基于SC-CDIO理念材料專業綜合實驗改革

張小博

(燕京理工學院，河北 三河 065201)

材料學科是實踐性很強的一門學科，專業實驗是高分子材料與工程專業教學體系中的重要環節，然而長期以來，教學環節中對實驗教學的重視程度與對理論教學的重視程度并不相稱。一般認為，實驗教學是理論教學的輔助教學部分，在應用型人才培養趨勢下，傳統的實驗教學模式已不能滿足綜合素質人才的培養要求[1-2]。因此，專業綜合實驗教學必須轉變理念，重新認識實驗教學在人才培養中的重要地位，在夯實專業綜合實驗基本技能的基礎上,加強綜合性、設計性實驗，實施自主式開放式專業實驗教學模式，強調培養學生的創新和創造性思維的能力。

CDIO工程教育模式是以構思、設計、實施和運作全過程作為載體達到培養學生的工程能力的目標，其理念包含了學生的工程系統構思、終身學習和團隊合作等方面的能力，是工程專業進行評估的重要依據之一[3-4]。將CDIO工程理念融入材料專業綜合實驗，形成基于SC-CDIO工程能力的課程新體系，并在實踐教學中，以項目驅動的方式優化實驗課程內容，使人才培養質量不斷提高，滿足地方經濟和社會發展的需要。

1 構建專業實驗教學體系的基本思路

以專業教育教學思想和觀念為基礎，遵循教育教學規律，適應社會發展趨勢，堅持以學生為中心的教育理念和以培養學生能力為核心的教學觀念，促進學生自主全面發展，培養學生學會思考、學會學習、學會創新，構建一體化、兩模塊、三層次的專業綜合實驗教學體系。

(1)“一體化”綜合實驗教學體系的構建，即是要打破實驗課程依附各理論課程(如高分子化學、高分子物理和高分子加工成型)的現狀，將實驗操作技能和各理論課程中的核心知識點相融合，以材料組成、制備工藝、加工和性能為實施主線，加強課程間的聯系，科學規劃課程實驗體系，有效體現綜合實驗的先進性、綜合性、開放性和創新性的特點。

(2)通過設置不同模塊，旨在培養學生的實際操作技能和理論聯系實際的能力，以及學生實踐和創新的能力，促使學生從理論課程向工程實際綜合的轉化，從知識積累向綜合能力的轉化。材料專業綜合實驗依據實驗內容和能力培養分成兩個模塊，分別為：

1)材料設計合成與加工模塊。材料設計合成與加工實驗模塊主要是涉及到材料的結構設計和制備工藝以及生產加工方式的選擇等實驗內容，目的是讓學生掌握材料結構微觀與宏觀間的關系，以及材料的合成、加工等方面的實驗操作能力。

2)材料性能測試和數據分析模塊。材料性能測試和數據分析實驗模塊主要是涉及到材料結構的觀察分析和各種性能的測試，以及測試結果數據的分析等方面的實驗內容，目的是培養學生在材料的微觀結構分析表征，力學性能、工藝性能等檢測方面的實驗能力和對實驗結果數據分析判斷等方面的實驗能力。

(3)依據綜合實驗教學目標設置不同層次的實驗課程教學體系，構建“基礎-綜合-創新”三層次實踐教學體系。其中，基礎性實驗占20%，綜合性和設計性實驗占40%，開放性和創新性實驗占40%。各層次之間統籌協調設置相應的實驗項目，形成實驗內容與理論教學相輔相成且系統而完整的實驗教學體系。

1)基礎層?；A實驗項目主要目的是夯實理論知識基礎和實驗操作技能，加深學生對相關定律、定理和基本概念理論的理解和學習，并掌握材料制備和測試的基本實驗操作方法?；A實驗項目要緊跟現代材料科學的發展前沿，實驗項目和內容應不斷更新發展以保持實驗教學的先進性。

2)綜合層。綜合性和設計性實驗項目主要目的是提高學生獨立研究的能力，同時深化和拓展理論教學的知識內容，綜合性實驗項目的設置通過學生查閱資料設計實驗方案、選擇實驗設備和材料完成實驗，綜合性和設計性實驗項目是在基礎實驗的基礎上培養學生的綜合分析能力，使學生綜合能力得到提高[5]。

3)創新層。開放性和創新性實驗項目注重興趣驅動、自主實驗，重在過程，對學生主體精神，研究、創新意識和團隊合作等進行全方位培養。實驗項目選題中應引導學生充分發揮自身的學習興趣和主動性，培養學生運用材料專業理論、知識、技能，進行設計、實踐和解決某一實際問題的綜合能力，使學生具備良好的綜合實踐和創新能力。

2 設置“一體化”實驗教學內容

2.1 傳統實驗教學模式的缺陷

傳統專業實驗教學以驗證性實驗為主，歸納起來，目前主要有三種：1)材料合成改性，2)材料性能測試，3)材料加工成型；內容和形式上都主要是附屬于相應理論課程，各課程內容之間缺乏相關性，表現為各自為戰，未能形成一個有機整體，無法體現專業實驗課程自身系統性的特點。實驗教學內容中以認知性、驗證性實驗為主，綜合性、設計性、自主性和開放創新性實驗比例較小，教學過程中學生只需按步操作，缺乏主動、獨立地去思考問題、分析問題、解決問題的過程，這不利于培養學生的工程理念，個性化思維和創新能力[6]。

