新工科背景下《高分子物理》課堂設(shè)計與思政教育

劉巧賓，孫金鵬，王曉蓓

(北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)?！靶鹿た啤睔v經(jīng)了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等階段的醞釀,最終塵埃落定。教育部新工科項(xiàng)目的正式認(rèn)定，也意味著備受關(guān)注的高校新工科建設(shè)開始進(jìn)入實(shí)施階段[1]。新工科的內(nèi)涵主要為:以立德樹人為引導(dǎo)，以培養(yǎng)具備多元化能力和創(chuàng)新精神的卓越工程人才為目標(biāo)[2]。新工科的建設(shè)離不開課程的教學(xué)改革。

當(dāng)前，大學(xué)生收獲知識的主要渠道還是課堂，因此有效的課堂設(shè)計是搞活課堂氣氛，提高學(xué)習(xí)效果的重要手段。如何進(jìn)行有效的課堂設(shè)計呢？首先應(yīng)考慮課堂上師生的專注力。只有當(dāng)彼此的專注力合拍時，學(xué)生才可能會全神貫注，如癡如醉，起到事倍功半的作用。師生課上專注力曲線如圖1。

圖1 師生課堂上專注力對比

由圖1看出，普通的、沒有經(jīng)過設(shè)計的課堂，教師和學(xué)生的專注力完美的錯開了。課堂伊始，學(xué)生精神飽滿，充滿期待接受新知識，慢慢發(fā)現(xiàn)教師還是原來的教師，模式還是原來的模式。尤其是工科的課程，還是一樣的枯燥乏味，開始分神，直至注意力完全從課堂游離，快到下課點(diǎn)時又開始期盼教師按點(diǎn)下課；而教師上課則是越講越興奮，越講越來勁，后面由于體力問題，或是沒有學(xué)生的回應(yīng)而專注力略微下降。師生專注力不能很好的匹配，這是教學(xué)效果不好的直接原因。所以教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的專注力變化精心的設(shè)計課堂。本文以高分子物理的三個片段來分析下課堂的設(shè)計，該方法同樣適用于其他的學(xué)科。

1 BOPPPS教學(xué)法—以高分子的溶解過程及特點(diǎn)為例

BOPPPS是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計及課堂組織教學(xué)的一種有效模式，是以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，它由導(dǎo)言(Bridge-in)、學(xué)習(xí)目標(biāo)(Objective/Outcome)、前測(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(ParticipatoryLearning)、后測(Post-assessment)和總結(jié)(Summary)六個環(huán)節(jié)構(gòu)成。BOPPPS是這六個教學(xué)環(huán)節(jié)的英文單詞的首字母構(gòu)成[3]。

在講授高分子的溶解過程及特點(diǎn)這部分內(nèi)容時，首先以“墨水溶于水”和“苯乙烯溶于苯”兩個動圖展示的方式引入，讓學(xué)生細(xì)心的觀看兩遍后，以問答的形式展開分析，見表1。

表1 對于高分子溶解過程的師生問答設(shè)計

當(dāng)進(jìn)行完我問你答后，聚合物的溶解過程就已經(jīng)很清晰的展現(xiàn)出來了。教師讓學(xué)生嘗試著復(fù)述下，學(xué)生就已經(jīng)自然的掌握了聚合物的溶解過程了。此時，教師一定要給予學(xué)生適時的表揚(yáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)會更帶勁。老師繼續(xù)發(fā)問，如果溶脹到一定程度，分子間距離不再增大會怎么樣？學(xué)生答，溶脹到一定程度就結(jié)束了。什么樣的聚合物溶脹到一定程度分子間距離不能再增大？學(xué)生開始思考，有學(xué)生能回答出交聯(lián)聚合物。這時老師小結(jié)：非晶聚合物的溶解過程是先溶脹后溶解。溶脹分為有限溶脹(交聯(lián)聚合物)和無限溶脹(線性聚合物)，完成了第一個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

