針對非高分子專業(yè)學生進行高分子化學課程綜合教學模式的探索與實踐

劉軼，林權，劉堃，張皓，宋文龍，史作森，崔占臣，張愷，張俊虎

吉林大學化學學院，超分子結構與材料國家重點實驗室，長春 130012

高分子化學課程是研究高分子化合物的合成、聚合反應及應用等方面的一門綜合性課程。吉林大學高分子化學與物理專業(yè)作為教育部重點的二級學科有著悠久的歷史與雄厚的實力。與此同時，吉林大學化學學院非常重視學生對于高分子相關知識的學習，高分子化學一直是高分子專業(yè)學生的必修課。為了進一步廣泛普及高分子知識，學院于2019年將高分子化學課程作為化學專業(yè)原有的四大基礎課之外的第五大基礎課，在化學專業(yè)(非高分子專業(yè))的學生范圍內由原來的選修課調整為必修課，吉林大學化學專業(yè)學生每年人數(shù)規(guī)模在100多人，如何針對化學專業(yè)學生開展高分子化學課程講授，就成為了值得研究的課題。由于2020年伊始新冠病毒肆虐，疫情席卷全球[1]。在全國人民自覺減少社交活動、避免病毒傳播的抗疫大背景下，為了維護廣大師生的身體健康，并響應教育部“停課不停教、停課不停學”的號召，吉林大學教務處和化學學院組織針對化學專業(yè)的學生進行在線教學實踐[2,3]。

1 在線課堂學習過程

高分子化學課程內容主要分為八章內容，包括：緒論、逐步聚合、連鎖聚合、聚合方法、離子聚合、配位聚合、可控活性自由基聚合、開環(huán)聚合。與給高分子專業(yè)學生上課不同，在針對化學專業(yè)的學生進行在線授課的過程中，授課教師希望著重培養(yǎng)化學專業(yè)學生對于高分子學科的研究興趣，而非直接灌輸學生大量的概念、公式讓學生死記硬背。因此，在教學過程中授課教師充分利用網(wǎng)絡資源豐富、線上教學形式靈活等優(yōu)勢，通過穿插趣味故事與實驗視頻、動畫等內容和形式，讓學生深入了解高分子的發(fā)展歷程，并切實感受高分子材料的突出性能及其在日常生活中的廣泛應用。

例如，在第一章緒論部分中，在介紹高分子的發(fā)展歷史時，通過引入世界首例利用高分子材料制備臺球的實例提高學生對于高分子材料的興趣。16世紀早期，由于法國國王路易十四的御醫(yī)建議他餐后通過臺球運動健身，臺球運動逐漸風行起來。但是早期的臺球是由象牙制造的。一顆象牙只能做出5顆臺球，而且制造好的臺球還要經(jīng)過嚴格挑選，重量必須相同，因此臺球造價非常昂貴。后來，美國科學家海亞特研制出一種用硝化纖維素、樟腦、酒精等化工原料混合制成的臺球，大大降低了臺球的成本[4]。再例如，高分子的聚集態(tài)是決定其性能的重要參數(shù)。高分子鏈段較長，鏈段間存在多種弱相互作用，使得鏈段之間并不一定是有序排列的，多數(shù)高分子其實是以無規(guī)線團的形式存在的。對于化學專業(yè)的學生來說，高分子的空間構型是比較抽象的概念。因此，在描述高分子的無規(guī)線團分子構型時，我們將高分子比喻成方便面的面餅，充分利用線上教學的優(yōu)勢，為學生視頻展示一包方便面中面條的長度：市場上普通方便面的面餅一般為直徑12.5厘米的圓餅，我們將方便面經(jīng)過水煮之后將面條一根接一根的鋪展開，最終可以達到50–70米的長度。通過這樣一個實驗，可以有效幫助學生生動形象地理解高分子的分子構型。

