國防特色專業背景下高分子失效課程改革理念

摘 "要：高分子材料發展向高性能、高功能、智能化及綠色化趨勢加速演進，對特定服役條件下高分子材料失效分析的研究和應用提出迫切需求，然而國內外高校高分子材料與工程專業課程設置對高分子材料失效理論重視不夠，對學生面向工程化需求的實踐能力培養不足。西北工業大學高分子材料與工程專業開設高分子失效課程，以“三航”（航空、航天、航海）為應用背景，構建“價值塑造-知識傳授-能力培養-實踐創新”四位一體教學模式，厚植學生“為國鑄劍”的家國情懷，有效提升知識遷移、創新實踐和工程應用能力，對培養卓越工程師等復合型創新人才，促進高分子材料行業高質量發展具有重要意義。

關鍵詞：人才培養；高分子科學與工程；高分子失效；國防特色；課程改革

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）08-0025-04

Abstract： The research and development of polymer materials has accelerated to the trend of high performance， high function， intelligence and greening， which puts forward an urgent demand for the research and application of polymer material failure analysis under specific service conditions. However， the curriculum of polymer materials and engineering majors at home and abroad does not pay enough attention to the failure theory of polymer materials， and fails to train students' practical ability to meet the needs of engineering. The specialty of polymer materials and Engineering of Northwestern Polytechnical University specially offers the course \"Polymer Failure\". With the application background of aviation， aerospace and navigation， the four-part teaching model of \"value shaping - knowledge imparts - ability training - practice and innovation\" has been built to cultivate students' patriotism. Effectively improving the ability of knowledge transfer， innovation practice and engineering application is of great significance to cultivate composite innovative talents such as \"excellent engineers\"， and promote the high-quality development of the polymer material industry.

Keywords： cultivation of talents; polymer science and engineering; polymer failure; national defense specialty; curriculum reform

高分子材料與工程是材料學與軟物質科學交叉融合的前沿研究方向，在航空、航天、航海、智能制造、信息技術、新能源、生命科學、健康與醫療等領域具有重要價值[1-3]。近年來，高分子材料向高性能、高功能、智能化及綠色化趨勢加速演進，對特定服役條件下高分子材料失效分析的研究和應用提出了迫切需求。當前，國內外高校高分子材料與工程專業課程設置，大多以傳統的高分子物理與化學為主要教學內容[4-5]，對高分子材料失效理論的傳授重視不夠，對學生面向工程化需求的實踐能力培養不足，與高分子材料行業發展需求有所脫節。

高分子材料與工程專業重點培養在高分子材料及其復合材料合成、制備、改性和加工成型等領域，從事科學研究、技術開發、工藝和設備設計、生產及經營管理等方面工作的工程技術人才[6-7]。國防特色高校秉持“鑄國之重器、育國之棟梁”的立校之本，在服務國家重大戰略，積極培育和發展新質生產力、形成新質戰斗力方面具有特殊重要使命[8-10]。面對高分子材料行業人才培養需求，西北工業大學高分子材料與工程專業專門開設高分子失效課程，以“三航”（航空、航天、航海）為應用背景，構建了“價值塑造-知識傳授-能力培養-實踐創新”四位一體教學模式，厚植學生“為國鑄劍”的家國情懷，有效提升知識遷移和工程應用能力，培養了一批高分子材料領域的復合型創新人才[11]。

一 "高分子失效課程建設目標與教學重點設計

（一） "高分子失效課程建設歷史和基本情況

西北工業大學在推進《一流本科人才培養行動計劃》時，將一流課程建設視為關鍵任務，這一決策充分體現了學校對于高等教育質量提升和人才培養的高度重視。一流課程建設不僅是教學內容和方法的革新，更是教育理念、培養目標與時代需求深度融合的體現。西北工業大學通過推進一流課程建設這一關鍵任務，旨在全面提升本科人才培養質量，培養更多具有家國情懷、追求卓越、引領未來的領軍人才，為國家和社會的發展貢獻智慧和力量。

