新工科背景下《高分子化學實驗》教學改革與實踐*

陳榮源，張曉靜，何領(lǐng)好，張忠厚，韓 琳，楊皓然，周立明

(鄭州輕工業(yè)大學材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002)

《高分子化學》是高分子科學的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程注重培養(yǎng)學生系統(tǒng)理解和掌握高分子科學，特別是高分子合成的重要概念和基礎(chǔ)理論的能力。《高分子化學實驗》是與《高分子化學》相配套的基礎(chǔ)實驗課程，側(cè)重于學生自己動手進行高分子合成的實驗過程，目的是使學生在實踐中認識并理解高分子科學理論，并運用相關(guān)理論對實驗結(jié)果進行分析和討論。鄭州輕工業(yè)大學高分子材料與工程專業(yè)2009年入選國家級特色專業(yè)，2019年入選國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，2020年“新工科背景下高分子材料與工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升范式探索與實踐”獲批河南省新工科研究與實踐項目立項。《高分子化學實驗》作為本專業(yè)重要專業(yè)基礎(chǔ)實驗課之一，積極探索其教學改革，研究人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)新模式對支撐國家一流本科專業(yè)建設(shè)和新工科背景下人才培養(yǎng)質(zhì)量提升具有十分重要的意義。同時也為其他兄弟院校在進行高分子實踐教學改革和創(chuàng)新提供參考。

1 傳統(tǒng)實驗教學存在的問題

《高分子化學實驗》是培養(yǎng)高分子科學專門人才首要的關(guān)鍵實踐環(huán)節(jié)[1]，通過老師與學生面對面、手把手地教和學，從而培養(yǎng)學生的實驗觀察分析能力、基本實驗操作能力、遇到問題的應變和個人解決問題能力以及實驗過程小組間的協(xié)作能力。通過調(diào)研分析，較多高校在開設(shè)該課程時，實驗內(nèi)容都包括自由基聚合的四大基本聚合方法：本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合。傳統(tǒng)實驗教學模式[2]：首先學生在實驗前做好預習，實驗課開始后將實驗預習報告交給老師檢查批改，老師先講解實驗基本原理和方法以及操作過程并對學生預習情況進行提問，然后學生開始組裝實驗裝置，稱量藥品，準備實驗，在實驗過程中，通過觀察實驗現(xiàn)象，并做記錄，中間遇到問題隨時可以向老師請教，同時老師也實時跟蹤學生實驗情況，實驗結(jié)束后，學生記錄實驗結(jié)果，后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理，清理好實驗儀器后可以離開，老師根據(jù)實驗報告完成情況，結(jié)合實驗過程，做出成績評定。而在這種傳統(tǒng)實驗教學過程中，存在以下問題：

(1)課前預習效果差。由于部分學生的動手操作能力以及對實驗的理解能力較弱，對實驗所需了解的環(huán)境、設(shè)備、現(xiàn)象和注意事項感到抽象陌生，導致對實驗的內(nèi)容和原理掌握不到位，預習效果差。

(2)實驗平臺搭建不規(guī)范。實驗課就是動手的過程，但由于學生平常都是以理論課為主，動手操作過程相對較少，往往認為實驗很簡單，眼高手低現(xiàn)象嚴重，所以在儀器組裝過程中，經(jīng)常出現(xiàn)水管接口爆開，玻璃儀器破碎、裝置中心不穩(wěn)、攪拌棒與燒瓶不平衡等現(xiàn)象，而且組裝實驗儀器，動作都很生硬緩慢，這些問題帶來的后果就是實驗容易失敗，浪費時間和藥品。以苯乙烯的懸浮聚合為例，合成實驗的產(chǎn)品外觀和性能很大程度上取決于攪拌器的攪拌速率以及攪拌的均勻性，由于個別學生在實驗裝置搭建過程中不嚴格按照要求進行調(diào)試，出現(xiàn)攪拌器歪斜或是近乎觸底，導致實驗攪拌效果較差，在聚合反應后期，苯乙烯低聚物的黏度逐漸增大而發(fā)生黏結(jié)成團，無法分散成顆粒均勻的小單元，導致苯乙烯懸浮聚合產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定，甚至實驗失敗。

