材料表面与界面课程教学改革初探

张彩宁,王煦漫

(西安工程大学 材料工程学院,陕西 西安 710048)

材料是国民经济的支柱型产业。任何一种材料在应用过程中都会不可避免地与外界或其他材料接触,从而产生表界面问题。而表界面的结构和性能必然对材料的整体性能造成非常重要的影响,故材料表界面的研究也是材料领域的研究热点之一[1]。作为我校高分子材料与工程专业的一门重要专业课程,材料表面与界面课程在学习液体表面特性、固体表面特性、固液表面特性等表面化学知识的基础上,系统地学习高分子材料及其复合材料的表界面特性和基础理论。在课程学习中,学生除了要掌握材料表界面的基础知识和概念之外,还需要深刻地理解材料表界面相关特性与材料性能之间的关系,特别是上述内容在聚合物表面改性、聚合物增强、高分子材料的黏接、涂装和印刷等领域的应用。因此学好这门课程,将为学生学习聚合物改性技术、涂料与胶黏剂等课程,以及参加工作之后在相关领域从事研究开发工作奠定坚实的基础。

1 课程的现状与存在问题

经过数年的课程教学,发现材料表面与界面课程目前的教学方式与内容存在下列问题:

(1)采用传统的教学方式,基本以教师全课堂讲授为主,学生参与度很低,导致学生学习的积极性不高;

(2)教学内容偏重理论学习,关于高分子材料界面实际应用的内容较为欠缺;

(3)教学内容与高分子材料表面与界面最新进展联系不紧密,教材中一些内容未能及时跟踪最前沿进展;

(4)课程考核以笔试为主,缺乏对学生综合能力的考核。

以上问题导致学生在学习过程中缺乏主动性,无法激发学生的学习兴趣[2]。因此,构建新的以学生为主体的材料表面与界面教学方法和以激发学生学习兴趣为目的的材料表面与界面教学内容,不仅能够克服现有课程教学的不足,更好地培养高分子材料领域的技术人才,同时也能为高分子材料与工程专业的专业认证提供一定的借鉴。

2 教学方法改革

材料表面与界面课程专业性很强,教学内容涉及很多复杂的理论和大量的公式推导,极易让学生觉得枯燥无味,对学习产生畏难和厌倦情绪。此外,该课程又与高分子材料表界面的实际工程问题紧密联系,因此单一的课堂理论授课方式无法保证教学效果。为了解决这些问题,本专业的教师从2020年开始对材料表面与界面课程进行了以学生为主体的课堂教学改革,尝试将多种教学方式应用于教学中,主要是将多媒体教学手段、翻转课堂、科研文献辅助教学等方式应用于课堂教学。通过这一系列的教学改革,教学效果较前明显提高[3-4]。

在进行课程教学方式的改革过程中,更加注重问题解决与创新的教学手段,重点增加了案例式教学和逐渐渗透式教学两种教学方式。

2.1 案例式教学

教学过程中,引入大量的教学案例作为载体。案例的来源主要有两类,一类是日常生活中接触的材料,如“荷叶的表面结构”,首先由老师介绍荷叶特殊的表面结构,然后从荷叶的自清洁特性出发,分析产生这种现象的内在机理,不但使学生对材料的微观结构、表面化学性质与材料表面润湿性之间的关系产生感性认识,而且可加深对润湿性理论的理解;案例的另一类来源是结合专业教师的科研课题提炼出来的,如“玻纤的表面处理”等题目,目的是为了让学生参与老师的科研活动,尽可能了解材料的研究热点。在案例教学过程中,老师在提出问题之后,让学生每四人一组,组内各位同学进行分工协作,查阅相关资料,并交流讨论,最后总结整理制作PPT,在课堂上进行讲解。学生从讲稿的写作到PPT 制作,都需要老师来指导,学生讲解的同时,老师进行纠错和补充。所有学生讲解完之后,老师再对案例中涉及的知识要点进行总结。这种教学方式增强了学生学习的目的性和针对性,提高了学生在教学过程中的参与度和学习的积极性。提高教学效果的同时,无形之中也培养了学生的自学能力和相互沟通的能力,还锻炼了学生的口头表达能力,也对学生利用各种资源获取信息和知识的能力进行了初步锻炼。

