智能制造背景下材料類專業實驗教學改革探索

［摘 要］ 智能制造具有多學科交叉的特點，集機械、電氣、材料與智能科學等于一體，對綜合型人才的培養有著較高的要求。以“復合材料與工程專業實驗”課程為例，探討了智能制造背景下材料類專業實驗課程教學改革路徑與方法。通過強化課程思政教育理念、整合線上教育資源、增設自主實驗項目、引入科研創新項目、實施交互式教學模式等方式，強化了實驗課程的思想教育與價值引領作用，有效提升了學生的工程實踐能力、創新思維能力與綜合素養。

［關鍵詞］ 智能制造；復合材料與工程；實驗教學改革

［基金項目］ 2022年度教育部產學合作協同育人項目“智能制造背景下材料類專業創新創業教育改革研究”（220804429163657）；2021年度中國建設教育協會教育教學科研立項課題“建筑類院校材料類專業實驗‘課程思政’教學實踐與探索”（2021112）；2022年度江蘇省教育廳課題項目“江蘇高校品牌專業建設工程二期項目（二批）省特色50號——南京工業大學——復合材料與工程”

［作者簡介］ 劉 杰（1988—），男，山西陽泉人，碩士，南京工業大學材料科學與工程學院實驗師，主要從事材料成分與失效分析研究；阮接際（1992—），女，安徽宿州人，碩士，南京工業大學材料科學與工程學院實驗師，主要從事實驗教學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0080-04 ［收稿日期］ 2023-10-30

制造業是一個國家的脊梁，是實現國家現代化的重要保障。發展智能制造是我國實現產業轉型與升級的必經之路，而這也對人才的培養提出了新的要求［1］。在這一背景下，如何對原有課程進行改革，以期適應智能制造的快速發展，成為專業實驗課程教學亟待解決的問題。“復合材料與工程專業實驗”作為復合材料與工程專業的一門核心課程，在專業教學體系中占據重要地位，其不僅與工程實踐緊密結合，教學內容涉及范圍廣泛，而且與生產生活關系密切，蘊含著豐富的思政教學元素［2］。通過深入挖掘思政元素，融合線上網絡教學資源與校內科研項目，更新實驗內容，實施交互式教學模式等手段，課程取得了良好的教學效果，具有一定的推廣意義。

一、當前“復合材料與工程專業實驗”教學存在的問題

（一）對課程思政重視程度不夠，實驗教學形式表現單一

傳統工科教育以培養應用型工科人才為主，對思想政治教育的重視程度不夠，加之復合材料專業實驗課教師大多沒有經過系統性的思政理論學習，思政教育理念受限，將思政內容與專業實驗教學相結合的主動性不強，認識不足，思政元素挖掘不到位，無法達到協同育人的目的。

同時，傳統“復合材料與工程專業實驗”教學體系的設置主要基于復合材料工學等主干課程，單個實驗項目從屬于某一課程，導致實驗內容之間的融合度不高，交叉性不強，而復合材料學科是一門工程性極強的學科，需要綜合應用各方面知識，才能夠準確領悟材料的結構設計特點，選擇合適的材料加工制備方式，構筑科學的成型工藝等。這種割裂式的教學體系框架也不利于培養學生的工程觀與整體性思維。再加之傳統實驗教學形式表現單一，主要是由教師理論講授與實驗示范組成，師生與生生之間的互動性不足。在有限的實驗時間內，學生按照教師演示的實驗步驟重復操作，模式固定，結果確定，缺少了摸索、試錯、推導、分析、驗證等實驗探究的基本流程，僅能培養學生的簡單操作技能，間接導致學生對實驗預習不重視，對于所學知識僅是囫圇吞棗，無法做到活學活用。在這種落后的實驗施教方法下，學生在實驗教學中的主體性地位得不到體現，更談不上培養學生的獨立思考能力和自學能力。

（二）實驗內容與工程實際銜接度不高，缺少對智能制造所需的創新思維能力的培養

復合材料主要包括樹脂基、陶瓷基與金屬基復合材料三大類，現有實驗內容包含高分子方向的單體澆鑄尼龍、丙烯酰胺水溶液聚合與不飽和聚酯凝膠點測定；無機非金屬方向的化合物晶體結構、黏接結構與性能和固相反應動力學；復合材料制備工藝方向的手糊成型工藝、RTM成型工藝與噴射成型工藝等。其中部分制備工藝、選用材料在實際工程運用中已被淘汰或更新，行業中的新材料、新工藝、新規范在當前教學內容中所占比例較低，與此同時基礎驗證類實驗內容占總數過半，綜合型實驗占比較低，缺少綜合型及創新研究型實驗項目。這對于培養學生的工程理念與科研思維十分不利，無法開發學生的探索創新精神。如傳統復合材料模壓成型實驗中，學生僅需將原料按固定配方放置于模具中，熱壓成型即可得到終端產品。更換實驗要求，調整配方組成、溫度和壓力條件，學生可能茫無頭緒，究其原因在于實驗內容中缺少工程對比思維的引入，無法鍛煉和提高學生的科研創新思維能力。