(3)教學講解過程無留存。傳統(tǒng)實驗教學過程，學生人數(shù)多，對于基礎(chǔ)實驗，一般安排兩人一組進行實驗。從老師講解到開始實驗，再到實驗過程和最后的實驗結(jié)果分析和數(shù)據(jù)處理，老師都會在學生集中后，對大家進行統(tǒng)一系統(tǒng)講解，而少量學生可能因講解時開小差，或因沒有預習，對老師講解的內(nèi)容理解不到位，導致實驗開始后稱量藥品、搭建實驗裝置出現(xiàn)問題，進而實驗過程中也容易出現(xiàn)異常現(xiàn)象，但又不知道如何處理，實驗結(jié)果不理想，而在進行實驗記錄和完成實驗報告時，出現(xiàn)學生因流于形式，抄襲實驗書本步驟，而不是對自己的實驗過程進行詳細記錄，沒能起到應有的實驗學習效果。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”教學改革與創(chuàng)新實踐

針對傳統(tǒng)實驗教學存在的不足，筆者以《高分子化學實驗》課程為例，進行教學改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐。在課程改革實踐中，創(chuàng)新性地將“互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)引入到實驗教學中來，形成“互聯(lián)網(wǎng)+實驗預習”、“互聯(lián)網(wǎng)+實驗操作演示”、“互聯(lián)網(wǎng)+實驗問題處理”、“互聯(lián)網(wǎng)+實驗結(jié)果處理”等“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式，更好的協(xié)調(diào)老師的教和學生的學，提升高分子化學實驗的教學效果和學生的學習效率。為提高實驗教學效果，本教學改革實踐從以下四個方面進行推進：

(1)“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的建立

采用視頻錄制的手段，對實驗裝置搭建、實驗操作過程演示、藥品稱量過程和實驗現(xiàn)象觀察等實驗內(nèi)容進行知識點模塊化設(shè)計；采用圖片制作技術(shù)，對實驗目的、實驗原理、實驗要求、實驗注意事項、實驗現(xiàn)象解析和實驗結(jié)果分析和數(shù)據(jù)處理方法等知識點進行模塊化設(shè)計；集成視頻模塊和圖片模塊，以實驗討論為中心，并聯(lián)各知識點模塊，建立“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式。

(2)“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的探索實踐

對建立好的“互聯(lián)網(wǎng)+”知識點模塊進行三個層次的實踐研究。第一，在《高分子化學》教學團隊中進行實踐研究，通過過程的演練與展示，在專業(yè)教研室范圍內(nèi)進行討論和分析，并總結(jié)經(jīng)驗，從“教”的角度獲取建議；第二，組織專業(yè)學有余力并對高分子化學及實驗有較大興趣的學生(已經(jīng)做過高分子化學實驗)進行實踐研究，通過學生的實際實驗感受來總結(jié)“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學模式的經(jīng)驗，從“學”的角度獲取建議；第三，在實際實驗教學中引入“互聯(lián)網(wǎng)+”知識點模塊進行實踐研究，如實驗預習、實驗裝置搭建、實驗操作過程演示等的視頻和圖片[3-4]，通過釘釘群平臺、微信群平臺、QQ群平臺等進行“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的開展，作為傳統(tǒng)教學方法的補充，總結(jié)經(jīng)驗并獲取學生們的意見和建議。

(3)“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的效果分析與改進

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的三個層次的實踐研究，總結(jié)經(jīng)驗和建議，理清“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式下的“教”與“學”的關(guān)系；重點對實驗教學中開展“互聯(lián)網(wǎng)+”教學產(chǎn)生的問題進行分析并逐一進行改進，建立“分析-改進-反饋-實踐-再分析”閉環(huán)式改進方案，使得“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式完善并服務于學生，提升學生們的學習興趣和學習效率。

(4)“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的應用與推廣

經(jīng)過改進的“互聯(lián)網(wǎng)+”教學方法，需要進一步在實際教學中不斷應用才能體現(xiàn)出其價值，同時也能更多反應其存在的不足，因此，在課程教學中，應逐步大范圍采用“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式，從傳統(tǒng)教學方法為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教學模式為主，最終達到學生在進行高分子化學實驗過程中能夠自我思考、自我動手，形成自己的問題并能提出問題，在實驗討論中，由老師進行引導思考與解決問題，達到創(chuàng)新學習、創(chuàng)新思考的目的。在此基礎(chǔ)上，可以將這種“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式進行推廣，應用到更多的實踐教學環(huán)節(jié)中。

