新工科視域下《高分子化學(xué)》課程教學(xué)改革的初步探索

鄭耀臣，丁永濤，侯立杰

(煙臺大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 高分子材料與工程系，山東 煙臺 264005)

《高分子化學(xué)》課程是優(yōu)勢工科專業(yè)—高分子材料和材料加工等相關(guān)學(xué)科的一門重要基礎(chǔ)課[1-2]。通過對《高分子化學(xué)》課程的講授，讓學(xué)生系統(tǒng)理解高分子學(xué)科的重要概念、牢固掌握高分子科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為應(yīng)用高分子化學(xué)知識解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際問題夯實(shí)基礎(chǔ)。因此，在教學(xué)過程中，充分利用《高分子化學(xué)》課程的自身特點(diǎn)，在突出工科特色的基礎(chǔ)上，將高分子材料的合成理論和工業(yè)生產(chǎn)過程相結(jié)合，探索“產(chǎn)教融合，學(xué)科交叉”的應(yīng)用型人才育人新機(jī)制，對于培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才具有積極意義。此外，為主動應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)變革、滿足“中國制造2025”的人才需求，教育部提出了建設(shè)新工科的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，要求“工科優(yōu)勢高校要對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用，地方高校要對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用”。作為具有工科優(yōu)勢的地方性高校，有義務(wù)為高分子產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供高品質(zhì)的應(yīng)用型人才。

本文根據(jù)高分子材料、材料加工等工科學(xué)科的專業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合近年來對《高分子化學(xué)》課程的教學(xué)實(shí)踐，提出了適應(yīng)新工科發(fā)展要求的《高分子化學(xué)》課程教學(xué)改革的幾點(diǎn)建議。

1 教學(xué)內(nèi)容的適度擴(kuò)充

“新工科”視域下更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性和綜合性。所以在教學(xué)內(nèi)容上適度進(jìn)行改革，以滿足“新工科”發(fā)展對學(xué)生在知識和能力兩方面的需求。

《高分子化學(xué)》課程主要由高分子的合成方法(如，逐步聚合、自由基聚合、自由基共聚合、離子聚合、配位聚合等)以及高分子的化學(xué)反應(yīng)等主要內(nèi)容組成，重點(diǎn)闡述聚合方法、聚合反應(yīng)機(jī)理及相關(guān)模型的動力學(xué)方程、高分子的化學(xué)改性等內(nèi)容[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在Flory經(jīng)典著作《高分子化學(xué)原理》的基礎(chǔ)上，潘祖仁教授的新版《高分子化學(xué)》也擴(kuò)充了很多內(nèi)容、增加了很多知識點(diǎn)，例如自由基聚合的可控策略，原子自由基聚合、可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)等，對加深自由基聚合理論的理解幫助很大。但是，傳統(tǒng)的原子自由基聚合多依賴于具有生物毒性的過渡金屬催化劑控制自由基的激活和失活，從而控制聚合物的分子量及其分布。在此領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展是研究者通過化學(xué)理論計(jì)算，先推測出一種合適的有機(jī)物光催化劑替代過渡金屬元素，同樣能精確控制產(chǎn)物組成及分布，解決了因金屬離子對聚合物材料的污染難題。這個(gè)成功實(shí)例是典型的多學(xué)科交叉、多學(xué)科合作的成果。用這個(gè)實(shí)例傳遞給學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，加強(qiáng)不同學(xué)科之間的合作的信息，啟發(fā)學(xué)生在選課和搭建知識結(jié)構(gòu)時(shí)，重視學(xué)科交叉，跨越人為劃分的學(xué)科界限廣泛深入地學(xué)習(xí)。

用聚合物單鏈生長動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)介紹自由基聚合機(jī)理的新發(fā)現(xiàn)。聚合物單分子鏈鏈增長的新證據(jù)表明，聚合物鏈生長過程是由“連續(xù)的等待與躍進(jìn)式增長”兩個(gè)步驟交替組成。這部分內(nèi)容可以在講解《自由基聚合》一章的自由基聚合機(jī)理時(shí)，與經(jīng)典的“貪吃蛇”模型一起介紹給同學(xué)[3]。這樣既可以使學(xué)生及時(shí)了解本學(xué)科的發(fā)展前沿知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力、對經(jīng)典理論的質(zhì)疑精神和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

另外，在《高分子化學(xué)》的第五章中作為拓寬性內(nèi)容講解聚碳酸酯的綠色制備方法—化學(xué)固定二氧化碳，并以CO2為原料合成梯度結(jié)晶的聚碳酸酯—為解決由于CO2引起的“溫室效應(yīng)”提供新思路。在介紹這個(gè)最新研究進(jìn)展時(shí)，給學(xué)生著重強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉的重要性，鼓勵學(xué)生在職業(yè)生涯中加強(qiáng)不同學(xué)科之間的合作，以解決實(shí)際問題為目的，不被人為劃分的學(xué)科所局限，應(yīng)從不同側(cè)面、不同視角尋找解決問題的可能性和可行性。