（三）教學考核模式不完善，過程質量監控缺失

現有的實驗教學考核模式由實驗報告、實驗表現與期末考試按一定比例組成。一方面，實驗報告的表現形式單一，內容模式化嚴重，導致部分學生只注重實驗結果，對實驗目的與原理缺乏深入了解，難以領會實驗步驟設計的內在邏輯性、實驗裝置的工作原理、忽視實驗過程中的問題與現象，學生的科學假設、實驗觀察、分析探討、實踐動手能力得不到有效鍛煉；另一方面，由于在實驗教學過程中師生之間缺乏有效互動，實驗表現的評價主觀性較強，灌輸式的現場教學使得教師很難在單個實驗教學過程中給出綜合性的客觀評價，不利于培養學生的實驗探究能力與嚴謹的科學思維習慣；同時，期末考卷的考核方式，無法避免學生突擊性備考，導致學生對知識的掌握片段化、離散化，缺乏邏輯性和工程思維，這種缺乏過程監管的教學考核模式無法達到工程專業教育認證要求的以學生為中心，注重學習效果和個性化評定等指標，難以起到持續改進的教學目的。

二、“復合材料與工程專業實驗”教學改革方向

（一）挖掘思政元素，加強課程思政建設

任課教師應加強思政理論學習，積極參加課程思政的相關主題培訓，改進自身的思政教學方法，構思課程思政教學設計，深入挖掘思政元素，將其與實驗內容、教學方式有機地融合，貫穿于實驗教學的整體流程中。以課程內容作為載體，將服務社會、法治觀念、獨立思考、探索創新、誠實守信等觀念融入實驗教學中，使學生樹立正確的世界觀與人生觀［3-5］，從而有效推動復合材料專業實驗課程思政建設。

在晶體結構實驗中，在給學生講解典型化合物晶體結構之前，先介紹中國單晶材料的制備及應用情況，讓學生了解、體會中國科研工作者在單晶材料生長及應用方面取得的成就及在國際研究領域的地位，激發學生的自信心和科研探索熱情；在黏土結構與性能實驗開展之前，給學生介紹我國高嶺土的資源分布與開發現狀。很多化合物的中文命名都是根據國外的研究成果翻譯而來的，這也間接表明我國之前的科研狀況在世界上處于相對落后水平，然而，高嶺土的英文單詞（Kaolin）是為數不多的根據中文名稱（景德鎮高嶺村）音譯過來的。通過該案例激發學生對國家的熱愛之情，激勵學生努力學習，為國家社會主義建設貢獻自己的力量。

（二）整合線上教學資源，豐富實驗教學內容

隨著復合材料相關領域的技術發展，其制備工藝與檢測手段更新加速，所包含的理論、實踐知識也呈爆炸式增長，而教學學時卻沒有增加。在教學方式不創新的情況，很容易形成一對難以調和的矛盾。采用原有的教學形式，很難達到教學任務目標。引入線上教學資源不僅可以彌補教學時間不夠的不足，提高教學效率，使學生更好地利用課余時間，而且有利于在實驗內容上引入復合材料的生產制備前沿技術。

利用國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺、中國大學MOOC等多個平臺中兄弟院校已開發的與本專業相近的虛擬實驗、材料類實驗教學視頻進行實驗教學，提升了學生主動學習的意識、自學能力以及對大型設備的基本認知［6］。如利用“戰機復合材料構件制備與損傷修復虛擬仿真實驗”，使學生掌握樹脂基復合材料的樹脂傳遞模塑成型工藝及真空導流成型工藝；利用“碳納米管/高分子材料的制備、表征及熱性能分析”，使學生了解新型復合材料的制備與性能檢測技術。從已實踐的教學效果來看，學生的教學參與度得到了極大的提升，所提出的問題數量、質量、答題次數以及與教師的互動性均有較大幅度的提高，保證了線上教學與線下教學的課程實效性，也為以后的實驗教學開辟了新的教學方式與思路。

