《高分子物理》選修課的教學改革與探索

孫秋菊, 初增澤, 武士威, 李 娜

(沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034)

0 引 言

隨著高分子科學與技術不斷發展,高分子材料制品應用在生活、生產的各個領域中,成為一個重要的學科門類[1]。《高分子物理》是高分子材料、材料化學等專業及相關專業本科生的一門重要的專業基礎課或者選修課。

《高分子物理》主要圍繞高分子物質的結構和性能以及二者之間的相互關系,包括高分子的鏈結構、聚集態結構、高分子溶液、聚合物的力學性質、流變性質、熱、電和光學性能等展開討論。課程內容多、概念多、數學推導多,教學面臨嚴峻的挑戰。在講授過程中,如果學生不能及時消化知識點,時間一長會覺得分辨不清,晦澀難懂,興趣銳減,難以達到好的教學效果。基于此,各高校任課教師針對自身學校特色和專業方向,認真思考,積極探討課程的教學改革與創新,嘗試并實施了多種教學改革措施,也取得了很大效果[2-5]。例如,大連工業學院劉兆麗老師等[6]通過合理安排教學內容,多媒體教學與傳統教學手段相結合,實驗教學與理論教學相結合,課堂教學與課后交流答疑相結合等多種手段提高教學的交互性和生動性,進而調動學生學習的主動性和積極性；廣州石油化工學院的張世杰老師[7]通過結合工程實際對《高分子物理》課堂進行教學改革；桂林科技大學的張煥芝老師[8]通過引入科研內容,可以促進《高分子物理》的教學；常州工程職業技術學院的侯文順老師[9]嘗試了《高分子物理》課程的項目化教學,通過以授課教師為項目委托方,授課班級學生為項目接受方的工作情境開展教學活動,并就項目內容簽定協議書,利用青年學生頭腦靈活、好奇心強、勇于探索的積極性,調動學生探索問題、解決問題的自主學習的積極性；玉林師范學院劉括老師等[10]從教學內容、教學手段、教學方法以及實踐教學等方面進行了分析,提出了一些見解。

作為師范院校的一門專業選修課,課程的學習對于學生掌握專業基礎知識及技能有著重要的影響。作者近年承擔《高分子物理》的教學任務,經過3年的教學實踐,從教學內容、教學手段、教學方法及實驗環節等多個方面進行了相應的改革與探索,取得了較好的教學效果,但受多種因素的影響,仍存在一些問題值得思考。

1 教學現狀

作為專業選修課,《高分子物理》面臨的教學現狀:1)教學課時少。《高分子物理》在其他院校高分子相關專業中是一門重要的專業基礎課,授課學時多為48～64學時[11]。而在師范院校化學類專業課程設置中,由于學生培養目標和培養方案的差異,為專業選修課,學時數為30學時。2)教學內容多。高分子物理主要研究高分子材料結構與性能之間的內在聯系及基本規律,課程內容不僅涵蓋高分子化學、有機化學、無機化學、物理化學、統計學和概率學等諸多基礎知識,而且課程中專有名詞多、基本概念多、內容龐雜、關系錯綜、數學推導繁多等。對于剛剛接觸這門課的學生來說,如果不能及時消化知識點,就會導致分辨不清,晦澀難懂,進而學習興趣銳減,難以達到好的教學效果[12]。3)授課時間延后。專業選修課的開設一般安排在大三年級,此時學生面臨著考研和就業的雙重壓力,再加上學生對專業選修課的重視程度普遍不如專業必修課,存在著“混學分”的思想,因此如何增加學生學習的興趣,提高教學效果,值得深思和研究。

2 教學改革

2.1 教學內容的梳理整合

高分子物理主要研究高分子材料的結構與性能,其研究的對象是高分子,因此,教學內容緊緊圍繞“分子量大”帶來的一系列特殊結構和性能進行梳理。例如,分子量大使得高分子材料只有固態和液態而沒有氣態；分子量大導致的不均一性；分子量大使得分子運動單元具有多重性;分子量大使得高聚物溶液和熔體的粘度大,具有非牛頓流體的特性;分子量大使得高聚物具有一定強度、硬度,可以作為材料使用;等等。抓住“大”這條教學主線展開講解,從最小的結構單元擴展至整個分子,再到聚集態結構；從力學性能擴展至熱性能、電性能、光學性能等,結構和性能之間則通過分子運動來實現。

專業選修課的教學初衷是實現學生“選我所愛,愛我所選”,激發學生的學習積極性、主動性和獨立性,拓寬學生的知識面,增強學生社會適應能力[13]。針對《高分子物理》課時少、內容多的情況下,將公式的推導過程列入選學內容,強化公式的內涵和應用。此外,對于學生難以理解和掌握的知識點采用短詞短句記憶法。例如,學生已學習了有機化學課程,對結構單元以及整個分子結構的理解相對容易,但對于聚集態結構中的晶態、非晶態結構等相對難懂,由于此前學習的課程中涉及的聚集態內容不多,因此,在講述時與小分子的晶態和非晶態結構對比講解,“兩句話,八個字”,即高聚物的晶態比小分子的晶態無序得多,簡化為“序中有亂”；高聚物的非晶態比小分子的非晶態有序的多,簡化為“亂中有序”,高度概括出了高分子的晶態結構和非晶態結構特征,學生容易理解,更加深了記憶。

