《高分子物理》選修課的教學(xué)改革與探索

孫秋菊, 初增澤, 武士威, 李 娜

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

隨著高分子科學(xué)與技術(shù)不斷發(fā)展,高分子材料制品應(yīng)用在生活、生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中,成為一個重要的學(xué)科門類[1]。《高分子物理》是高分子材料、材料化學(xué)等專業(yè)及相關(guān)專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課或者選修課。

《高分子物理》主要圍繞高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能以及二者之間的相互關(guān)系,包括高分子的鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子溶液、聚合物的力學(xué)性質(zhì)、流變性質(zhì)、熱、電和光學(xué)性能等展開討論。課程內(nèi)容多、概念多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多,教學(xué)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在講授過程中,如果學(xué)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(dá)到好的教學(xué)效果?；诖?各高校任課教師針對自身學(xué)校特色和專業(yè)方向,認(rèn)真思考,積極探討課程的教學(xué)改革與創(chuàng)新,嘗試并實施了多種教學(xué)改革措施,也取得了很大效果[2-5]。例如,大連工業(yè)學(xué)院劉兆麗老師等[6]通過合理安排教學(xué)內(nèi)容,多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合,實驗教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合,課堂教學(xué)與課后交流答疑相結(jié)合等多種手段提高教學(xué)的交互性和生動性,進(jìn)而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性；廣州石油化工學(xué)院的張世杰老師[7]通過結(jié)合工程實際對《高分子物理》課堂進(jìn)行教學(xué)改革；桂林科技大學(xué)的張煥芝老師[8]通過引入科研內(nèi)容,可以促進(jìn)《高分子物理》的教學(xué)；常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的侯文順老師[9]嘗試了《高分子物理》課程的項目化教學(xué),通過以授課教師為項目委托方,授課班級學(xué)生為項目接受方的工作情境開展教學(xué)活動,并就項目內(nèi)容簽定協(xié)議書,利用青年學(xué)生頭腦靈活、好奇心強、勇于探索的積極性,調(diào)動學(xué)生探索問題、解決問題的自主學(xué)習(xí)的積極性；玉林師范學(xué)院劉括老師等[10]從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法以及實踐教學(xué)等方面進(jìn)行了分析,提出了一些見解。

作為師范院校的一門專業(yè)選修課,課程的學(xué)習(xí)對于學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識及技能有著重要的影響。作者近年承擔(dān)《高分子物理》的教學(xué)任務(wù),經(jīng)過3年的教學(xué)實踐,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法及實驗環(huán)節(jié)等多個方面進(jìn)行了相應(yīng)的改革與探索,取得了較好的教學(xué)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(xué)現(xiàn)狀

作為專業(yè)選修課,《高分子物理》面臨的教學(xué)現(xiàn)狀:1)教學(xué)課時少。《高分子物理》在其他院校高分子相關(guān)專業(yè)中是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,授課學(xué)時多為48～64學(xué)時[11]。而在師范院校化學(xué)類專業(yè)課程設(shè)置中,由于學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案的差異,為專業(yè)選修課,學(xué)時數(shù)為30學(xué)時。2)教學(xué)內(nèi)容多。高分子物理主要研究高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及基本規(guī)律,課程內(nèi)容不僅涵蓋高分子化學(xué)、有機化學(xué)、無機化學(xué)、物理化學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和概率學(xué)等諸多基礎(chǔ)知識,而且課程中專有名詞多、基本概念多、內(nèi)容龐雜、關(guān)系錯綜、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多等。對于剛剛接觸這門課的學(xué)生來說,如果不能及時消化知識點,就會導(dǎo)致分辨不清,晦澀難懂,進(jìn)而學(xué)習(xí)興趣銳減,難以達(dá)到好的教學(xué)效果[12]。3)授課時間延后。專業(yè)選修課的開設(shè)一般安排在大三年級,此時學(xué)生面臨著考研和就業(yè)的雙重壓力,再加上學(xué)生對專業(yè)選修課的重視程度普遍不如專業(yè)必修課,存在著“混學(xué)分”的思想,因此如何增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,提高教學(xué)效果,值得深思和研究。