高分子失效課程是高分子材料與工程相關專業的核心課程，為強化學生對高分子材料高素質領軍創新人才培養的支撐作用，通過理論教學結合典型失效實驗開展了線上、線下混合式課程建設探索，通過將高分子材料的典型工程應用案例與課程思政元素相關聯，結合高分子失效分析實驗和現代分析測試技術，并利用翻轉課堂、研討式教學、啟發式教學等先進教學方法進行了混合式教學改革探索，有效拓展了課程的深度和廣度，提升了課程高階性、創新性和挑戰度，取得了良好的教學效果。

（二） "高分子失效課程建設目標

高分子失效課程以高分子材料力學性能為基礎，系統講解高分子材料的主要失效機理及分析方法，并結合斷裂參數的理論背景及其在工程應用中的情況，闡述高分子材料工程應用、服役情況及失效機制，培養學生具備強烈社會責任感、堅實理論基礎和綜合實踐素養，具體見表1。

（三） "高分子失效課程教學重點

一是加強理想信念教育，增強服務國家重大戰略的使命感與責任感。發掘高分子失效分析與學生價值塑造相關案例，建立高分子失效典型案例分析方法，培養具有堅實的高分子材料與工程專業理論基礎與實踐經驗的綜合型科技人才，培養學生材料報國的遠大志向。

二是提高實踐教學比重，引導學生深刻理解高分子失效機理和方法。傳統高分子專業側重于工程塑料的加工及其復合材料性能表征，忽視了現代分析測試方法對高分子材料失效分析促進作用。因此，需要強化專業理論知識與實踐能力的結合，將高分子材料性能測試、斷裂力學、現代分析方法等融入高分子失效理論課程的相關章節。在高分子失效理論知識的基礎上，運用成分分析、熱分析、裂解分析、斷口分析及其他物理性能分析等，設計一系列由于高分子材料斷裂、老化、裂紋等引起失效的實踐教學與理論教學知識點相呼應，讓學生掌握高分子材料應用—失效檢測—分析測試—報告等系統的失效研究過程，深刻理解高分子失效的機理和方法。

三是強化工程案例應用，培養學生關注行業痛點、解決實際問題的意識和能力。工程應用教學是促進創新創業的有效策略。國內外高校高分子科學與工程專業設計多集中在傳統的高分子物理與化學的教學內容，而對高分子失效方面涉及較少。由于課程的缺乏和課時的限制，高分子專業的學生開展科研與工程應用實踐嚴重不足，相關教材嚴重缺乏。因此，需要結合基礎理論知識和材料科技前沿將典型高分子工程應用引入到課程體系，發掘高分子材料學科的相關科研項目和工程應用案例，通過失效分析提高高分子工程部件的設計和產品質量。

二 "高分子失效課程教學理念與模式構建

高分子失效課程不僅借鑒了國內、外本科人才培養的先進理念和模式，而且結合西北工業大學工科背景和國防應用特色高分子材料與工程專業培訓的特色，以學生為中心，在解決實際問題的基礎上強調科學研究的態度和方法，利用翻轉課堂、研討式教學、案例學習等多種教學方法打造學習共同體。通過本課程學習，學生對高分子失效的基本原理與模式有了全面、系統的認識，為日后繼續深造、從事高分子方面的教學、科研與開發工作打下堅實的基礎。

本課程在教學模式構建中，遵循理論與實踐并重的基本理念，注重將理論教學與案例教學相結合，理論教學與實驗教學相結合，緊扣課程目標和教學重點，推動“價值塑造-知識傳授-能力培養-實踐創新”四位一體循環貫通，全方位提升學生情感、價值、知識、技能多維度綜合素養（圖1）。

圖1 "高分子失效課程“四位一體”教學模式

在教學過程中，首先介紹高分子降解和失效的區別，高分子失效基本概念，環境溫度和應力速率對高分子斷裂失效的影響，裂紋擴展和斷裂概念，高分子失效的分析測試方法。結合西北工業大學國防特色背景，深刻理解高分子工程部件在測試和使用中的失效模式和失效分析，構建新的課程內容體系。