2.2 基于SC-CDIO模式實驗內容的改革

基于SC-CDIO大綱能力要求，圍繞完善學生知識體系、提高學生綜合素質為目標對綜合實驗內容進行改革，構建成較為完整、有利于培養學生實踐能力與創新能力的多層次遞進的實踐教學新體系，培養提高學生的實踐能力和創新意識。在基礎實驗階段，設置了醋酸乙烯酯的制備、聚甲基丙烯酸及其酯的制備、聚苯乙烯的制備等，讓學生對同一單體利用不同合成方法制備不同性能的材料并加工成型。如聚甲基丙烯酸及其酯的制備實驗中，學生可以選擇本體聚合、乳液聚合等方式制備有機玻璃、涂料和吸水性材料等，加工中采用壓模固化、注塑成型和發泡成型等制備產品。通過一體化的從制備和加工的學習，學生能對如塑料和橡膠等材料的合成有較深刻的了解和體會，更有效了解成型模具和設備的結構和加工方式方法。在完成制備和加工模塊后，設置了材料測試模塊，在材料的性能測試中涉及力學性能測試(拉伸強度、斷裂伸長率、沖擊強度等)、耐熱性能測試(熱變形溫度、維卡軟化點等)、電性能測試(電阻率、介電損耗等)、老化性能和流變性能等。學生通過對制備的樣品試樣進行相應性能的檢測，了解各種材料測試的方法和原理。在綜合實驗階段，設置了如聚氨酯材料、環氧樹脂材料等涉及熱塑性和熱固性樹脂的不同實驗，學生通過選擇不同改性劑提高其相關性能，并通過不同加工成型方式加工成型。此類實驗使學生能夠深入理解高分子材料結構及組成、常用助劑的作用原理和選用原則，成型工藝對材料性能的影響，不僅鞏固了基礎理論和基本實驗技能，還培養了學生綜合分析問題能力。在創新性實驗中，由學生進行自選課題方向，通過查閱資料提出研究方向和創新點，并提出可行性的實驗方案，目前已形成可降解材料、彈性密封材料、相變材料等十幾個研究項目。其中，部分研究項目參加了”中國大學生高分子材料創新創業大賽”、“中國大學挑戰杯”等比賽，取得了優異成績。創新性實驗的合理選題和成功實施能大大提高學生參與實驗活動的積極性、主動性和創新性，并借此平臺使學生了解當前材料科學的研究趨勢和前沿，開拓學生的視野。

3 建立階段性實施和過程性評價體系

3.1 階段性實施過程

在綜合實驗項目實施過程中，采取分組合作方式進行，每組成員在3～5人左右，分組采用自愿、隨機指定和男女生混合編組的方式，這種分組方式目的是提高學生間相互合作的能力，避免好學生樂于要，差學生沒人要和一人做，其余人看的現象。項目實施過程中，主要分成以下幾個階段進行：

1)項目前期調研和分析階段：該階段要求學生通過收集和閱讀相關文獻，進行小組討論，最終確定選題方向，明確項目要求和指標，并對項目進行合理分工和安排。本階段完成后，每個小組需提交項目可行性報告。

2)項目整體設計階段：該階段要求每個小組根據文獻資料和設計指標要求設計出實驗項目的實施步驟、正交或單因素實驗表，在本階段需和教師進行研討項目設計過程的合理性。本階段完成后，每個小組需要提交項目整體實施報告。

3)項目實施階段：該階段要求每個小組按照設計階段的設計步驟進行具體實驗過程，在實驗過程中要定期與指導教師進行交流，對實驗過程中出現的各種問題進行討論，不斷調整和優化實驗體系，同時通過交流也方便教師隨時掌握各個小組的進展情況。本階段完成后，每個小組需要提交項目研究報告。

4)項目驗收和交流階段：該階段要求每個小組依次與指導教師交流進行項目驗收，驗收的依據主要是最終產品與設計指標的相符性，創新性和組內成員的合作等方面，最后，開展不同小組的交流匯報，使學生通過相互間的學習和借鑒，進一步找出各自的不足并加以提高。

3.2 過程性評價體系

綜合實驗課程開設形式多樣，不同層次的實驗，不能一概而論，如何對給每個學生進行客觀公正的評價，需要建立強調知識目標、技能目標、素質目標的過程性考核體系?；A性實驗主要考核的是學生的基本理論和實驗操作能力，可采用操作能力和實驗報告的方式進行考核；綜合性實驗主要考核對理論和實驗技能綜合應用的能力，可采用對設計方案的合理性，實驗操作的規范性和結果分析可靠性等進行綜合評價；創新性實驗重點考察學生從事科研創新的能力，主要考核文獻查閱、方案設計、材料制備、性能測試和數據處理等5個方面的綜合能力，可通過學生撰寫科技論文和答辯的方式進行考核。學生的最終實驗成績依據三層次項目的權重計算得到總分即為學生的最終綜合實驗成績。

4 結論

材料專業的綜合實驗課程作為學生實踐環節中的重要一環，最終的目的是要培養學生具有扎實的實驗操作技能，理論與實踐結合的能力和創新性思維意識等方面的全面發展。目前，燕京理工學院在材料專業綜合實驗教學中采用SC-CDIO模式，切實增強了學生工程實踐能力，提高了學生解決實際問題能力和團結合作的能力，養成了良好的工程素質，取得了一定的教學效果。這必將對深化應用型人才教育教學改革發揮重要作用。