中美高校工科專業培養模式差異探討

隨著全球科技的快速發展和經濟的深刻變革，工科教育面臨新的挑戰和機遇。對于部分工科院校材料方向的本科生而言，聚合物成型原理課程是工程力學專業材料方向的一門重要課程。其中的流變學部分作為力學學科的一個重要分支，模糊了流體與固體的界限，主要研究使用過程中結構發生變化的材料。

該課程實際上是將聚合物的變形過程抽象為數學模型的討論分析。對于力學專業學生而言，這門課程具有很強的實踐性，要求學生將流變學理論和實際加工過程緊密聯系起來，對學生運用力學思維解決加工過程中的實際問題具有重要意義。此外，流變學理論是聚合物材料先進制造過程中的關鍵理論，在人工智能廣泛滲透生產生活各個領域的大背景下，中美高校在該部分內容的教授和學生學習過程中的差異，也體現了兩國本科教學理念和實踐認知的不同。本研究旨在通過對比分析中美高校在該領域的教學方法、課程設置、實踐環節及學生評估等方面的差異，以點帶面，為國內該領域人才培養范式的調整優化提供借鑒，進而為我國工科教育改革提供參考。

一、教學改革的背景

近年，中國工程教育改革的步伐逐漸加快，力求與國際接軌，特別是在高等教育的課程設計、教學方法和評價體系等方面。與國際教育模式相比，國內的工程教育更加注重理論傳授，而國際上的工程教育則更強調實踐應用。例如，在聚合物加工流變學教學中，國外高校注重將實際工程問題與課程內容緊密結合，鼓勵學生通過實驗和項目學習掌握關鍵技能。

流變學擁有完備而復雜的理論體系，內容廣泛且具有顯著的多學科交叉特性，對教師和學生都提出了較高要求。教師不僅需要具備扎實的理論基礎，還要具備豐富的聚合物加工實踐經驗。學生則要具備較強的數學、物理基礎，以及聚合物相關知識背景。在教學中，教師應根據學生的工科背景和培養目標，對復雜的數學工具和力學公式進行邏輯清晰、結構嚴謹的講解，避免冗長的公式推導，重點闡釋結論的物理意義及其在聚合物加工中的應用。此外，教師還應注重流變學的實際應用，通過實例引導學生理解如何從流變學角度優化聚合物的分子設計、加工工藝、設備設計及材料性能，以增強其工程實踐能力。本研究結合中美高校在聚合物成型原理課程中的教學實踐，分享一些關于流變學教學改革的體會與思考。

二、中美高校工科專業人才培養模式對比分析

（一）教學理念對比分析

中國高校的工科教育往往側重于理論知識傳授，注重夯實學生的基礎知識體系，教學過程常以教師為中心，學生被動接受知識。此外，受限于教學資源，學生參與主動探究和實踐機會較少。以流變學中的“粘度”概念教學為例，國內教師通常強

基金項目：河南省國際化人才培養項目；鄭州大學教學改革研究與實踐重點項目“力學專業創新型人才中美合作培養模式研究與實踐探索”（編號：2022ZZUJG056）

作者簡介：王小峰（1982—），男，鄭州大學副教授，研究方向為聚合物材料加工與結構調控；韓文娟（1986—），女，鄭州大學講師，研究方向為功能性多孔材料；李倩（1962—），女，鄭州大學教授，研究方向為聚合物微納成型技術。

調“粘度”的定義為流體內部摩擦力的度量，體現流體流動的“厚度”或“稠度”，然后介紹剪切應力、剪切速率與粘度之間的關系，再結合直觀的示例和實際應用幫助學生理解。但受限于實驗場地和課時安排，實踐環節較為薄弱，導致學生對這一概念的掌握不夠深入，尤其是實際工程應用方面。

美國高校工科教育強調以學生為中心，倡導“通過實踐學習（learningbydoing）”。教師的角色更多的是引導者和促進者，鼓勵學生主動參與討論、實驗和項目合作，注重培養學生的批判性思維和解決問題的能力。例如，在流變學課程中，教師會安排學生使用旋轉粘度計或落球粘度計等設備親自測量液體粘度，指導學生記錄并分析數據，繪制粘度-剪切速率曲線并解釋其意義。此過程中，教師會強調數據的準確性和分析的重要性，并鼓勵學生在小組內討論他們的實驗結果、分享各自的觀察與見解，促進合作學習。教師還會進一步介紹粘度在食品、化妝品、制藥和材料科學等領域的應用，通過案例研究讓學生理解理論知識如何在實際工作中發揮作用。有些教師還會邀請行業專家在課堂上分享實際工作中遇到的流變學問題，以及如何解決這些問題，增強學生對理論聯系實際的理解。

