《高分子材料成型加工》课程教学改革探索

2022-10-13

《高分子材料成型加工》是一门交叉性学科。对聚合物成型加工技术的研究，只有在与工程数学、力学、自动控制工程、电子学、电磁学、高分子材料学、化工原理、计算技术和电子计算机应用紧密联系起来的基础上，才能具有宽广的发展前景。例如，世界领先的塑料电磁动态塑化挤出设备，仅挤出机主机部分的设计就涉及到机械学、电机学、数学、流体力学、化工原理、自动控制工程、电子学、电磁学、计算机应用、高分子材料学、工业设计学和仪表测量等学科，需要运用强度理论、传质传热理论、电磁场理论、自动控制理论、聚合物流变学理论等等，它是一项学科交叉渗透及其综合的成功的高科技产品。《高分子成型加工》是高分子材料类专业的基础课程, 它涉及原材料(树脂和添加剂)及其配方、成型设备、成型模具、工艺条件及其控制、环境和成本等诸因素，为使学生建立从大工程的整体观，把握其精髓，本课程将涉及以上诸多内容。要使学生能在较短的时间内对该课程的基本内容，特别是操作实践内容部分的掌握，需要在教学环境、基本实验设备、教学措施等方面进行改革。

1 认识到高分子材料成型技术研究与工业化生产的高度辩证统一

任何技术创新研究要立足于实验基础之上的一种自然科学研究，对于《高分子成型加工》的研究就是对高分子材料知识的感知、理解、发现和应用。辩证唯物主义认识论认为，认识是人脑对客观事物能动的反映，这种能动作用表现为两个“飞跃”：即由感性认识到理性认识的飞跃，由理性认识到实践的飞跃[1]。对于高分子成型加工来说，要实现认识上的两个“飞跃”，关键在于正确运用自然科学方法论这一联系哲学和自然科学的纽带。这样，才能既体现辩证唯物主义认识论的指导作用，又体现科学研究作为利用己有的自然科学知识和技能去发现和探索未知的领域的特殊性。具体地说，研究总是从认识具体的物质、现象开始，由感性到理性，从已知到未知，进而通过实践，去运用己掌握的科学知识与发挥己有的实验技能(经验)并最终解决问题，达到预期的目标。这里的“运用”、“发挥”等都要依据自然科学方法论。

高分子材料成型加工科学技术的发展，深刻地反映出现代人类对于人与自然、人与社会、人与人之间相互关系了解的程度，以及处理这些关系的准则和能力。高分子材料的工业化生产实际上是一个全方位的综合系统，是现代科学技术、现代科学精神、现代科学方法的统一体，对于人类生活的各个方面有着全面的深刻影响，决定了社会历史发展的水平和人类自身发展的程度。

随着高分子材料成型加工科学与工程数学、聚合物流变学、高分子物理、高分子化学等学科的交叉渗透，预示着21世纪新的高功能性高分子材料将不断涌现。在这个高新技术日新月异的年代，新的科学理论、研究方法、实验技术初现端倪，具有一些新的显著特点[2]: (1) 发展速度的加速化; (2) 纵向和横向发展交错联合; (3) 从宏观研究向微观研究发展; (4) 由单一化向多功能化发展。

为搞清楚高分子材料成型技术研究与工业化生产的高度辩证统一[3]，要做到: (1) 加工条件与高分子材料结构、制品性能三者之间的辩证关系，在高分子材料成型加工技术的研究和开发过程中，一个极其重要的问题就是要正确处理加工条件、材料结构和制品性能三者之间的辩证关系，材料只有通过加工才能成为制品，加工处在中间位置, 不仅要考虑加工条件与两者之间的关系，还要考虑材料与性能两者之间的关系; (2) 加工设备的结构与功能的辩证关系，加工设备的结构是根据其所要求达到的功能来设计的，功能的实现要依赖加工装备的结构, 结构与功能两者是相互作用、相互联系和相互依存的，结构和功能是研究和设计领域最重要的一对矛盾范畴，深入理解这对矛盾，对聚合物成型装备的研究和设计工作具有特别重要的意义;(3) 局部与整体的辩证统一，整体是指构成事物的诸要素和关系的全部总和，是事物的组成、结构、性质、功能及其多样性的联系与相互作用的辩证统一，局部是整体的各种要素和各种关系，局部是构成整体的基础，同时又受到整体的制约，以整体为归宿，整体是各个局部的综合，是多种关系的统一与协调，而不是各局部的机械式线性组合，整体与局部不是绝对的，而是相对的，同时也是不断地变化和发展的。