其次，著重介紹高分子彈塑性斷裂力學和蠕變，講述材料斷裂韌性測試的標準和基本方法，進一步開展斷裂韌性測試應用。通過將高分子材料測試、斷裂力學、現代分析方法等融入高分子失效課程內容，使學生深入理解高分子失效檢測與分析方法。激發學生對高分子材料應用過程中可能產生問題的思考，培養學生認識和掌握從高分子工程部件設計到失效分析手段的綜合能力。

最后，通過高分子失效分析加強專業理論知識與實踐能力的綜合素質，主要包括典型高分子材料的紫外輻照降解實驗、疲勞失效實驗、高溫條件下應力應變行為及斷裂實驗，構建出完整的專業知識體系與科研素養，使學生全面深刻地理解高分子材料失效分析。

在實踐教學中借鑒西北工業大學與其他高校高分子材料學科的相關實踐課程，充分利用學校共享平臺資源。本課程將西北工業大學典型高分子材料工程應用案例引入高分子材料失效檢測和分析，激發學生的學習熱情和興趣，提高本課程課堂教學的吸引力，促進能力培養、知識傳授與價值塑造齊頭并進。學生以團隊形式開展實驗操作并完成特定命題的失效分析，培養學生的思辨能力，發現問題、分析問題和解決問題的能力，以及實踐動手能力。利用高分子材料服役條件的區別，“人為”引入變量而使結果出現差異，引導學生通過觀察現象，回憶理論課知識點，解釋失效分析的根源，加深對理論課知識點的活學活用。同時，引導學生對實驗中的理論知識進行講解，培養其進行學術匯報和演講的能力，通過高分子材料在“三航”中的應用案例，培養學生材料報國的家國情懷。

三 "高分子失效課程教學思路與方法創新

（一） "通過“斷裂韌性實驗測試”深化理論理解透徹度

高分子失效課程綜合了化學、材料、力學和工程學等交叉學科的內容，課程理論教學主要包括：高分子失效基本概念和方式、檢測方法、裂紋擴展力的斷裂力學概念、應變能釋放率、裂紋尖端應力、應力強度因子、彈塑性斷裂力學和斷裂能，以及裂紋尖端應力與環境因素的相互作用，可能導致這種失效模式的環境條件，蠕變和應力松弛等重要失效模式。授課過程中，介紹高分子失效基本概念和分析方法、溫度和應力速率對失效的影響、裂紋擴展和斷裂概念；高分子彈塑性斷裂力學和蠕變，講述材料斷裂韌性測試的實驗標準和基本方法，進一步開展斷裂韌性測試應用。通過將高分子材料測試、斷裂力學、現代分析方法等融入高分子失效配套的實驗課程，使學生深入掌握高分子失效檢測與分析方法。運用成分分析（光譜、X射線衍射）、熱分析（差示掃描量熱法、熱重分析）、裂解分析（色譜分析）、斷口分析（掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀）及其他物理性能分析（萬能試驗機）等方法進行高分子失效分析。使學生能夠通過理論結合實踐深刻理解高分子材料降解以及由于老化、裂紋、應力腐蝕和蠕變等導致的高分子失效，了解高分子材料失效的主要機理和分析方法。針對高分子材料的斷裂韌性實驗測試，讓學生進行斷裂韌性實驗標準—試樣設計制備方法—結果分析—測試方法在工程和新材料的應用的系統性學習，將專業知識、工程應用與材料科技前沿相結合，使學生能構建出完整的專業知識體系，系統提升科研素養，對材料測試領域具有全面深刻的理解。

（二） "通過“高分子材料失效分析實踐”增強解決工程問題成熟度

設計一個聚合物彈性體，測試不同應變速率與應力的變化曲線，分析斷口形貌和斷裂機理。設計一個聚合物材料具有最小應力集中因子的“T”字形零件，通過長、寬、厚及上部與下部寬度比例實現聚合物零件更高斷裂強度和穩定性，測試應力應變曲線，并分析斷口形貌和斷裂機理，了解不同材料應力集中因子的大小區別與影響因素。設計一個聚合物彈性體中尖銳裂紋引起斷裂測試實驗，研究聚合物材料線彈性斷裂機理，進一步通過應力集中因子（Kc）或能量釋放率（Gc）作為判據分析聚合物斷裂理論。通過高分子失效課程體系制定實驗方案、開展實驗、分析和評估實驗結果，使學生熟悉高分子材料與力學實驗、測試及分析設備，在保證安全的前提下進行操作，進一步檢索、收集、篩選數據，準備科學和技術報告，獲得具備高分子材料及相關領域科學研究、技術開發等方面的能力。讓學生準確地了解高分子及其復合材料失效的主要機理和分析方法，通過分析和驗證來模擬重現失效的現象，探索高分子產品失效的根本原因，綜合運用相關知識與技術解決理論和實際問題。