綜上所述，教學中心有所不同，教學效果也不盡相同。雖然國內高校在教學方法和技巧上有所改進，但如何進一步以學生為中心，優化理論與實踐教學比例，仍是國內高校教師需要深入思考的問題。

（二）課程設置與教學方法對比分析

以鄭州大學的聚合物成型原理課程為例，該課程主要圍繞聚合物加工流變學的基本理論展開教學，內容包括流變學基礎、加工過程模擬、材料特性分析等。課程的教學目標旨在幫助學生理解流變學在聚合物加工中的實際應用。目前，國內該課程多采用傳統的講授式教學模式，教師在課堂上承擔主要的知識傳遞任務，學生則主要通過聽講和記筆記的方式來獲取知識，互動和討論的機會相對有限。由于課程內容理論性較強，實踐環節相對不足，這導致學生實際操作的能力有所欠缺。聚合物加工流變學的實驗教學時間相對有限，許多實驗過程是按照預設步驟進行的，缺乏創新性和靈活性。學生主要在實驗室完成一些基礎性實驗，難以將理論知識有效轉化為實踐技能。目前的評估方式仍以期末考試為主，側重考查學生對知識的記憶和理解。這樣的評估方式往往無法全面反映學生的實際能力，特別是在實踐能力和創新思維方面的評估存在明顯不足。

相比之下，美國高校的聚合物流變學課程則呈現出較高的靈活性與多樣性。以威斯康辛大學為例，其聚合物加工原理課程不僅涵蓋流變學的基本理論，還深度融人大量實際工程案例。課程設計注重實踐性，要求學生通過實驗、項目以及與行業的合作來深化對知識的理解。課程的教學目標在于培養學生將理論知識靈活應用于實際問題解決的能力。普遍采用多樣化的教學方法，如案例教學、項目式學習和團隊合作等。在課堂上，學生被鼓勵參與討論和進行小組合作，教師通過引導性問題激發學生的探索興趣，使學習變得更加生動有趣。此外，實踐教學占據重要地位。以威斯康辛大學為例，學生不僅要參與實驗室研究，還要參與真實的工程項目實踐，培養解決實際工程問題的能力。這種實踐模式不僅提高了學生的動手能力，也增強了他們的團隊合作意識。在評估方面，采用多樣化的評估方式，包括平時表現、小組項目、實驗報告等。通過這種綜合評估，學生的實踐能力和團隊合作精神得到了更好的體現，有助于提升綜合素質。

以剪切速率這一基本概念的教學設計為例，中美高校在講授剪切速率時都重視基礎理論與應用結合，但在教學深度、課堂互動及應用拓展方面有所不同。美國高校更注重通過互動式教學和實際應用引導學生理解剪切速率的應用意義，而中國高校則更偏向于系統化的理論推導和公式理解。這些差異反映了兩國教學風格的不同，也為學生提供了多元化的學習體驗。

三、教學改革的建議

（一）增強實踐和互動教學

中國高校在教學改革過程中，應借鑒美國高校所倡導的項目式學習和案例教學法，加大實踐教學資源的投入力度，合理增加實踐環節在整個教學體系中所占的比例。例如，結合課程教學內容，設計更多的實際工程項目，讓學生在具體的學習實踐中理解和應用理論知識。通過加強實踐教學環節，充分發揮學生的主觀能動性，逐步培養學生形成自主學習、自主實踐、自我驅動的學習模式，進而提升教學效果。

在教學過程中，課程團隊將課堂搬到實驗室，組織學生親身體驗多種聚合物加工方法，如對比注塑、擠出、熱壓等，引導學生觀察對比分析各種成型加工方式所制作產品幾何結構的差異，進而向他們介紹壓力驅動流動的特點。同時，結合溫度、壓力和時間等重要加工要素的現場講解，配合實際加工過程，使學生仿佛置身于真實的生產場景之中，通過“眼耳鼻手”等全方位感官體驗，強化學生對聚合物加工場景的特點認知，提升理論學習的效果。

同時，課程團隊借助人工智能（AI）輔助工具，如智能問答機器人，讓學生能夠在課堂上實時提問，實現AI快速解答，隨后教師再進行現場點評，從而提升教學互動性。另外，利用AI生成的如材料配方優化或流變性改進等問題案例，鼓勵學生團隊合作和深度討論，激發創新思維。通過AI賦能啟發式教學，實現學生學習體驗個性化和課堂互動創新化。這種模式不僅強化了理論與實踐的結合，還培養了學生的自主學習能力與創新意識。