要使学生认识到这种辩证统一关系，对于该课程的教学要丰富学生的基本理论知识，也就是上该课程的前几次课，需要先讲述流变学(本方程中的五个原理)、高分子材料的结构与性能的相互关系、高分子材料的热性能理论等基础知识。

2 电子课件的开发、动画仿真技术与实践教学

高分子材料成型加工是一门综合性和实用性很强的学科，尤其是近几年发展非常迅速，新技术新产品层出不穷。社会对相关人才的要求很迫切，作为一门课程要在有限的课时内全面系统地深入讲解和学习好本课程对师生都是一个挑战。电子课件很好的缓解了课时紧的矛盾，通过电子课件辅助教学可比传统方法多讲授接近三分之一的内容。三维仿真动画[4]自身具有很强的形象性和通用性，使视觉效果更加生动，对于高分子材料成型加工课程的挤出、注塑和模压过程的演示能够更加形象，更有表现力。

可以在设计和选用电子课件时与动画仿真技术运用相结合，采用原型化设计方法[5]开发开放性课件，原型用包含高分子合成、高分子材料性能、高分子成型加工的软件，在运行时根据需要通过对原型的反复评价、修改、扩充，来升级换代，随时在课堂跟踪最新高分子成型加工的新技术、新工艺。原型化设计一般分为：快速分析、构造原型、运行原型、评价原型和修改原型五个步骤，对课件的教学目标、教学内容、教学方案、教学路径进行编辑、修改、添加或删除，从而进行二次开发，与实际的教学过程结合更加紧密，从教学的实用性和系列化出发，选择教材中适宜的内容制作成动画演示或卡片式课件。

电子课件的优点主要体现在：(1)能提高学生的兴趣和注意力，使学生积极主动地获取知识;(2)电子课件信息量大形象直观准确，可以根据需要随时切换到化工生产现场，既延伸了课堂又增强了课堂说服力;(3)能使同学们真切地感受到理论来源于实际，又对实际有明确指导意义，认识到知识的价值和意义，因而对创新充满激情。

与本课程配套的有《高分子材料成型加工实验》课，两课程相互促进、相互补充。通过《高分子材料成型加工实验》课程的实践，可使学生能综合运用课堂知识掌握高分子材料成型加工的基本实践技能和基本方法，并加深对高分子材料成型工艺的理解。把《高分子材料成型加工》课程每一章节讲完后，当天下午就安排相应的加工实验，对此，我校专门投资了近400万元建立了一个“高分子材料加工中心”，《高分子材料成型加工实验》课程内容包括聚合物加工性能的测定，橡塑加工配方技术，橡胶的塑炼和混炼，塑料的塑炼，橡胶的硫化，塑料的压制成型、注射成型、挤出、中空成型等各种加工方法的操作，高分子材料物理机械性能测试，包括拉伸强度、冲击强度和弯曲强度等，以及高分子材料的热性能测试(维卡软化点温度、热变形温度)。

为了培养学生的工程能力和创新能力，拟对高分子材料加工工程实验体系进行改革与实践。改革的总体思路[6]是：

(1)以新的实验教学理念，改进和提高实验室教学水平层次，加强和提高学生实验技能和创新能力为指导思想。

(2)通过教学与科研互动，建立“基本技能、综合型、设计(创新)型”多层次实验体系，突显高分子材料制造及加工的工程特色，注重培养学生动手能力、综合素质和创新精神。

(3)新的实验课程体系要进一步拓宽学生的学习空间，充分调动学生的积极性、主动性和创造性，将学生引向实验室，既有利于培养学生的动手能力，又提高其科学研究的技能，使学生通过实验有所发现，有所创造。发掘学生的潜能，培养学生的创新能力。