2.2 教學手段的豐富多彩

《高分子物理》中有許多抽象的理論知識,僅依賴板書難以完全展示教學內容,教師講解時往往費神費力,學生理解困難[14]；借助多媒體教學,融合文字、圖形、聲音、動畫、影像等多種信息,形象、生動地展示出不容易講清楚或難以理解的內容,達到了很好地教學效果[15]。這種多媒體教學手段,不僅增大了教學信息量,也使得難以講解的內容更直觀、形象。例如,講述鏈段和柔性一節,由于涉及分子的內旋轉運動,特別是隨著碳鏈增長的內旋轉過程,學生不易想象和理解,通過動畫演示從一個碳-碳單鍵,到2個碳-碳單鍵,再到3個,4個,……形象地展現了碳鏈的增長所對應的內旋轉運動以及鏈的空間運動,然后引入鏈段和柔順性的概念,再擴展到分子柔順性的表征方法即末端距和均方末端距的計算,學生更容易掌握。

課堂上,還可以通過教師或者學生動手操作進行演示,如講述取向態結構時,讓學生拉伸準備好的薄膜樣條,對比拉伸前后不同方向的性能差異,理解各向同性和各向異性,并延伸到生活中的纖維制品和薄膜制品,將書本上的理論知識過渡到實際生活中的應用,拓寬了學生的知識面。此外,借助于現代的通訊手段,建立QQ交流群,隨時就學生提出的各種疑問進行解答,將課堂學習延續到課下。

2.3 教學方法的靈活多樣

教學方法是否得當,對教學效果起著至關重要的作用,避免“一言堂”和“填鴨式”說教,引入豐富多彩的教學方法,使課堂教學更加開放和融合。例如,可根據設定的主題進行分組討論,也可以由學生提出問題進行討論,增加學生與教師之間的互動,活躍課堂氣氛,使學生由被動的想逐漸過渡到主動思考,增加學生的求知欲。此外,也可以采用講座、參觀、見習等方式提高學生學習熱情。盡管高分子物理課程理論性較強,但由于高分子材料應用廣泛,塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑等應用在生活的各個領域,學生對生活中的高分子材料制品有一定的感知和認知,因此,選定主題討論時最好結合生活應用,像日用塑料產品上的標記、商品標簽的識別、長期掛在衣帽勾上的衣服掛鉤處的變形等諸如此類的主題,學生興趣更濃,互動效果更好[16]。此外,也可結合學生實驗中的操作進行互動,例如化學實驗中膠塞打孔插管的操作,就如何選擇打孔器進行主題討論,結果發現,有一部分同學選擇比插入的玻璃管直徑略粗一點的打孔器,另外一部分同學選擇直徑相同的打孔器,結合這個問題講解橡膠的粘彈性和擠出物的脹大效應。

近年來,高分子科學發展突飛猛進,新材料新產品不斷涌現,大量學術論文公開發表,任課教師必須緊跟學科發展前沿,及時傳授新知識、新發展,跟上時代的步伐[17]。此外,還可以結合自身的科研成果,豐富教學內容。

2.4 實驗教學的緊密配合

生動的實驗教學可以活躍理論教學的枯燥氣氛,豐富多彩的實驗內容可以充實單調的理論講授,提高學生的學習興趣。按照以往教學計劃,第1周即開始理論課,實驗課延后1周開始,由于實驗涵蓋整個理論課教學內容,時常出現實驗提前于理論課的現象。盡管實驗指導教師會講解實驗原理,但受時間限制學生難以完全理解和掌握,使得學生被動地實驗。等到理論課講解到該內容時,學生可能因實驗早已結束而一知半解,實驗課和理論課的教學效果均不理想。針對這種現象,任課教師開課前與實驗老師進行溝通,及時調整實驗項目,甚至可將實驗課延后幾周開始,避免實驗在前理論在后的現象,提高實驗課和理論課的教學效果。

2.5 實踐環節的創新訓練

在授課過程中發現部分同學對高分子科學領域有著濃厚的興趣,而課上的時間已難以滿足他們強烈的求知欲和鉆研精神,因此,結合大學生創新創業訓練項目,讓一些學習興趣濃厚的學生組成科研小組,通過申報大學生創新創業訓練項目,獲得經費支持,進行科研實訓活動,進一步啟發學生的創新思維。目前為止,《高分子物理》專業選修課的開設已經有3年時間,每年均有學生考取東北師范大學、東北大學等學校的高分子相關方向的碩士研究生。2016年科研小組申報的課題“紅外光譜(FTIR)法分析快餐食品用塑料包裝材料的成分及安全評價”獲批沈陽師范大學大學生創新訓練計劃項目,發表學術論文1篇[18]；2017年科研小組申報的課題“氣相色譜-質譜聯用法測定兒童泡沫塑料中甲酰胺的含量”獲批遼寧省大學生創新訓練計劃項目支持,目前實驗正在進行中。

3 教學反思

《高分子物理》作為師范院校化學類專業的一門專業選修課,盡管學時少、內容多、理論性強、難理解,但在嚴格闡明基本概念的基礎上,緊抓結構與性能相互關系這條主線,采用多種教學方法和教學手段,也能提高教與學的互動性,加大實驗環節的教學效果,有助于提高教學質量。然而,在教學過程中仍存在一些值得思考的方面:1)高分子物理屬于交叉學科,涉及化學、數學和物理學知識,對任課教師的知識水平提出了更高的要求。作為專業選修課的任課教師,需要潛心研究教學內容,不斷吸納新知識和新方法,積極進行教學改革與創新,將知識傳授到位。2)學生選課存在盲目性。一方面體現在學生對課程的簡單理解,存在著“想當然”的選課思想,缺乏必要的引導；另一方面,學生往往憑興趣選課,選課分散,沒有與考研、就業相結合,缺少整體規劃和學業設計。3)學校對專業選修課的重視程度往往低于必修課,使得專業選修課的教學資源、教師配備不足,需要增加專業選修課的教學投入和人才引進,等等。總之,提高專業選修課的教學質量,對實現培養目標起著重要的作用。