新工科背景下“材料流变学”课程教学改革研究

殷先泽，熊思维，杨诗文

（武汉纺织大学材料科学与工程学院 湖北 武汉 430200）

材料流变学是研究聚合物流动和变形的科学，是高分子物理、高分子化学和纺丝工艺学等学科的交叉科学[1-3]。化学纤维在纺丝、拉伸和热定型过程中都伴随着复杂的流动和变形，即使是成品纤维，在使用过程中也会发生不同程度的变形，因此材料流变学是化纤成型理论的重要基础。

“材料流变学”作为纺织类高校中材料学专业的核心课程，对聚合物的合成、纺丝加工等具有十分重要的指导作用，在纺织类高校材料专业教学计划中具有承上启下的作用。对聚合物溶液或熔体流变特性的把握有助于学生进一步理解纤维成型机理，掌握纺丝工艺调控原理。因此，加深纺织类高校材料类专业学生对材料流变学课程理论知识的学习，提高纺织类高校材料流变学课程的教学质量势在必行。面对行业院校的竞争，如何将人才培养模式与专业定位、区域经济产业特色相结合，培养基础扎实，应用能力强的材料类人才是纺织类高校共同面临的课题。

1 材料流变学课程教学中存在的问题

1.1 教学特色不鲜明

国内高校针对流变学的课程内容理论体系相似，材料流变学教学内容大致包括结构流变学、加工流变学、流变测量学以及聚合物典型加工过程的流变学分析这四个部分。其中，流变测量学和聚合物典型加工过程的流变学分析对于工科学生的学习尤为重要。通过这两个部分的学习，学生将掌握各种流变仪的原理和应用，以流变学原理为基础构建流变测量方法和仪器。不仅如此，还可以将流变学原理应用于聚合物材料的加工工艺和设备设计，学生将学习聚合物在不同加工条件下的流变行为，探究在挤出、注塑、模压等典型加工过程中流体特性的变化，掌握如何通过调整加工参数和设备设计来改善产品的质量和性能[4-5]。

但高校没有根据本校特色和当地产业发展合理设置材料学研究方向的课程，其结果是同质化现象严重，跟本专业研究的联系不紧密，体验感不强。不仅师资力量跟不上去，而且培养的学生基础不牢，特色不鲜明，学生学习该专业面临诸多困惑，就业质量不高，极大地影响了该专业未来的发展。目前省内高校中武汉工程大学研究生材料专业特色比较鲜明，在长期办学中，以石油化工产业为导向，将专业嵌入产业当中，编写了相关石油类材料流变学教材，培养的学生基础好，就业质量高。

1.2 教学内容缺乏实用性

材料流变学的概念和理论比较抽象和复杂，且应用范围广泛，涉及材料设计、加工和工程应用等方面。本学科的流变学课程教学大纲依据《高分子材料流变学》教材的内容进行设置，主要涉及聚合物流变学的理论基础，聚合物流体的流变行为分析，以及流变学在聚合物加工中的应用。学生通过流变学课程的学习，掌握如何通过数学模型描述复杂的流体行为，深入研究流体的分子结构与宏观流变性质之间的关联，并了解不同结构对流体特性的影响。通过实验结果的验证和修正，加深学生对流体内在结构与流变行为之间微妙关系的认识，从而更好地理解流体的复杂性质。因此，流变学课程知识面宽，内容量大，在学习过程中对学生高等数学的掌握要求高，但并不涉及聚合物成纤的相关实例。而纺织类高校学科偏向于工程应用，学生在实际工作中会遇到纺织纤维材料加工等工程问题，如果教学内容缺乏与纤维成型等实际工程应用的连接，学生可能难以将所学的知识应用于解决实际问题。

1.3 教学方式单一

目前，“材料流变学”课程教学以教师讲解为主，公式较多，学生反映较难理解，对相关流变测试设备及相关测试技术仅仅通过图片或者文字介绍，这大大影响了相关专业的人才培养效果。然而，流变学是一门典型的实验科学，缺乏流变学实验教学不利于学生实践能力和问题解决能力的培养。因此，在教学过程中不仅要加强理论教学，对实验教学也应该同样重视。而老师如何借助各种教学工具和教学方式，调动学生的主观能动性，使材料流变学课程变得通俗易懂是当前的主要问题。

2 材料流变学的教学改革

2.1 凸显纺织院校“材料流变学”教学特色

材料流变学在纺织领域中扮演着重要的角色。化纤作为一种重要的纤维材料，其在制造、加工和应用过程中的流变行为对产品的性能和品质有着直接影响。材料流变学的研究和应用可以帮助学生理解化纤材料的变形特性、流动行为以及与温度、应力等条件的关系，从而优化化纤制造和加工过程，改善产品性能。

教师可在教学中引入与化纤材料相关的案例，例如聚酯纤维、聚酰胺纤维等，并提供纤维材料流变学的实验机会。通过分析和讨论这些案例，学生可以了解不同化纤材料的流变行为和特点，理解其与纺织、塑料、橡胶等领域的应用关系。通过播放化纤成型视频，并配合演示加工过程，学生可以观察聚合物在成型过程中所发生的各种行为，加深对材料流变学原理的理解。通过以上教学方法，教师可以将材料流变学的纤维特色融入教学过程中，学生能够更好地理解和应用纤维材料的流变行为，掌握与纤维领域相关的实用知识和技能。