在第二章逐步聚合部分，我們通過結合吉林大學在相關領域所做出的貢獻，充分調動學生的學習熱情，使得枯燥晦澀的理論推導更容易被學生接受理解，同時也加深學生在吉林大學學習的自豪感。眾所周知，凝膠點的預測與控制是體型縮聚的首要控制指標，在熱固性聚合物制品的生產過程中起到了至關重要的作用：預聚階段如果反應程度超過凝膠點，預聚物將會固化在反應釜內而無法進一步成型固化；在成型固化階段則需要控制固化速度，因為適宜的固化時間是提高材料性能的關鍵。高分子化學教材中介紹的凝膠點預測的兩個基本理論分別是Carothers理論和Flory理論。Carothers理論的基礎是假設聚合度無窮大時才發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，因此所得到的結果偏大，是實際凝膠點的上限。Flory理論的基礎是假設官能團等活性和無分子內環(huán)化反應，因此所得到的結果偏低，是實際凝膠點的下限。唐敖慶教授作為吉林大學的老校長，中國“量子化學之父”，在1963年第5卷第1期的《高分子通報》上發(fā)表題為《高分子凝膠化理論》的學術論文，提出從分子量分布函數(shù)出發(fā)，用求偏微商的辦法推導出重均分子量，再根據(jù)重均分子量趨于無窮大的凝膠化條件原則，推導出若干重要類型的共縮聚反應的凝膠化條件的方法。這一方法相較之前兩種方法更加簡便，推導過程也更加嚴謹[5]。

另外，在第三章連鎖聚合部分，授課教師重點介紹聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等經(jīng)典自由基聚合高分子材料在日常生活中的應用。在第七章可控活性自由基聚合部分，重點介紹利用這種聚合方法可以合成出哪些高分子材料，包括：嵌段共聚物、接枝聚合物、星形聚合物、超支化聚合物等，并簡要闡明它們的應用前景[6]。基礎理論知識的學習固然重要，但是學習的最終目的是要將理論知識應用于實際的科學研究中。為此，授課教師在教學過程中引入了一些具有吉林大學特色的研究成果，不但促進了學生將理論與實踐融會貫通，而且提高了學生作為吉林大學化學學院一員的自豪感與榮譽感。例如，超分子化學是化學與生物學、物理學、材料科學、信息科學和環(huán)境科學等多門學科交叉構成的前沿科學。吉林大學化學學院依托超分子結構與材料國家重點實驗室作為研究平臺，在超分子化學領域取得了突出的研究成果。通過向學生介紹超分子聚合物的相關研究成果，使得學生能夠更加容易地將基礎理論與研究前沿相結合。通過這樣把思政內容與教學各環(huán)節(jié)良好的融合過程，拓展了學生對于高分子前沿領域的了解和國際化視野，提升了學生面對分析問題和解決問題能力的科學素養(yǎng)。

與此同時，我們在課堂學習效果的測驗模式方面進行了探索和實踐，主講教師在授課過程中不定期進行課堂測驗，測驗內容出自當次課的授課內容。通過限定測驗作答時間為課后半小時之內，可以有效督促學生必須認真觀看學習當次課的相關內容，從而進一步保證學生的學習時間和學習專注程度，學生盡量在課堂上能消化理解所學內容，并通過線上和線下教學模式相結合使得教學質量得到有效的提升。

2 對課后復習和作業(yè)環(huán)節(jié)提出要求

課后作業(yè)是授課教師與學生溝通的重要平臺，也是授課教師掌握學生學習情況的重要渠道。高分子化學課程的課后復習和作業(yè)多以拓展學生思維方式、深化學生對于高分子的理解為目的。課后作業(yè)多為開放性題目，沒有標準答案，意在培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維。例如，第一章緒論部分的課后作業(yè)是讓學生構筑自己想象中的高分子，從而充分調動學生的想象力和創(chuàng)造性。圖1為授課教師對部分學生作業(yè)進行的總結，通過作業(yè)內容可以看出學生的想象力非常豐富，思維模式不是循規(guī)蹈矩，創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮，也提升了學生的學習興趣。再例如，讓學生從身邊的日常用品中找出7種可回收塑料，從而加深他們對于高分子材料應用領域的了解，同時也可以使學生直觀地感受到高分子材料對于日常生產生活的重要性(圖2)。第二章逐步聚合部分的其中一個課后作業(yè)，是希望學生以思維導圖的形式總結逐步聚合的知識點(圖3)。從學生提交的作業(yè)中可以看出，利用這種方法可以很好地強化學生對于知識點的掌握。