（三） "通過“高分子材料失效分析典型案例講解”提升價值引領實效性

結合高分子材料學科的相關科研項目和工程應用案例，建立高分子失效在“三航”領域應用中典型案例和失效分析方法，加深對理論課知識點的活學活用。將典型高分子工程部件失效分析課程知識點與國家重大工程以及典型人物事跡有機結合，將高分子材料應力-應變過程不屈服的價值塑造相結合，激發學生的學習熱情和興趣。通過實驗測試的應用背景，結合課堂教學以及大型試驗的攻關工程，使學生能夠深刻領悟“總師育人文化”“西工大現象”，對國家大飛機攻關歷程產生切實感受。隨著我國航天事業的發展，中國科技工作者經過一段漫長的自主創新、艱苦奮斗的探索歷程，高分子材料航天科技與工程方面有廣泛應用，以此為基礎使學生對材料應用及失效分析有更深理解，自覺傳承和弘揚科學家精神，“熱愛祖國、無私奉獻，自力更生、艱苦奮斗，大力協同、勇于登攀”的“兩彈一星”精神。同時，利用課上、課外以及新媒體多維載體等多樣化教學方式，將課程知識點與國家重大工程以及人物事跡有機結合，強化價值引領。

（四） "通過“全流程全方位全要素學習共同體建設”激發自主學習驅動力

借鑒翻轉課堂、研討式教學、案例學習等多種教學方法打造學習共同體。重視學生對高分子材料基礎知識的掌握，關注當前高分子材料發展迅速的領域和研究熱點，通過最新研究進展的剖析和啟發式、討論式、探究式教學方法的引入，激發學生對前沿科學和工程應用的興趣，使其加深對理論課堂知識點的領會和理解，從中歸納、總結出一般性的結論或原理，訓練辯證思維能力。學生通過查閱材料、閱讀書籍等方式按照指定題目進行小組研討并準備PPT，并在課堂演講和討論，將被動學習轉化為主動學習。課程考核評價方式將采取“平時成績+課堂報告+團隊意識+學期末考試”的綜合評價方式，要求學生認真學習基本理論知識，積極回答問題并參與課堂討論，參與小組研討并進行專題演講，按照指定專題完成失效分析報告撰寫，并參加期末考試獲得最終成績。具體占比采用如下公式：學期成績=平時成績（10%）+課堂報告（10%）+失效分析報告（10%）+期中考試（20%）+學期末考試（50%）。

四 "結束語

通過高分子材料在“三航”領域的工程應用及失效典型案例強化特色理論教學與實踐，將思政教育融入專業教育環節，切實提升學生的專業知識水平與實踐技能，并培養學生材料報國的情懷與精神。在高分子失效理論知識的基礎上設計高分子失效檢測和分析方法，使學生對高分子失效的基本原理與模式有全面、系統的認識，了解服役條件下高分子材料性質與失效之間的關系規律。在高分子材料力學性能研究基礎上，引入高分子在航空、航天、航海、智能制造和信息等高新技術產業應用的最新成果，有助于學生深入了解高分子材料在“三航”領域的工程應用，提升學生專業水平、增強社會責任感和民族自豪感，培養一批卓越工程師等復合型創新人才，為推動我國高分子材料行業的高質量發展奠定堅實基礎。總之，西北工業大學高分子失效課程及其教學模式，不僅符合高分子材料學科發展的潮流，也滿足了國家對于高素質工程技術人才的需求。同時，這一教學模式也為其他高校在課程改革和人才培養方面提供了有益借鑒。

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