2 教學(xué)方法的靈活應(yīng)用

2.1 抽象問題形象化

《高分子化學(xué)》課程是在系統(tǒng)學(xué)習(xí)了四大化學(xué)之后的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。與四大化學(xué)相比，它不僅在內(nèi)容上相對獨(dú)立，還具有概念多、理論抽象、現(xiàn)象不好描述、結(jié)論不好理解等特征[1-2]。自由基反應(yīng)的聚合機(jī)理和反應(yīng)特性有別于學(xué)生剛學(xué)完的《有機(jī)化學(xué)》中各種基團(tuán)之間的反應(yīng)，反應(yīng)體系中只存在生成的大分子和未反應(yīng)的單體。各屆學(xué)生反應(yīng)，此機(jī)理是非常難以理解的知識點(diǎn)。我們采用動畫的方式展示自由基反應(yīng)機(jī)理，將抽象的理論模型具體化，將反應(yīng)現(xiàn)象形象化，這樣更利于加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解[3]。例如，自由基聚合反應(yīng)過程借用“貪吃蛇”的動畫模型加以類比。將具有單體引發(fā)活性的自由基比作貪吃蛇,反應(yīng)性單體比作貪吃蛇的食物。貪吃蛇(活性自由基)吃到食物(活性單體)，貪吃蛇身子的長度(聚合物分子鏈)增加，即自由基聚合的鏈增長。兩條貪吃蛇相遇(大分子鏈的雙基終止)或貪吃蛇撞到墻壁(大分子歧化終止)，貪吃蛇即失去活性。由于貪吃蛇的失活速度非?？?遠(yuǎn)快于我們觀察的時(shí)間尺度)，所以在整個(gè)畫面(自由基反應(yīng)體系)中，只存在貪吃蛇(生成的大分子)和食物(未反應(yīng)的單體)。通過采用小動畫演示的方式，特有的自由基聚合機(jī)理在學(xué)生的腦海里留下了非常深刻的印象，有利于了學(xué)生對自由基聚合特征的理解。

2.2 轉(zhuǎn)換課堂教學(xué)角色

除了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣之外，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)所需知識的能力更加重要。然而，各種能力的提高不是一蹴而就的，需要在學(xué)生的日常學(xué)習(xí)過程中就要注意加強(qiáng)訓(xùn)練。轉(zhuǎn)換課堂角色，學(xué)生充當(dāng)教師的角色制作PPT進(jìn)行講解[4-5]。在學(xué)生講解后老師給予相應(yīng)指導(dǎo)，對知識點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)、點(diǎn)明重點(diǎn)、歸納提高。學(xué)生經(jīng)過對知識的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、理解、掌握、講解過程的訓(xùn)練，能真正提升自學(xué)能力和應(yīng)對困難的信心。例如，在《高分子化學(xué)》課程高分子合成的工業(yè)方法一章中，設(shè)計(jì)采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式，將課堂的決定權(quán)轉(zhuǎn)移給學(xué)生。例如，將學(xué)生分為四個(gè)小組，通過小組討論的方式總結(jié)、比較合成高分子工業(yè)方法的優(yōu)劣，完成這一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。然后，通過不同小組相互點(diǎn)評的方式，將本章知識的重點(diǎn)、難點(diǎn)討論透、掌握牢。在講授過程中，學(xué)生的角色轉(zhuǎn)變了，他們的學(xué)習(xí)態(tài)度也隨之改變，學(xué)習(xí)效果明顯提高。同時(shí)，他們在學(xué)習(xí)知識、講授課堂知識的過程中，提升了自學(xué)能力、歸納總結(jié)能力、表達(dá)能力，以及團(tuán)隊(duì)合作意識。

3 利用網(wǎng)絡(luò)工具改革互動模式

采用《藍(lán)墨云班課軟件》創(chuàng)建“班課”的方式，改革簽到、測驗(yàn)、作業(yè)、討論等師生互動反饋方式，能節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間，提高教學(xué)效率。教師和學(xué)生通過登錄藍(lán)墨云手機(jī)APP的方式，隨時(shí)查看作業(yè)和問題討論情況。教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在掌握不牢的概念或理解不到位的知識點(diǎn)時(shí)，可以立即在網(wǎng)上進(jìn)行指導(dǎo)，答疑解惑。其次，老師也可以根據(jù)學(xué)生對知識點(diǎn)掌握程度的不同，劃分為幾個(gè)不同的題目討論小組。讓學(xué)習(xí)進(jìn)度或掌握深度不同的學(xué)生進(jìn)入不同的討論小組內(nèi)，對不同的題目進(jìn)行分組討論。這樣既可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能做到因勢利導(dǎo)、因材施教[6-7]?？傊?，師生互動和信息反饋模式網(wǎng)絡(luò)化，由于教學(xué)信息的傳遞突破了時(shí)空的局限，大大提高了互動環(huán)節(jié)的效率，明顯提升了教學(xué)效果，值得同行們嘗試和深入探討。

4 結(jié)束語

通過《高分子化學(xué)》課程的綜合教學(xué)改革，加深了學(xué)生對于高分子化學(xué)知識重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解，讓抽象、枯燥、難懂的知識通過形象生動的動畫演示變得生動形象；通過知識點(diǎn)的擴(kuò)充，展示了課本中生澀知識點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)熱情；提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、綜合解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)意識和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，為新工科建設(shè)和“中國制造2025”培養(yǎng)合格的應(yīng)用型人才。