與此同時，課程團隊還通過課外認知實習活動，讓學生深入生產一線，實地了解粘度、溫度等關鍵參數在線監測及其對實際生產的指導意義，進一步深化學生對聚合物成型原理課程重要性的認識。經過實踐教學活動的強化，學生對各知識點的理解更加深入，進一步夯實了聚合物材料加工的基本理論體系，實現了從理論到實踐的有機結合。

（二）推動評估方式的多樣化

中國高校在評估方式上應進行改革，除了傳統的期末考試，還可以引入項目報告、實驗表現等多元化的評估方式，以全面、客觀地衡量學生的能力發展。調動多樣化的評價方式，培養學生“萬物皆流”的概念，將流變學的思想根植于學生內心。

在課程評估方式方面，課程團隊以課程大作業的形式，將學生分為若干小組，讓各組尋找自己身邊流變學的經典案例，并分析其背后的理論基礎。學生通過作業深入理解剪切增稠、剪切稀化、蠕變、應力松弛等概念。借助翻轉課堂，讓學生走上講臺，從教師視角體驗理論教學過程，在組織教學、實施教學、教學反饋等環節中，全方位提升其學習強度，強化理論體系構建。另外，結合簡單的課外小實驗，例如，礦泉水瓶材料遇熱水收縮，聚乳酸材料的3D打印模型構造、橡皮泥球的跌落實驗等，通過實驗設計和結果分析，增強學生的參與感和好奇感，通過參與度評價學生的學習態度與能力。這些評估方式的調整，能全方位調動學生的學習積極性，培養其探索精神，實現從實踐到理論的二次升華。

（三）加強國際合作

積極開展與國外高校的交流與合作，引進先進的教學理念和課程資源，促進中外高校在工科教育領域的共同發展。通過國際合作，從教學理念引進、課程內容優化、實踐平臺建設、評估方式改進和學生交流拓展等多個方面，顯著提升聚合物成型原理課程的教學質量。這不僅有助于學生更好地理解和應用流變學理論，還能培養他們的國際視野和創新能力，為未來的職業發展奠定堅實基礎。

在這一方面，課程團隊充分依托學院建設的國家國際科技合作基地，加強與美國威斯康辛大學等相關高校的交流合作。通過教師交流互訪、聯合開展科研合作等方式，全面探索提升教學質量的方法。在國內課堂上，特別是重點知識點和教學實踐環節，以課程講座等形式直接引人國外高校教學內容，讓學生感受兩種不同教學模式的異同，兼收并蓄，強化教學效果。

近年，課程團隊所在單位還探索通過暑期學校的形式，邀請海外知名專家學者為本科生開設暑期課程，通過1至2周的集中強化英語或雙語授課學習，加強學生對聚合物加工相關基礎知識的理解。例如，外方教師向學生對比分析了“模具”所對應的各個英文單詞，如“Mold”多用于注塑成型、吹塑成型等，“Die”多用于塑料擠出模具及金屬加工，“Pattern”則多用于砂型鑄造等領域。這種對英文術語的學習反向提升了學生對相關加工原理知識的理解。另外，課程團隊在課程教學中，對比分析了威斯康辛大學和鄭州大學畢業生的課程反饋意見，對教學內容、教學重點進行微調，使課程體系更加與國際接軌，不斷強化學生的國際視野和知識積累，提升他們在跨國企業或國際化中企的就業競爭力。

四、結語

總體而言，中美大學在工科專業的培養模式上各具特色，教學范式的差異更多反映的是中外教學理念的差異。聚合物加工成型從理論到實踐，國內外教學實質并沒有很大的區別。通過聚合物加工流變學教學實踐的對比分析，可以看出國內高校在改革過程中應更加注重實踐性和創新性的提升。在未來人工智能深度介人教學過程的大背景下，教學改革創新仍有巨大潛力可挖。通過借鑒國內外高校教學過程的成功經驗，可以為我國工科教育的未來發展提供全新的視角和思路。

參考文獻：

[1]陶勇，王新，胡海青.針對工科專業的聚合物材料流變學教學實踐和體會[J].聚合物通報，2022（2）.

[2]趙麗芬，劉欣.聚合物流變學教學中的幾點體會[J].高分子通報，2012（12）.

[3]李真珍，胡更開.工程科學教育中的力學：以法國工程師教育為例[J].力學與實踐，2022（3）.

責編：應圖