教學手段、翻轉課堂、科研文獻輔助教學等方式應用于課堂教學。通過這一系列的教學改革,教學效果較前明顯提高[3-4]。

在進行課程教學方式的改革過程中,更加注重問題解決與創新的教學手段,重點增加了案例式教學和逐漸滲透式教學兩種教學方式。

2.1 案例式教學

教學過程中,引入大量的教學案例作為載體。案例的來源主要有兩類,一類是日常生活中接觸的材料,如“荷葉的表面結構”,首先由老師介紹荷葉特殊的表面結構,然后從荷葉的自清潔特性出發,分析產生這種現象的內在機理,不但使學生對材料的微觀結構、表面化學性質與材料表面潤濕性之間的關系產生感性認識,而且可加深對潤濕性理論的理解;案例的另一類來源是結合專業教師的科研課題提煉出來的,如“玻纖的表面處理”等題目,目的是為了讓學生參與老師的科研活動,盡可能了解材料的研究熱點。在案例教學過程中,老師在提出問題之后,讓學生每四人一組,組內各位同學進行分工協作,查閱相關資料,并交流討論,最后總結整理制作PPT,在課堂上進行講解。學生從講稿的寫作到PPT 制作,都需要老師來指導,學生講解的同時,老師進行糾錯和補充。所有學生講解完之后,老師再對案例中涉及的知識要點進行總結。這種教學方式增強了學生學習的目的性和針對性,提高了學生在教學過程中的參與度和學習的積極性。提高教學效果的同時,無形之中也培養了學生的自學能力和相互溝通的能力,還鍛煉了學生的口頭表達能力,也對學生利用各種資源獲取信息和知識的能力進行了初步鍛煉。

2.2 逐漸滲透式教學

老師在教學過程中,針對每節課進行教學設計,目的是更加科學合理地安排課堂教學時間,從而將知識通過逐步滲透的方式傳遞給學生,提高教學效果[5]。例如,在學習固液界面潤濕性問題的教學過程中,將課堂有效時間劃分為四個階段:第一階段為前5 min,老師結合實際問題讓學生認識到什么是潤濕,什么是不潤濕,以及固液界面潤濕的重要性;第二階段22 min,為教學內容講解與進一步擴展階段。老師先介紹與潤濕過程相關的基礎理論知識、潤濕過程的三種類型等課本內容之后,進一步擴充介紹如仿荷葉材料表面自清潔、復合材料表界面浸潤性變化機理等問題,同時利用多媒體動畫演示功能。這樣在增加教學資源信息量的同時,還提高了學生對知識的感性認識,加深了理解;第三階段為知識點補充階段,約8 min;第四階段為10 min,主要用做習題講解。最后教師根據本堂課習題訓練內容進行總結與評價。這種逐漸滲透的教學模式,可以將學生的注意力集中到課堂中來,學生的自主學習時間也增加了,同時教師的引導作用也能獲得一定的保障[6]。

3 教學內容改革

我校材料表面與界面課程現用教材是華東理工大學胡福增教授編寫的《材料表界面》,是高等學校材料類專業基礎課系列教材。這本教材涵蓋的知識內容非常豐富,內容主要包括兩部分:一部分是表界面基礎知識,介紹了液體、固體和固液的表界面,還介紹了表面化學的四大定理及表面活性劑;另一部分是材料表界面,分別講述了高分子材料、無機非金屬材料、金屬材料和復合材料的表界面進展。結合專業情況,本課程教學過程主要學習表界面基礎知識,以及高分子材料及其復合材料的表界面問題。在教學過程中,發現教材中介紹高分子材料表界面的時候,涉及大量公式的推導,內容較為枯燥。此外,復合材料的表界面部分雖然引入了一些新進展內容,但內容過于繁瑣,無法激發學生的學習興趣,同時對培養學生的創新意識和探索精神,以及提高學生解決實際問題的能力都是不利的。因此在課堂教學中,對教材的部分內容進行了刪減,引入了一些科研論文資料進行介紹和剖析。這種科研論文輔助教學在拓寬學生視野的同時,也加深了學生對相關基礎理論知識的理解,幫助學生培養了研究型和探索型思維,達到更深層次的教學效果[7]。

另外,還收集了許多與高分子材料的表界面處理和應用相關的案例,例如超疏水/超疏油織物、聚四氟乙烯表面處理、自清潔涂料、被粘材料表面處理等,以擴展課堂教學內容,提高教學效果。

4 實踐環節及課程考核方式的改革

目前材料表面與界面的課程實驗是“液體表面張力的測定”和“接觸角的測定”,與界面理論的實際應用聯系不緊密。計劃將實驗改為“聚乙烯表面的液態氧化處理”和“碳纖維的電聚合表面處理”,這樣就可以把聚合物和纖維這兩類代表性材料的表面處理與材料的表面性能表征有機結合起來,更貼近實際應用,更好培養學生工程意識及動手能力。

此外,課程考核方式強調注重學生解決實際工程問題的能力和創新能力考核。除采用傳統的考試方式以外,還將學生參與互動式教學、課題研討等的表現情況計入其中。這樣平時學習階段的成績占比加大,學生在后期考試階段壓力減小。同時,考核的成績也將更加全面地體現學生在整個學習過程中所表現出來的理論學習、實際動手和團隊合作等多方面能力[8]。

5 結束語

基于對課程現狀及存在問題的分析,在教學方法、教學內容、實踐環節和課程考核方式這四個方面進行了教學改革,構建了新的以學生為主體的教學方法、能夠吸引學生學習興趣的教學內容、更緊貼實際應用的實踐環節以及更全面評價學生學習能力的考核方式,從而更好地完成了人才培養的任務,同時為專業認證工作提供了一定的借鑒。