那結(jié)晶聚合物呢？晶區(qū)分子鏈段緊密規(guī)整排列著，小分子溶劑都進(jìn)入不了。學(xué)生回答，給它加熱破壞。能不能自發(fā)熱？學(xué)生陷入沉思。老師啟發(fā)：什么反應(yīng)會放熱？生成還是破壞化學(xué)鍵的？能量升高的還是降低的？學(xué)生回答：生成化學(xué)鍵的，能量減低的。老師啟發(fā)：如果一種物質(zhì)帶吸電子基團(tuán)，另一種帶供電子基團(tuán)，兩者相互接近時會怎么樣？會反應(yīng)，對吧，但如果此時只是他們之間的距離沒有足夠近，就不會形成新的化學(xué)鍵，但也會使能量降低。這種效應(yīng)叫做溶劑化作用，極性的物質(zhì)會有溶劑化作用。老師小結(jié)：非極性結(jié)晶聚合物溶解只能靠外加熱；極性結(jié)晶聚合物除外加熱，還可以通過加入極性溶劑—溶劑化作用，自發(fā)熱而破壞結(jié)晶。

掌握了聚合物溶解過程的理論后，再做后測。請學(xué)生思考為什么尼龍在室溫下可以被適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，而HDPE和PP 則不可以？學(xué)生結(jié)合前面學(xué)習(xí)已有的知識可以判斷尼龍和HDPE、PP都是結(jié)晶聚合物，尼龍是極性的，HDPE和PP都是非極性，進(jìn)而根據(jù)剛學(xué)過的理論給出正確解釋。

本知識點(diǎn)最后以課下搜集習(xí)題的形式結(jié)束。為鞏固本次課知識，教師請大家課后去查有關(guān)聚合物溶解的習(xí)題或?qū)嵗?，以每個宿舍為單位，相互間考考彼此，找出每個宿舍公為難度最大的題目拿到下節(jié)課課堂來，下次課老師匯總后，在班上展示，考其他學(xué)生，最后評出最好的題目，給與獎勵積分。既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，又讓每個同學(xué)至少思考過類似的10道題，加深對本知識點(diǎn)的掌握。

這樣經(jīng)過動圖展示起到“鳳頭”作用，中間分解為老師啟發(fā)、學(xué)生思考、生生互動、師生互動等形式讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)，時刻緊扣學(xué)生心弦；適時給予學(xué)生表揚(yáng)和鼓勵，讓學(xué)生感受到滿滿的收獲感。

2 由淺入深——提升知識的高階性，適時思政——以高分子溶劑選擇為例

高分子溶液廣泛用于涂料、黏合劑及紡絲等領(lǐng)域。其使用前提是選擇合適的溶劑從而使其溶解形成溶液，使用時將溶劑揮發(fā)掉。絕大多數(shù)高分子溶液是以苯、酮、醚、胺等有機(jī)原料為溶劑，這些有機(jī)溶劑的揮發(fā)會引起嚴(yán)重的環(huán)境破壞和生態(tài)災(zāi)難，嚴(yán)重危害人類的身體健康，不符合綠色生態(tài)環(huán)保要求。另一方面，這些有機(jī)溶劑均來源于石油化工行業(yè)，而石油為不可再生的資源，因此，大量有機(jī)溶劑的揮發(fā)是一種嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

為迎合可持續(xù)發(fā)展的社會主義發(fā)展觀，應(yīng)開發(fā)綠色環(huán)保的高分子溶液：以水為溶劑，減少了環(huán)境污染；水還可以循環(huán)利用，節(jié)省資源。但要使高聚物能溶于水，根據(jù)我們學(xué)習(xí)的溶劑選擇原則，高分子鏈上應(yīng)含有羥基、羧基、氨基、磺酸基等親水基團(tuán)，尤其是制成超支化的結(jié)構(gòu)(科研前沿)，增加其親水性。但是，目前高分子溶液還存在許多不足，在很多領(lǐng)域還不能完全取代傳統(tǒng)的溶劑型溶液，但是相信隨著科技的發(fā)展，勢必會完全替代傳統(tǒng)的高分子有機(jī)溶液。

本部分基于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，與實(shí)際應(yīng)用案例有機(jī)結(jié)合，有助于提高學(xué)生對高分子物理理論的具體認(rèn)識，明白高分子物理的理論并非空洞、抽象的理論，而是具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價值，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)高分子物理的積極性。強(qiáng)調(diào)溶劑使用原則為保證使用者的安全、不危害環(huán)境。同時，告訴學(xué)生開發(fā)產(chǎn)品始終要秉持“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”的理念，“綠水青山就是金山銀山”，要考慮人與自然的和諧共處，科研要基于可持續(xù)科學(xué)發(fā)展觀和綠色生態(tài)觀，加強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感[4]，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才。[5]