圖1 部分學生設計的高分子材料

圖2 部分學生收集的身邊的可回收塑料

圖3 部分學生繪制的思維導圖

另外為了更有利于掌握學生學習情況和解答學生疑難問題，授課教師除了在線方式了解和掌握學生的學習動向，還利用QQ群等網(wǎng)絡溝通方式對學生提出的問題進行解答，以增加師生之間溝通的良好媒介和渠道。這些方式可以更有針對性地解答來自不同學生的疑難問題，并有助于加深師生之間的親切感與聯(lián)結感，增強師生之間、同學之間的社群感。

3 課程取得優(yōu)良的教學效果

經(jīng)過高分子化學課程教學團隊一個學期的教學實踐與探索，我們發(fā)現(xiàn)基于以上線上和線下的教學模式可以有效地將教與學有機地結合在一起，明顯提升學生的學習興趣、積極思考和知識融會貫通的能力培養(yǎng)。同時，利用線上教學的優(yōu)勢可以將教學資源進行有效重組，優(yōu)化教學過程，實現(xiàn)教學過程的精細化管理，充分調動學生的學習主動性和積極性，保證課程教學質量。我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，開課以來每次上課基本都能達到滿勤，化學專業(yè)學生對于高分子化學課程的學習積極性很高，教學質量得到有效的提升，取得了優(yōu)良的教學效果。

4 課程思政與教學內容相融合的思考

在高分子化學課程的教學環(huán)節(jié)中，我們的教師團隊始終堅持“以學生為中心”的教學理念，把學生始終放在線上和線下課堂教學的中心環(huán)節(jié)，以提高學生學習和實踐能力、增強學生綜合的分析和解決問題的優(yōu)良素質為教學指導方向，啟發(fā)并培養(yǎng)他們傳承吉大化學“求實創(chuàng)新、勵志圖強”的優(yōu)良傳統(tǒng)，提升學生具有廣闊的視野和領悟前沿科學的素養(yǎng)。通過線上和線下課堂的有益結合，以及課程思政與教學內容的融合，我們在課程教學的進行中清晰地感受到，學生不僅掌握了本課程的專業(yè)知識，而且對于所學專業(yè)的信心和自豪感不斷增強，對相關知識理解和運用的能力在逐步提高，并且從情境化教學的實踐中深刻認識和明確了身上的責任和使命，達到了課程思政建設的預期效果。

我們認識到，把課堂教學作為課程思政的切入點，通過將課程思政覆蓋到各種形式的線上和線下課堂教學是育人的主要渠道。我們教學團隊通過加強教學管理，梳理課程形式和內容中所蘊含的思政教育元素和所承載的思政教育功能，通過對于這些教學內容和形式的探索和實踐，著力優(yōu)化課程內容設置，完善教學設計，融入課堂教學各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)思政教育與知識體系教育的有機統(tǒng)一。提升了學生的綜合素質和分析解決問題能力的培養(yǎng)。

5 結語

在抗擊新冠疫情大背景下，我們利用吉林大學在線學堂和線下課堂相結合的方式開展高分子化學課程教學。教學工作以培養(yǎng)化學專業(yè)學生對于高分子學科的研究興趣為出發(fā)點，摒棄照本宣科、死記硬背的傳統(tǒng)教學方式。從學生的學習參與性和知識掌握程度來看，教學效果顯著。與此同時，充分發(fā)揮在線教學能夠全程把握學生的學習情況、了解學生對知識的掌握程度、高效完成與學生的互動等優(yōu)勢，為疫情防控期間教學進度和教學質量提供了有力的保證。采用線上和線下相結合的教學方式，并融合思政體現(xiàn)內容，在教學環(huán)節(jié)中取得了優(yōu)良的教學效果。通過有效重組教學資源，優(yōu)化教學過程，實現(xiàn)思想政治教育與知識體系教育的有機統(tǒng)一，特別是思政元素與線上及線下課堂教學各環(huán)節(jié)的融合，有力地保證了新冠疫情防控期間教學進度的順利完成與教學質量的提升。在今后的教學實踐中，希望可以繼續(xù)完善教學方式，引導學生充分利用豐富的網(wǎng)絡資源和信息化工具進行學習，激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生的自學能力，從而提高學生的思辨和創(chuàng)新能力。