2.2 逐渐渗透式教学

老师在教学过程中,针对每节课进行教学设计,目的是更加科学合理地安排课堂教学时间,从而将知识通过逐步渗透的方式传递给学生,提高教学效果[5]。例如,在学习固液界面润湿性问题的教学过程中,将课堂有效时间划分为四个阶段:第一阶段为前5 min,老师结合实际问题让学生认识到什么是润湿,什么是不润湿,以及固液界面润湿的重要性;第二阶段22 min,为教学内容讲解与进一步扩展阶段。老师先介绍与润湿过程相关的基础理论知识、润湿过程的三种类型等课本内容之后,进一步扩充介绍如仿荷叶材料表面自清洁、复合材料表界面浸润性变化机理等问题,同时利用多媒体动画演示功能。这样在增加教学资源信息量的同时,还提高了学生对知识的感性认识,加深了理解;第三阶段为知识点补充阶段,约8 min;第四阶段为10 min,主要用做习题讲解。最后教师根据本堂课习题训练内容进行总结与评价。这种逐渐渗透的教学模式,可以将学生的注意力集中到课堂中来,学生的自主学习时间也增加了,同时教师的引导作用也能获得一定的保障[6]。

3 教学内容改革

我校材料表面与界面课程现用教材是华东理工大学胡福增教授编写的《材料表界面》,是高等学校材料类专业基础课系列教材。这本教材涵盖的知识内容非常丰富,内容主要包括两部分:一部分是表界面基础知识,介绍了液体、固体和固液的表界面,还介绍了表面化学的四大定理及表面活性剂;另一部分是材料表界面,分别讲述了高分子材料、无机非金属材料、金属材料和复合材料的表界面进展。结合专业情况,本课程教学过程主要学习表界面基础知识,以及高分子材料及其复合材料的表界面问题。在教学过程中,发现教材中介绍高分子材料表界面的时候,涉及大量公式的推导,内容较为枯燥。此外,复合材料的表界面部分虽然引入了一些新进展内容,但内容过于繁琐,无法激发学生的学习兴趣,同时对培养学生的创新意识和探索精神,以及提高学生解决实际问题的能力都是不利的。因此在课堂教学中,对教材的部分内容进行了删减,引入了一些科研论文资料进行介绍和剖析。这种科研论文辅助教学在拓宽学生视野的同时,也加深了学生对相关基础理论知识的理解,帮助学生培养了研究型和探索型思维,达到更深层次的教学效果[7]。

另外,还收集了许多与高分子材料的表界面处理和应用相关的案例,例如超疏水/超疏油织物、聚四氟乙烯表面处理、自清洁涂料、被粘材料表面处理等,以扩展课堂教学内容,提高教学效果。

4 实践环节及课程考核方式的改革

目前材料表面与界面的课程实验是“液体表面张力的测定”和“接触角的测定”,与界面理论的实际应用联系不紧密。计划将实验改为“聚乙烯表面的液态氧化处理”和“碳纤维的电聚合表面处理”,这样就可以把聚合物和纤维这两类代表性材料的表面处理与材料的表面性能表征有机结合起来,更贴近实际应用,更好培养学生工程意识及动手能力。

此外,课程考核方式强调注重学生解决实际工程问题的能力和创新能力考核。除采用传统的考试方式以外,还将学生参与互动式教学、课题研讨等的表现情况计入其中。这样平时学习阶段的成绩占比加大,学生在后期考试阶段压力减小。同时,考核的成绩也将更加全面地体现学生在整个学习过程中所表现出来的理论学习、实际动手和团队合作等多方面能力[8]。

5 结束语

基于对课程现状及存在问题的分析,在教学方法、教学内容、实践环节和课程考核方式这四个方面进行了教学改革,构建了新的以学生为主体的教学方法、能够吸引学生学习兴趣的教学内容、更紧贴实际应用的实践环节以及更全面评价学生学习能力的考核方式,从而更好地完成了人才培养的任务,同时为专业认证工作提供了一定的借鉴。