2 教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容的梳理整合

高分子物理主要研究高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能,其研究的對象是高分子,因此,教學(xué)內(nèi)容緊緊圍繞“分子量大”帶來的一系列特殊結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行梳理。例如,分子量大使得高分子材料只有固態(tài)和液態(tài)而沒有氣態(tài)；分子量大導(dǎo)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(xué)主線展開講解,從最小的結(jié)構(gòu)單元擴展至整個分子,再到聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；從力學(xué)性能擴展至熱性能、電性能、光學(xué)性能等,結(jié)構(gòu)和性能之間則通過分子運動來實現(xiàn)。

專業(yè)選修課的教學(xué)初衷是實現(xiàn)學(xué)生“選我所愛,愛我所選”,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和獨立性,拓寬學(xué)生的知識面,增強學(xué)生社會適應(yīng)能力[13]。針對《高分子物理》課時少、內(nèi)容多的情況下,將公式的推導(dǎo)過程列入選學(xué)內(nèi)容,強化公式的內(nèi)涵和應(yīng)用。此外,對于學(xué)生難以理解和掌握的知識點采用短詞短句記憶法。例如,學(xué)生已學(xué)習(xí)了有機化學(xué)課程,對結(jié)構(gòu)單元以及整個分子結(jié)構(gòu)的理解相對容易,但對于聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中的晶態(tài)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等相對難懂,由于此前學(xué)習(xí)的課程中涉及的聚集態(tài)內(nèi)容不多,因此,在講述時與小分子的晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對比講解,“兩句話,八個字”,即高聚物的晶態(tài)比小分子的晶態(tài)無序得多,簡化為“序中有亂”；高聚物的非晶態(tài)比小分子的非晶態(tài)有序的多,簡化為“亂中有序”,高度概括出了高分子的晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征,學(xué)生容易理解,更加深了記憶。

2.2 教學(xué)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(xué)內(nèi)容,教師講解時往往費神費力,學(xué)生理解困難[14]；借助多媒體教學(xué),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(nèi)容,達(dá)到了很好地教學(xué)效果[15]。這種多媒體教學(xué)手段,不僅增大了教學(xué)信息量,也使得難以講解的內(nèi)容更直觀、形象。例如,講述鏈段和柔性一節(jié),由于涉及分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動,特別是隨著碳鏈增長的內(nèi)旋轉(zhuǎn)過程,學(xué)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(xiàn)了碳鏈的增長所對應(yīng)的內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(xué)生更容易掌握。

課堂上,還可以通過教師或者學(xué)生動手操作進(jìn)行演示,如講述取向態(tài)結(jié)構(gòu)時,讓學(xué)生拉伸準(zhǔn)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(yīng)用,拓寬了學(xué)生的知識面。此外,借助于現(xiàn)代的通訊手段,建立QQ交流群,隨時就學(xué)生提出的各種疑問進(jìn)行解答,將課堂學(xué)習(xí)延續(xù)到課下。

2.3 教學(xué)方法的靈活多樣

教學(xué)方法是否得當(dāng),對教學(xué)效果起著至關(guān)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(xué)方法,使課堂教學(xué)更加開放和融合。例如,可根據(jù)設(shè)定的主題進(jìn)行分組討論,也可以由學(xué)生提出問題進(jìn)行討論,增加學(xué)生與教師之間的互動,活躍課堂氣氛,使學(xué)生由被動的想逐漸過渡到主動思考,增加學(xué)生的求知欲。此外,也可以采用講座、參觀、見習(xí)等方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(yīng)用廣泛,塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑等應(yīng)用在生活的各個領(lǐng)域,學(xué)生對生活中的高分子材料制品有一定的感知和認(rèn)知,因此,選定主題討論時最好結(jié)合生活應(yīng)用,像日用塑料產(chǎn)品上的標(biāo)記、商品標(biāo)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(xué)生興趣更濃,互動效果更好[16]。此外,也可結(jié)合學(xué)生實驗中的操作進(jìn)行互動,例如化學(xué)實驗中膠塞打孔插管的操作,就如何選擇打孔器進(jìn)行主題討論,結(jié)果發(fā)現(xiàn),有一部分同學(xué)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(xué)選擇直徑相同的打孔器,結(jié)合這個問題講解橡膠的粘彈性和擠出物的脹大效應(yīng)。