2.2 优化材料流变学教学内容，增加实验教学内容

本专业流变学的相关实验相对较少，仅在高分子物理实验课程中开展了两个简单的实验项目，即聚合物熔融指数测定和乌氏黏度计测定聚合物稀溶液黏度。实验教学对于帮助学生提高对流变学知识的认识尤为重要，然而，开展传统流变学实验教学面临两大主要困难：其一，课时较少；其二，设备昂贵且台套数量有限。基于此，我们利用学校科研团队设备，开设了专题实验课程，采用大型高级流变学仪器（包括哈克旋转流变仪、熔融指数仪、毛细管流变仪以及共混流变仪等）进行现场实验教学，由任课教师讲解原理，演示操作，学生根据教师所提出的要求观察实验现象，分析实验数据，得出实验结果。通过课堂讲授与课后实验教学相结合的方式，大大提高了本科生利用流变学知识分析问题和解决问题的能力。

2.3 丰富材料流变学教学方法

为了消除学生对“材料流变学”的畏难情绪，培养学生的兴趣，如何将流变学中的抽象概念具体化和形象化，让学生对流变学概念理解得更透彻，是流变学教学所面临的首要任务。

①加强基于问题的教学。强调教师与学生互动，鼓励学生参与教学过程。教师将知识点设置在问题情境中来引起学生的兴趣，学生在问题探究过程中需要深入思考问题的本质和背后的原理，培养学生的探究精神和批判性思维能力。在教学中，学生和教师共同合作解决实际问题，通过实践性学习来加深对知识的理解和应用。例如，教师在讲解高分子材料的黏弹性行为时，通过课堂播放聚合物熔体加工视频，提出问题：在聚合物加工时，为什么会出现“挤出胀大”现象？出现该现象的原因是什么？在整个教学过程中，教师始终围绕这个问题引导学生积极思考，使学生成为教学活动的参与者。同时，为了进一步将这一原理和实际工程问题联系起来，继续提出问题：“挤出胀大”现象对化纤加工成型的影响是什么？如何控制“挤出胀大”对化纤成型的影响？通过这种教学方式吸引学生的注意力，引导学生作为教学主体，鼓励学生自主思考，提高学生的课堂学习效果。

②加强基于案例的教学。重视案例教学法，教师将理论知识融入案例教学情境，通过介绍具体案例来引起学生的兴趣和好奇心，学生在案例教学中参与讨论和分析，通过合作和交流，深入探讨案例中所涉及的问题和解决方案，学生通过剖析案例中的具体知识，将理论与实际情况紧密关联，更好地理解知识的应用和实际意义。比如，教师提出案例：合成纤维的可纺性与聚合物的流动性之间的关系。聚合物流动性是影响合成纤维可纺性的重要因素之一。在纺丝过程中，聚合物材料要经历拉伸、挤出等复杂的流动过程，这就要求聚合物具有一定的流动性。如果聚合物流动性不足，它在纺丝过程中可能无法流动和延展，导致纤维无法形成或质量不佳。学生通过自主学习讨论获取到这一案例背后的流变学知识。进一步的，通过描述尼龙6在不同温度、剪切速率和应力条件下的流变特性，了解尼龙6 的流变行为和变形机制，确定尼龙6 合适的加工温度范围。通过控制加工温度，可以调节尼龙6 的黏度和流动性，以实现更好的加工性能和产品质量。基于案例的教学方法强调学生在实际情境中进行学习和应用，让学生更深入地理解和掌握所学知识，并能够将理论知识转化为解决实际问题的能力。

③理论结合实践。将枯燥晦涩的高分子流变学理论知识与实际应用背景结合，可以让学生通过具体研究体系来学习与探索。举例来说，教师在讲解宾汉流体这一概念时，除了我们日常可见的牛奶、牙膏等典型的生活案例以外，还可以从军事、航天等工程案例出发，比如航天润滑剂、印刷油墨等例子，通过这些具体的实例，让学生理解宾汉流体的概念以及用途。教师将抽象的理论知识与具体实例相结合，激发学生的好奇心，提高学习的专注度和主动性，使学生在实际案例中理解和应用所学的理论知识，比如，在讲解材料的黏弹性时，以防弹衣作为具体实例，引导学生了解防弹衣防弹背后的流变学原理，既突出了纺织学科的纺织特色，又能让学生了解流变学知识的应用研究。通过这样的教学方式，巩固了学生的基础知识，使他们能够更好地将理论知识与实际应用相结合，而且有助于提升学生多维度思考和分析问题的能力，使他们在未来的工程实践中能够更好地应用所学的知识。

2.4 丰富考核方式

作业与考核都是检查学生学习效果的重要手段，通过作业和考核结果的反馈可以让教师有效把控课堂教学内容，及时调整授课方式，以更好地激发学生的学习动力和培养其综合能力。作业的形式包括课堂作业和开放性课题报告。采用多元化评价方式来进行考核，作业总成绩所占比例增至40%，期末理论考试成绩所占比例降低至50%，并考虑出勤和课堂讨论的参与程度，占比10%。这样的调整有利于发挥学生的自主性，更全面地考核他们的学习成果和综合能力。这样的教学方法和评价方式将促进学生更积极地参与学习，提高学习效果和学生的综合素质，使课程更加有效地满足学生的学习需求和发展目标。

3 结论

由于材料流变学学科的交叉性质，为了达到教学目标，教师需要不断地探索和改进教学方法，根据在实际教学中所积累的经验，对课程教学体系进行优化和完善，以减少学生对课程的畏惧情绪。我们的目标是让学生掌握材料流变学的理论和实践过程，使他们能够熟练运用流变学的基本原理来分析纤维材料的流变行为，并提升他们解决问题的能力，积极推动纺织类院校材料类研究生对流变学的理解。我们相信，通过不断优化教学方法和教学体系，学生将更加乐于学习和应用材料流变学的知识，从而实现教学目标并提升整体教学质量。