地方院校科研成果转化为实验项目的教学实践①

龚新怀，吴以校，赵瑨云，陈良壁

(1．武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300;2．华侨大学材料科学与工程学院，福建 厦门 361021)

地方本科院校是我国高等教育的重要组成部分，发展目标多定位于地方性、应用型本科院校，培养专业基础扎实、实践创新能力强的高级应用型人才。［1］实践教学是应用型人才培养体系的重要组成部分，而实践教学的主体部分是实验教学，通过实验教学，帮助学生构建理论和实际的桥梁，提高实践操作能力，培养创新意识和精神。［2］

但长期以来在地方院校中，对实验教学的内容和作用认识不足，过度依赖理论教学，对实验教学的重视长期不足，以至没有充分发挥实验教学对学生实践和创新能力的培养作用。［3］主要表现在实验教学内容相对于社会产业发展的陈旧与滞后，实验类型比较单一，并且多以认知性、验证性实验为主，而能培养学生实践、创新能力的综合性、设计性、创新性实验比例偏少，且教学模式不合时宜，学生只需按教师指导的过程按部就班等，不能有效提高学生的学习兴趣和对应用型人才的培养作用，教学效果大打折扣。

因此推进实验教学改革刻不容缓，通过在实验教学中引入教师科研成果，丰富实验教学内容，并将科研方法转化成教学手段，充分发挥科研对教学的促进和教科研的互动作用，是提高学生创新思维和能力的有效方法。［4－5］一方面教师科研项目多来源于生产实际，提高了学生的学习兴趣和积极性，并引导学生较早接触项目研究，有利于培养学生实际操作能力和创新能力;同时教师科研项目多转化为综合性、设计性实验教学内容，从教学实施上保证了学

生综合实践能力的培养。现就福建省科技厅重点项目“闽北竹木废弃物的综合利用”的研究方向之一:“木塑复合材料的制备与性能测试”，转化为高分子材料与工程专业的综合性实验项目报告如下。

1 木塑复合材料的发展概况

1.1 木塑复合材料简介

木塑复合材料 (WPC)是以木纤维或其他植物纤维，经一定处理后，与热塑性塑料等，经挤出、注塑或压制等成型工艺制成的，一种可循环利用的多用途绿色环保型材料。［6］融合了塑料及植物纤维的特性，具有:(1)吸水率小、耐腐蚀、防霉菌和虫蛀、使用期限长;(2)表观类似木质材料，可同木材一样进行铆钉等连接固定，又不会像塑料易弯曲、变形等，可二次加工、循环利用;(3)引入塑料及助剂组分，借助塑料成型工艺，制备各种形状、色泽的制品。因而广泛应用于装潢、建筑、包装、运输等诸多领域。欧美等发达国家已经实现了工业化生产并保持强劲发展势头，国内近十年开始迅速发展，以约15%的年增长率发展，可大量消减我国大量农林剩余物，有望成为木材、金属、塑料等传统材料的有力竞争者，扩展为产值数千亿元的新兴产业。

1.2 木塑复合材料研究存在的问题

尽管木塑复合材料具有很多突出优势，但木塑复合材料发展至今仍然存在一些问题尚未得到很好解决。比如植物纤维材料富含羟基等极性官能团，亲水性强，塑料基体多为疏水性材料，二者热力学不互溶，难以形成有效界面粘结和均匀共熔体，植物纤维在基体中分散不均，易形成应力集中，严重影响木塑复合材料性能。［7］因此提高二者的相容性，促进其界面粘结作用，是木塑复合材料制备的关键技术问题。［8］

1.3 木塑复合材料界面改性研究

目前木塑复合材料的界面改性主要集中在对木粉等植物纤维进行物理、化学手段改性，降低其亲水性，改善其与树脂的界面粘合作用。

物理方法［8］是通过各类的物理性手段，不添加化学试剂来改变纤维的结构和表面能来提高植物纤维与塑料基体间的相容性。主要的物理处理方法有热处理、放射处理、电晕放电处理等。

化学法改性［8］是利用化学试剂对植物纤维进行处理从而改变植物纤维表面的化学结构，降低其极性，改善植物纤维组分在塑料基体中的分散性，主要有碱处理法、偶联剂法、酰化处理法、表面接枝法。碱处理法是一种传统的纤维处理方法，在植物纤维的表面处理中被广泛的利用，经碱处理的的植物纤维，去除了表面的杂质，形成粗糙的形貌;而且碱溶液能除去纤维中的部分果胶、半纤维素、木质素等强度低的组分，形成空腔，易于形成纤维和基体间的机械互锁结构，提高界面粘结作用。

偶联剂法是通过添加偶联剂来完成植物纤维的改性。偶联剂分子多是一端为极性基团，可与植物纤维亲和，另一端为非极性基团，与塑料基体亲和，以一种“桥”的形式将不易相容的两种物质结合起来，改变界面相容性，提高复合材料的性能。常用的界面改性剂有马来酸酐接枝聚烯烃、硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯等。

酰化处理法是将植物纤维富含的羟基与酸酐、酰氯等改性剂反应，生成脂类化合物，羟基被极性较弱的酯基取代，降低了植物纤维极性，改善与塑料基体的相容性。表面接枝法是在植物纤维和塑料基体间接枝上有机聚合物长链从而提高界面相容性的常用方法。

