智能制造背景下材料类专业实验教学改革探索

［摘 要］ 智能制造具有多学科交叉的特点，集机械、电气、材料与智能科学等于一体，对综合型人才的培养有着较高的要求。以“复合材料与工程专业实验”课程为例，探讨了智能制造背景下材料类专业实验课程教学改革路径与方法。通过强化课程思政教育理念、整合线上教育资源、增设自主实验项目、引入科研创新项目、实施交互式教学模式等方式，强化了实验课程的思想教育与价值引领作用，有效提升了学生的工程实践能力、创新思维能力与综合素养。

［关键词］ 智能制造；复合材料与工程；实验教学改革

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“智能制造背景下材料类专业创新创业教育改革研究”（220804429163657）；2021年度中国建设教育协会教育教学科研立项课题“建筑类院校材料类专业实验‘课程思政’教学实践与探索”（2021112）；2022年度江苏省教育厅课题项目“江苏高校品牌专业建设工程二期项目（二批）省特色50号——南京工业大学——复合材料与工程”

［作者简介］ 刘 杰（1988—），男，山西阳泉人，硕士，南京工业大学材料科学与工程学院实验师，主要从事材料成分与失效分析研究；阮接际（1992—），女，安徽宿州人，硕士，南京工业大学材料科学与工程学院实验师，主要从事实验教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0080-04 ［收稿日期］ 2023-10-30

制造业是一个国家的脊梁，是实现国家现代化的重要保障。发展智能制造是我国实现产业转型与升级的必经之路，而这也对人才的培养提出了新的要求［1］。在这一背景下，如何对原有课程进行改革，以期适应智能制造的快速发展，成为专业实验课程教学亟待解决的问题。“复合材料与工程专业实验”作为复合材料与工程专业的一门核心课程，在专业教学体系中占据重要地位，其不仅与工程实践紧密结合，教学内容涉及范围广泛，而且与生产生活关系密切，蕴含着丰富的思政教学元素［2］。通过深入挖掘思政元素，融合线上网络教学资源与校内科研项目，更新实验内容，实施交互式教学模式等手段，课程取得了良好的教学效果，具有一定的推广意义。

一、当前“复合材料与工程专业实验”教学存在的问题

（一）对课程思政重视程度不够，实验教学形式表现单一

传统工科教育以培养应用型工科人才为主，对思想政治教育的重视程度不够，加之复合材料专业实验课教师大多没有经过系统性的思政理论学习，思政教育理念受限，将思政内容与专业实验教学相结合的主动性不强，认识不足，思政元素挖掘不到位，无法达到协同育人的目的。

同时，传统“复合材料与工程专业实验”教学体系的设置主要基于复合材料工学等主干课程，单个实验项目从属于某一课程，导致实验内容之间的融合度不高，交叉性不强，而复合材料学科是一门工程性极强的学科，需要综合应用各方面知识，才能够准确领悟材料的结构设计特点，选择合适的材料加工制备方式，构筑科学的成型工艺等。这种割裂式的教学体系框架也不利于培养学生的工程观与整体性思维。再加之传统实验教学形式表现单一，主要是由教师理论讲授与实验示范组成，师生与生生之间的互动性不足。在有限的实验时间内，学生按照教师演示的实验步骤重复操作，模式固定，结果确定，缺少了摸索、试错、推导、分析、验证等实验探究的基本流程，仅能培养学生的简单操作技能，间接导致学生对实验预习不重视，对于所学知识仅是囫囵吞枣，无法做到活学活用。在这种落后的实验施教方法下，学生在实验教学中的主体性地位得不到体现，更谈不上培养学生的独立思考能力和自学能力。

（二）实验内容与工程实际衔接度不高，缺少对智能制造所需的创新思维能力的培养

复合材料主要包括树脂基、陶瓷基与金属基复合材料三大类，现有实验内容包含高分子方向的单体浇铸尼龙、丙烯酰胺水溶液聚合与不饱和聚酯凝胶点测定；无机非金属方向的化合物晶体结构、黏接结构与性能和固相反应动力学；复合材料制备工艺方向的手糊成型工艺、RTM成型工艺与喷射成型工艺等。其中部分制备工艺、选用材料在实际工程运用中已被淘汰或更新，行业中的新材料、新工艺、新规范在当前教学内容中所占比例较低，与此同时基础验证类实验内容占总数过半，综合型实验占比较低，缺少综合型及创新研究型实验项目。这对于培养学生的工程理念与科研思维十分不利，无法开发学生的探索创新精神。如传统复合材料模压成型实验中，学生仅需将原料按固定配方放置于模具中，热压成型即可得到终端产品。更换实验要求，调整配方组成、温度和压力条件，学生可能茫无头绪，究其原因在于实验内容中缺少工程对比思维的引入，无法锻炼和提高学生的科研创新思维能力。