（三）增設自主研究型實驗項目，拓寬線下實驗操作空間

近年來，工程教育認證中以學生為中心的教學理念在復合材料與工程實驗教學過程中得到逐步體現，其中就包含了學生自主設定實驗方案、自主開展實驗內容等。增設自主實驗項目不僅調動了學生學習的積極性，而且培養了學生的科技創新能力和實踐動手技能。在新冠病毒感染期間，該實驗項目的實施并未受到較大影響，學生提出了“碳纖維復合高壓氧氣瓶的設計”“病房隔屋面板的設計”等緊跟時事的自主設計型的實驗項目，這期間學生深刻地感受到國家對人民生命財產的保護力度，激發了學習熱情，無形中形成了正確的價值追求、理想信念和家國情懷。同時，自主研究型實驗項目也包括一些趣味性、科普性的實驗項目，如“圣誕樹的生長——晶體生長的緣由”“果汁引爆氣球——原理探索”等，這些實驗的開展對于學生培養科研興趣與理性思維具有一定的積極作用。

（四）引入科研創新型實驗項目，舉辦實驗技能競賽

本著深入貫徹“科研引領教學”的課程改革思路［7］，將學院多項前沿課題引入實驗教學當中，并與相關課題負責人達成廣泛共識，從學院層面促使教學項目更新，進入常態化。科研項目進入實驗教學課堂，引入了一批創新型綜合實驗，如高分子基相變儲能材料的制備與性能研究、復合材料失效分析綜合實驗、材料化學成分逆向剖析實驗等，項目設置上以培養學生解決材料實際工程問題為出發點，提升了學生的實踐創新能力，也與智能制造背景下材料科研人才的培養方向一致。同時，為了提高實驗室利用率，通過對部分實驗項目進行科學分割，形成實驗微模塊和微項目，也增加了學生的動手機會。“復合材料與工程專業實驗”作為一門多學科交叉、多課程融合的實驗教學課程，能夠從多方位考查學生對理論知識的掌握程度、動手實操的熟練程度。舉辦材料實驗實踐創新大賽，以賽促學，不僅可以鍛煉學生的自主實驗能力、實踐動手能力，夯實學生的理論基礎［8-9］，而且通過設計比賽題目，可以有針對性地提高學生解決工程實際問題的能力。

（五）依托線上教學平臺，實施交互式教學模式

不論線上教學還是線下教學，抑或是線上線下混合式教學，堅持以學生為中心的主線，充分利用各種資源和手段提升學生的動手操作能力、自主思維能力以及解決工程實際問題能力。這就要求我們根據新的教學模式，規劃教學設計，更新教學內容，充分利用網絡教學平臺帶來的優勢，開展交互式教學，提高教師與學生在整個實驗教學過程中的參與度［10］。如一方面，學生可以利用新的師生互動方式、可重復觀看的學習條件，提前預習實驗，回答教師提出的問題并標記出自己的疑點，同時通過提前了解實驗中易出紕漏的地方，在一定程度上也可避免出現實驗安全事故；另一方面，教師根據學生的答題情況，在隨后的線下實驗教學過程中有的放矢，將實驗過程中的難點、重點講解清楚，推動學生自行開展實驗。線下實驗課程結束后，將實驗內容、實驗過程記錄、學生考核在線上運行，建立實時反饋環節，能夠補全“評價—反饋—改進”閉環中的后兩環，使得線上教學平臺為線下實驗教學提供良好的輔助。

結語

智能制造產業的高速發展，對人才需求的缺口將逐步擴大。本文以此作為出發點，探討了復合材料專業實驗的教學改革方向：積極開展課程思政，實現價值引領、知識傳授、能力培養的協同教學；整合線上教學資源，依托線上教學平臺實施交互式教學模式；增設科研創新型、自主研究型實驗項目；舉辦院級實驗競賽等。教學改革的實施有效提升了學生的工程實踐能力與創新思維能力，為同類型專業實驗課程的發展提供了借鑒。

參考文獻

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Exploration of Teaching Reform for Experimental Course for Materials Majors under the Background of Intelligent Manufacturing： Taking Composite Materials and Engineering Experiments as an Example

LIU Jie， Ruan Jie-ji

（College of Material Science and Engineering， Nanjing TECH University， Nanjing， Jiangsu

211816， China）

Abstract： Intelligent manufacturing is characterised by multidisciplinary intersection， combining mechanical， electrical， material and intelligent science， etc.， which has high requirements for the cultivation of comprehensive talents. Taking “composite materials and engineering experiments” as an example， this paper discusses the teaching reform path and method of experimental course of materials majors under the background of intelligent manufacturing. By strengthening the educational concept of curriculum ideology and politics， integrating online educational resources， setting up independent experimental projects， introducing scientific research and innovation projects， and implementing interactive teaching modes， the ideological education and value-led role of the experimental course has been strengthened， and the engineering practical ability， innovative thinking and comprehensive literacy of students have been effectively enhanced.

Key words： intelligent manufacturing; composite materials and engineering; experimental teaching reforms