学生通过电子课件的学习、加工工艺动画仿真技术的熏陶与加工实践的锻炼，他们将对高分子材料成型加工课程的理论知识有了深刻的认识，对成型加工技术的应用范围、基本工艺的控制技术有了一定的了解，这对该专业的学生毕业后从事科学研究和实际生产设计、工艺配方技术的开发奠定了良好的基础，实践表明，经过该门课程的学习，学生对该专业的学习兴趣更浓、就业容易。

3 组建高分子材料成型加工科研小组

《高分子材料成型加工》将立足于大工程的整体观，在高分子材料成型加工的讲授过程中将原材料及其配方、成型设备、成型模具、工艺条件及控制、环境和成本等诸因素和它们之间的联系传授给学生，使其掌握材料成型加工的精髓，为其今后的工作或继续深造打下良好的基础，为国家经济建设培养高素质、创新性、懂管理的高层次人才。要达到这种水平，光靠课堂的学习和安排的加工实验是不够的，还应该进行一些创新性、综合性、设计性的新技术的实验，如正在发展中的聚合物反应成型新技术，它从聚合物材料的配方、反应、合成、加工、成型定型直至制品等全过程，绝大部分工作是在聚合物的反应成型加工装备中完成的。

材料加工过程中高分子表现出形状、结构和性质等方面的变化。形状转变往往是为满足使用的要求而进行的;材料的结构转变包括高分子的组成、组成方式、材料宏观与微观结构的变化等;高分子结晶和取向也引起材料聚集态变化，这种转变主要是为了满足对成品内在质量的要求而进行的，一般通过配方设计、材料的混合、采用不同加工方法和成型条件来实现。材料加工过程中材料结构的转变有些是材料本身固有的，有些则是不正常的加工方法或加工条件引起的。各种加工条件、各种配合剂都可能对形状、结构和性质的变化产生影响，这些因素的探讨将为新材料的创造、新工艺的改进具有重要作用。

因此在课程学习期间，我们组建有高分子材料成型加工科研兴趣小组。旨在培养学生的专业实验能力、独立动手能力和创新能力，对《高分子材料成型加工》课程的学习有极为重要的帮助。充分发挥学生的学习主动性，培养学生自学能力和对专业知识的深入学习的能力。有利于学生将基本原理与实际应用过程相结合，让同学了解科学研究的方法，继承与创新的关系，培养科学精神和科学思维。参加课外兴趣小组的学生针对课程中某一个内容进行深入而广泛的学习，学生可以查阅文献，对这一内容的基本原理和基本知识有更深入的了解，并举一个具体的有关研究和实际应用的例子来说明，也可以介绍一种成型加工方法的最新科研动态。参加兴趣小组的学生进入实验室，进行一些与课程内容相关的实验，增加感性认识，帮助学习，对一些新的加工技术和加工方法进行实践，探索其中的规律性，为其应用奠定基础。

4 结语

综上所述，通过高分子材料结构、制品性能和加工工艺条件三者关系的教学主线为基础，动画仿真技术、实践教学等各种形式的教学手段帮助和启发学生运用所学的基础知识分析、判断和解决高分子材料及其成型加工过程、工艺控制、高分子材料的结构与性能以及高分子材料应用等方面出现的具有实践性的问题。学生才能熟练掌握聚合物从原材料转变成制成品的成型加工技术，认知这些成型加工技术的工艺过程及所得成品与原材料的性能、成型设备与模具的结构和工艺参数等的关系，并且详细了解聚合物 (树脂) 熔体的流变性质、塑料、橡胶成型过程中的物理和化学变化、成型物料混配原理以及聚合物成型加工的工艺过程分析和制品的质量控制等知识。它为学生今后从事高分子材料合成、应用等方面的工作奠定良好的理论基础。

摘要：高分子材料成型加工技术是多学科的交叉和综合, 在教学实践过程中需要处理好加工条件、高分子材料结构和制品性能三者之间的关系。本文就从这三者的关系出发, 对《高分子材料成型加工》课程教学改革中高分子材料成型技术研究与工业化生产的高度辩证统一、电子课件的开发、动画仿真技术与实践教学、高分子材料成型加工新技术的创新性实验等环节进行探讨。

关键词：高分子材料成型加工,教学改革,辩证统一,实践教学