（三）教学考核模式不完善，过程质量监控缺失

现有的实验教学考核模式由实验报告、实验表现与期末考试按一定比例组成。一方面，实验报告的表现形式单一，内容模式化严重，导致部分学生只注重实验结果，对实验目的与原理缺乏深入了解，难以领会实验步骤设计的内在逻辑性、实验装置的工作原理、忽视实验过程中的问题与现象，学生的科学假设、实验观察、分析探讨、实践动手能力得不到有效锻炼；另一方面，由于在实验教学过程中师生之间缺乏有效互动，实验表现的评价主观性较强，灌输式的现场教学使得教师很难在单个实验教学过程中给出综合性的客观评价，不利于培养学生的实验探究能力与严谨的科学思维习惯；同时，期末考卷的考核方式，无法避免学生突击性备考，导致学生对知识的掌握片段化、离散化，缺乏逻辑性和工程思维，这种缺乏过程监管的教学考核模式无法达到工程专业教育认证要求的以学生为中心，注重学习效果和个性化评定等指标，难以起到持续改进的教学目的。

二、“复合材料与工程专业实验”教学改革方向

（一）挖掘思政元素，加强课程思政建设

任课教师应加强思政理论学习，积极参加课程思政的相关主题培训，改进自身的思政教学方法，构思课程思政教学设计，深入挖掘思政元素，将其与实验内容、教学方式有机地融合，贯穿于实验教学的整体流程中。以课程内容作为载体，将服务社会、法治观念、独立思考、探索创新、诚实守信等观念融入实验教学中，使学生树立正确的世界观与人生观［3-5］，从而有效推动复合材料专业实验课程思政建设。

在晶体结构实验中，在给学生讲解典型化合物晶体结构之前，先介绍中国单晶材料的制备及应用情况，让学生了解、体会中国科研工作者在单晶材料生长及应用方面取得的成就及在国际研究领域的地位，激发学生的自信心和科研探索热情；在黏土结构与性能实验开展之前，给学生介绍我国高岭土的资源分布与开发现状。很多化合物的中文命名都是根据国外的研究成果翻译而来的，这也间接表明我国之前的科研状况在世界上处于相对落后水平，然而，高岭土的英文单词（Kaolin）是为数不多的根据中文名称（景德镇高岭村）音译过来的。通过该案例激发学生对国家的热爱之情，激励学生努力学习，为国家社会主义建设贡献自己的力量。

（二）整合线上教学资源，丰富实验教学内容

随着复合材料相关领域的技术发展，其制备工艺与检测手段更新加速，所包含的理论、实践知识也呈爆炸式增长，而教学学时却没有增加。在教学方式不创新的情况，很容易形成一对难以调和的矛盾。采用原有的教学形式，很难达到教学任务目标。引入线上教学资源不仅可以弥补教学时间不够的不足，提高教学效率，使学生更好地利用课余时间，而且有利于在实验内容上引入复合材料的生产制备前沿技术。

利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台、中国大学MOOC等多个平台中兄弟院校已开发的与本专业相近的虚拟实验、材料类实验教学视频进行实验教学，提升了学生主动学习的意识、自学能力以及对大型设备的基本认知［6］。如利用“战机复合材料构件制备与损伤修复虚拟仿真实验”，使学生掌握树脂基复合材料的树脂传递模塑成型工艺及真空导流成型工艺；利用“碳纳米管/高分子材料的制备、表征及热性能分析”，使学生了解新型复合材料的制备与性能检测技术。从已实践的教学效果来看，学生的教学参与度得到了极大的提升，所提出的问题数量、质量、答题次数以及与教师的互动性均有较大幅度的提高，保证了线上教学与线下教学的课程实效性，也为以后的实验教学开辟了新的教学方式与思路。