2 科研课题涉及到的高分子知识点

2.1 高分子材料成型加工知识

木塑复合材料制备工艺通常为将木粉、塑料颗粒干燥，经高速混合机共混，再挤出成型，或者挤出造粒、注塑成型，也有的是混炼机混炼、热压成型等。其中工艺设备的选型和工艺参数的设置，对木塑复合材料的制备和性能具有重大影响。设备选型中包过高速混合机、挤出机、注塑机及开炼 (密炼)机及热压成型机等，设备的型号、结构特点及使用性能等都必须经过事先的确定。工艺参数如工艺温度、挤出机的挤出速率、注塑机的注压、保压压力及时间，热压机的成型压力等都要经过前期试验摸索，才能确定出最佳的成型工艺条件。

2.2 高分子物理知识

经成型加工制备得到的木塑复合材料性能如何，须经过性能检测。木塑复合材料的常规物理性能检测主要有力学性能、耐热性能、吸水性、阻燃性、老化性能等，其中力学性能是木塑复合材料的使用基础和前提，在木塑复合材料的性能测试中占有非常重要的地位，主要包过拉伸强度、断裂伸长率、模量、弯曲强度、冲击强度、压缩强度等，复合材料力学性能的好坏与塑料基体种类、植物纤维性质及填充量、木塑复合材料的成型加工方法以及植物纤维的界面改性等密切相关，这些因素的变动直接关系到复合材料的微观结构与形态，在以木粉为填充相，塑料为基体的二元结构相态中，木粉的改性方法及效果与分散相和连续相的形态密切相关，最终决定复合材料的力学性能等。

2.3 高分子材料研究方法知识

结构决定性能，而性能决定应用，为指导制备具有更好实际应用性和性能特点的木塑复合材料，就必须从微观层面上揭示木塑复合材料结构形态，掌握其构效关系，进而得出最佳的反应条件和成型工艺。通过红外和X射线衍射等分析物料组分反应前后的变化，采用扫面电镜等可观察木塑复合材料断面形态，可揭示木塑复合材料的力学性能特点的机理等。

3 科研成果转化为综合性实验项目的教学实践

3.1 实验具体安排和实施

本实验内容涉及高分子材料成型加工、高分子物理、高分子材料研究方法等多门课程知识点，将从组分配方设计、木塑复合材料成型制备、复合材料性能测试表征及实验数据处理多方面完成实验过程，因此笔者按实验步骤中涉及的内容主题变化，将实验分成四个板块，如表1所示。

在具体实验方案中，将同学分成12组，每组5名同学，先后进入实验室实验。以聚烯烃塑料用量为100份计，固定木粉及助剂配比和工艺参数，第1到第4组同学在实验中对木粉的表面处理方式分别为碱处理、KH550硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和二异氰酸酯偶联处理;第5到7组同学在实验中对木粉进行复合表面处理，其处理方式分别为碱处理－KH550硅烷偶联、碱处理－钛酸酯偶联、碱处理－二异氰酸酯偶联处理，木塑复合材料制备完成后，按要求完成力学性能、热性能等测试及表征，通过前期的数据分析，可以得出最佳的复合材料界面改性方式;第8组到12组则固定最优界面处理方式，依次改变木粉的填充比例，对塑料基体分别为20%、30%、40%、50%、60%。实验完成后，及时运用相关软件作图分析和数据处理，比较不同界面处理方式及木粉填充量对复合材料性能的影响，并结合断面形态研究其机理，最后汇总完成实验报告及论文等。

3.2 实验成绩考核评价

以往实验成绩的评价方式是学生实验，交实验报告，教师给出成绩，这种模式不能客观、全面地评价学生的综合实验技能，抑制学生深入探究的学习兴趣。为了真实、公正而较全面的评价学生的实验表现，我们重新设计了实验成绩考核标准体系。实验成绩包括预习报告、文献资料查阅、实验方案设计、实验实施、数据记录及分析、撰写报告、宣讲报告七个环节。宣讲报告环节是要求同学小组合作，根据完成的实验，仿效毕业答辩流程，准备汇报PPT，包括实验目的，实验方案涉及、实验步骤，实验结果与分析，实验结论五大方面进行陈述，同时教研室选派几位教师组成评委组，对学生资料查阅、方案设计及配方、实验结果讨论等方面进行提问、打分。重点考察学生资料查阅及归纳能力、对实验现象、问题及数据的分析解决能力，初步评价学生的操作实践和创新性思维能力。

表1 实验内容、学时安排、知识点及培养目标

3.3 教学效果及成果

本实验来自于教师的科研课题，又与现实生活如室外公园建筑、家居装修板材等及地方产业密切相关，引起了学生的极大兴趣，而且通过这一综合性实验的开展，学生对文献查阅、高分子材料加工设备、塑料助剂选用及高分子物理性能测试等有关知识都有了更深刻的认识和理解，综合运用了多门学科知识点，并掌握了多种仪器设备的使用，为后续毕业设计、科研工作等奠定良好基础。通过提出问题、文献查阅及小组协作方式，充分发挥学生的主观能动性、增强了学生的学习成就感和学习自信心。实验结束后同学反馈结果显示，大部分同学大表示对科研的基本过程和方法有了直观的认识，培养了学生的基本科研能力和方法。同时对该实验课题有兴趣的同学，继续参与该课题的后续研究，在指导教师指导下，相关研究成果在中文期刊上发表相关论文3篇，成功申请国家级、省级等大学生创新性实验项目3项。

4 结束语

通过教师提炼科研成果转化为实验教学内容，是当前高校实验教学改革的一种创新模式和重要途径。实验实施过程、学生的实验报告及反馈意见表明，这种教学模式是切实可行的，具有良好的教学效果，有利于地方院校应用型人才的培养。高校教师应积极参与到科研成果向教学资源转化的研究实施中去，以实现“教学带动科研，科研促进教学”的良性循环。

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