3 教學實踐的主要特色和解決的關(guān)鍵問題

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”《高分子化學實驗》教學改革實踐的特色主要有兩方面：第一，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到高分子化學實驗傳統(tǒng)教學過程中，基于當前計算機和移動通信工具的快速發(fā)展和普及，實現(xiàn)知識模塊移動化學習，不僅提高了實驗課堂教學的效率，同時可以打破實驗室集中學習和討論的局限，進而提高學生學習的效果；第二，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式的開展方式多樣化，可以是視頻的、圖片的內(nèi)容，可以在網(wǎng)絡共享平臺、微信平臺、QQ平臺等進行展示和討論，這些不僅容易操作，而且不需額外成本，這種教學模式可以拓展到其他的實驗課程和理論課程，根據(jù)不同課程性質(zhì)做特定改進，具有普適性。

在教學改革實踐中，有三方面的問題需要教學改革實施者綜合考慮并在過程中予以解決。第一，如何對實驗裝置搭建、實驗操作過程演示、藥品稱量過程和實驗現(xiàn)象觀察等實驗內(nèi)容進行知識點模塊化設(shè)計，再通過視頻錄制、圖片制作等手段，形成邏輯性強、層次清晰、內(nèi)容明確的“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模塊，這是“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式開展的前提和必要條件。第二，如何合理化調(diào)控“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式與傳統(tǒng)“老師講學生做”教學模式有機配合的教學過程，實現(xiàn)課堂效果最優(yōu)化和學生學習效率最高化的教學目標，這是開展“互聯(lián)網(wǎng)+”教學過程的關(guān)鍵條件；第三，開展“互聯(lián)網(wǎng)+”教學與傳統(tǒng)教學相結(jié)合，如何跟蹤和評價學生的學習效果，從教與學的角度來綜合考慮，如何建立一套學習效果評價體系[5]，是開展“互聯(lián)網(wǎng)+”教學過程取得良好教學效果的重要保障。

4 實驗教學效果的提升與抗擊疫情教學反思

《高分子化學實驗》自開展“互聯(lián)網(wǎng)+”教學改革以來，形成了一套較完備的模塊化教學資料，按照新工科建設(shè)要求，重在提升業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，經(jīng)過調(diào)查反饋和分析，實驗教學效果有了明顯提升。第一，新實驗提前通過互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)學習資料，學生利用自己的課余時間進行實驗預習，帶著一定的學習基礎(chǔ)和問題來進行實驗動手操作，同時能夠更快的理解老師的講解內(nèi)容；第二，實驗操作方面，能夠快速準確搭建實驗裝置，能夠注意到特強調(diào)的關(guān)鍵點；第三，能夠快速調(diào)整實驗過程出現(xiàn)的不合理之處，盡量減少由于實驗操作不當或是考慮不周帶來的影響；第四，能夠較好的記錄實驗效果和實驗過程現(xiàn)象，得到實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到合理結(jié)論；第五，能夠就實驗結(jié)果進行有效分析。

2020年新型冠狀病毒疫情給我們?nèi)珖舷聨砹酥卮蠼?jīng)濟損失和生活影響，在全國上下齊抗疫的大形勢下，各級學校積極響應教育部的“停課不停學”的方針政策，居家學習成為了學生們的日常。老師們都通過一些網(wǎng)絡課程平臺與學生通過各種方式進行交流和互動，這些課程主要是理論課程。那么，對于實驗課程，該如何開展線上教學呢，這是值得我們教育工作者進行思考的。疫情防護期間，學生居家學習和上課，無法參加室內(nèi)集中的實驗教學，因此只能從網(wǎng)上想辦法，于是全面開展“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學，將實驗課堂搬到屏幕上，成為實驗課程教學的新方法，雖每個人都無法動手操作儀器，但是卻都可以系統(tǒng)地學習實驗過程，并且在遇到問題時可以隨時回放。

5 結(jié) 語

新工科以培養(yǎng)具備可持續(xù)競爭力的人才為目標，以應對新經(jīng)濟形勢下產(chǎn)業(yè)人才需求的改變，本文提出實驗課程“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式，解決了傳統(tǒng)實驗教學方法存在的課前預習效果差、實驗平臺搭建不規(guī)范、教學講解過程無留存等問題，有效提高了學生的學習興趣和學習效率。結(jié)合2020年新型冠狀病毒疫情防控需要，推廣“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗課程教學模式，不斷滿足人才培養(yǎng)過程的理論與實踐相結(jié)合的更高要求，進一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。