（三）增设自主研究型实验项目，拓宽线下实验操作空间

近年来，工程教育认证中以学生为中心的教学理念在复合材料与工程实验教学过程中得到逐步体现，其中就包含了学生自主设定实验方案、自主开展实验内容等。增设自主实验项目不仅调动了学生学习的积极性，而且培养了学生的科技创新能力和实践动手技能。在新冠病毒感染期间，该实验项目的实施并未受到较大影响，学生提出了“碳纤维复合高压氧气瓶的设计”“病房隔屋面板的设计”等紧跟时事的自主设计型的实验项目，这期间学生深刻地感受到国家对人民生命财产的保护力度，激发了学习热情，无形中形成了正确的价值追求、理想信念和家国情怀。同时，自主研究型实验项目也包括一些趣味性、科普性的实验项目，如“圣诞树的生长——晶体生长的缘由”“果汁引爆气球——原理探索”等，这些实验的开展对于学生培养科研兴趣与理性思维具有一定的积极作用。

（四）引入科研创新型实验项目，举办实验技能竞赛

本着深入贯彻“科研引领教学”的课程改革思路［7］，将学院多项前沿课题引入实验教学当中，并与相关课题负责人达成广泛共识，从学院层面促使教学项目更新，进入常态化。科研项目进入实验教学课堂，引入了一批创新型综合实验，如高分子基相变储能材料的制备与性能研究、复合材料失效分析综合实验、材料化学成分逆向剖析实验等，项目设置上以培养学生解决材料实际工程问题为出发点，提升了学生的实践创新能力，也与智能制造背景下材料科研人才的培养方向一致。同时，为了提高实验室利用率，通过对部分实验项目进行科学分割，形成实验微模块和微项目，也增加了学生的动手机会。“复合材料与工程专业实验”作为一门多学科交叉、多课程融合的实验教学课程，能够从多方位考查学生对理论知识的掌握程度、动手实操的熟练程度。举办材料实验实践创新大赛，以赛促学，不仅可以锻炼学生的自主实验能力、实践动手能力，夯实学生的理论基础［8-9］，而且通过设计比赛题目，可以有针对性地提高学生解决工程实际问题的能力。

（五）依托线上教学平台，实施交互式教学模式

不论线上教学还是线下教学，抑或是线上线下混合式教学，坚持以学生为中心的主线，充分利用各种资源和手段提升学生的动手操作能力、自主思维能力以及解决工程实际问题能力。这就要求我们根据新的教学模式，规划教学设计，更新教学内容，充分利用网络教学平台带来的优势，开展交互式教学，提高教师与学生在整个实验教学过程中的参与度［10］。如一方面，学生可以利用新的师生互动方式、可重复观看的学习条件，提前预习实验，回答教师提出的问题并标记出自己的疑点，同时通过提前了解实验中易出纰漏的地方，在一定程度上也可避免出现实验安全事故；另一方面，教师根据学生的答题情况，在随后的线下实验教学过程中有的放矢，将实验过程中的难点、重点讲解清楚，推动学生自行开展实验。线下实验课程结束后，将实验内容、实验过程记录、学生考核在线上运行，建立实时反馈环节，能够补全“评价—反馈—改进”闭环中的后两环，使得线上教学平台为线下实验教学提供良好的辅助。

结语

智能制造产业的高速发展，对人才需求的缺口将逐步扩大。本文以此作为出发点，探讨了复合材料专业实验的教学改革方向：积极开展课程思政，实现价值引领、知识传授、能力培养的协同教学；整合线上教学资源，依托线上教学平台实施交互式教学模式；增设科研创新型、自主研究型实验项目；举办院级实验竞赛等。教学改革的实施有效提升了学生的工程实践能力与创新思维能力，为同类型专业实验课程的发展提供了借鉴。

参考文献

［1］潘旺，张丽敏.智能制造课程思政教学策略研究［J］.现代商贸工业，2023，44（21）：214-215.

［2］杨泛明，贺国文，刘赛文.“双一流”背景下复合材料与工程专业思政类“金课”建设［J］.云南化工，2023，50（5）：198-200.

［3］杨春林，欧梅桂，严伟，等.工程教育认证背景下课程思政融入模式探索与实践：以《聚合物成型加工原理》课程为例［J］.高分子通报，2021（5）：121-127.