近年來,高分子科學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn),新材料新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),大量學(xué)術(shù)論文公開發(fā)表,任課教師必須緊跟學(xué)科發(fā)展前沿,及時傳授新知識、新發(fā)展,跟上時代的步伐[17]。此外,還可以結(jié)合自身的科研成果,豐富教學(xué)內(nèi)容。

2.4 實驗教學(xué)的緊密配合

生動的實驗教學(xué)可以活躍理論教學(xué)的枯燥氣氛,豐富多彩的實驗內(nèi)容可以充實單調(diào)的理論講授,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。按照以往教學(xué)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(xué)內(nèi)容,時常出現(xiàn)實驗提前于理論課的現(xiàn)象。盡管實驗指導(dǎo)教師會講解實驗原理,但受時間限制學(xué)生難以完全理解和掌握,使得學(xué)生被動地實驗。等到理論課講解到該內(nèi)容時,學(xué)生可能因?qū)嶒炘缫呀Y(jié)束而一知半解,實驗課和理論課的教學(xué)效果均不理想。針對這種現(xiàn)象,任課教師開課前與實驗老師進(jìn)行溝通,及時調(diào)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(xiàn)象,提高實驗課和理論課的教學(xué)效果。

2.5 實踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新訓(xùn)練

在授課過程中發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)對高分子科學(xué)領(lǐng)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(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目,讓一些學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生組成科研小組,通過申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目,獲得經(jīng)費支持,進(jìn)行科研實訓(xùn)活動,進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。目前為止,《高分子物理》專業(yè)選修課的開設(shè)已經(jīng)有3年時間,每年均有學(xué)生考取東北師范大學(xué)、東北大學(xué)等學(xué)校的高分子相關(guān)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(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目,發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇[18]；2017年科研小組申報的課題“氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定兒童泡沫塑料中甲酰胺的含量”獲批遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目支持,目前實驗正在進(jìn)行中。

3 教學(xué)反思

《高分子物理》作為師范院校化學(xué)類專業(yè)的一門專業(yè)選修課,盡管學(xué)時少、內(nèi)容多、理論性強、難理解,但在嚴(yán)格闡明基本概念的基礎(chǔ)上,緊抓結(jié)構(gòu)與性能相互關(guān)系這條主線,采用多種教學(xué)方法和教學(xué)手段,也能提高教與學(xué)的互動性,加大實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)效果,有助于提高教學(xué)質(zhì)量。然而,在教學(xué)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(xué)科,涉及化學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)知識,對任課教師的知識水平提出了更高的要求。作為專業(yè)選修課的任課教師,需要潛心研究教學(xué)內(nèi)容,不斷吸納新知識和新方法,積極進(jìn)行教學(xué)改革與創(chuàng)新,將知識傳授到位。2)學(xué)生選課存在盲目性。一方面體現(xiàn)在學(xué)生對課程的簡單理解,存在著“想當(dāng)然”的選課思想,缺乏必要的引導(dǎo)；另一方面,學(xué)生往往憑興趣選課,選課分散,沒有與考研、就業(yè)相結(jié)合,缺少整體規(guī)劃和學(xué)業(yè)設(shè)計。3)學(xué)校對專業(yè)選修課的重視程度往往低于必修課,使得專業(yè)選修課的教學(xué)資源、教師配備不足,需要增加專業(yè)選修課的教學(xué)投入和人才引進(jìn),等等?？傊?提高專業(yè)選修課的教學(xué)質(zhì)量,對實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)起著重要的作用。