3 對分課堂——以聚合物的三態(tài)兩轉(zhuǎn)變?yōu)槔?/h2>

對分課堂是區(qū)別于傳統(tǒng)滿堂灌的課堂而言。對分課堂是復(fù)旦大學(xué)心理系張老師提出的一種課堂教學(xué)改革模式：課堂一半時間教師講授，另一半時間分配給學(xué)生以討論的方式進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)[6]。

對分課堂可以當(dāng)堂對分，隔堂討論，還可兩者兼用。本文以“聚合物的三態(tài)兩轉(zhuǎn)變”為例,當(dāng)堂對分。教師首先詳細(xì)講解非晶態(tài)聚合物的T-ε曲線：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)及各自對應(yīng)的運(yùn)動單元和力學(xué)行為，玻璃化轉(zhuǎn)變和黏流轉(zhuǎn)各自對應(yīng)的運(yùn)動單元的啟動；為鞏固知識，提升難度，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維等，留出一些時間讓學(xué)生結(jié)合已有的理論知識對結(jié)晶聚合物的T-ε曲線先進(jìn)行獨(dú)立思考，與鄰座的同學(xué)相互探討，教師點(diǎn)評，生生互動，師生互動。

老師先引導(dǎo)同學(xué)們思考結(jié)晶與非晶聚合物結(jié)構(gòu)上的不同，運(yùn)動單元的不同，提醒同學(xué)們高聚物都不會是100%結(jié)晶，有晶區(qū)和非晶區(qū)；結(jié)晶度不同的聚合物，或以晶區(qū)為主，或以非晶區(qū)為主，需要分開討論。留出 3 min 的時間，讓學(xué)生們獨(dú)立畫出高、低結(jié)晶度聚合物的T-ε曲線，再與鄰座同學(xué)交換答案，或彼此探討，給出公認(rèn)的圖形；老師再隨機(jī)請兩組同學(xué)去畫在黑板上，供同學(xué)們點(diǎn)評。經(jīng)過以上步驟，同學(xué)們在心里不斷的構(gòu)思—推翻—重建，基本上都能給出正確的答案。

老師請答對的同學(xué)闡述原因，一方面看他的思維是否清晰，另一方面讓其他同學(xué)學(xué)習(xí)。最后老師小結(jié)：低結(jié)晶度通常是指聚合物的結(jié)晶度低于40%，此時存在比例較大的非晶區(qū)，因此能表現(xiàn)出類似非晶聚合物明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變，之后非晶區(qū)進(jìn)入高彈態(tài)，與晶態(tài)共存表現(xiàn)為柔韌的皮革狀態(tài)，繼續(xù)升高溫度，晶區(qū)破壞，分子鏈大小不同，較短的分子鏈和較長的分子鏈依次進(jìn)入粘流態(tài)；而當(dāng)結(jié)晶度超過 40%后，微小比例的非晶區(qū)已經(jīng)表現(xiàn)不出明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變，溫度升高到一定程度，晶區(qū)熔融，分子量比較小時，分子間作用力相對比較弱，聚合物直接進(jìn)入粘流態(tài)，當(dāng)分子量較高時，分子鏈間作用力較大，而且由于分子鏈相互纏結(jié)，熔融后仍不能流動，黏流溫度高于熔點(diǎn)溫度，只有超過熔融溫度后，聚合物才進(jìn)入黏流態(tài)。用同樣的方法讓大家課下畫出不同聚合物的模量-溫度曲線，作為隔堂討論，下節(jié)課上課的前一部分時間，來解決留下的這一問題。

由此作為思政元素，非晶態(tài)、晶態(tài)和交聯(lián)聚合物的力學(xué)狀態(tài)都表現(xiàn)出溫度的依賴性，但是結(jié)晶和交聯(lián)聚合物由于分子鏈中晶區(qū)的束縛和化學(xué)交聯(lián)鍵存在，材料對溫度依賴性受到制約。大家目前的思想正值發(fā)育階段，也非常的依賴外界環(huán)境，只有經(jīng)過不斷的系統(tǒng)訓(xùn)練，才會有思考問題和邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性。另外，隨著科技和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，大家接觸的新鮮事物蜂擁而至。面對前所未有的挑戰(zhàn)，沒有前人經(jīng)驗(yàn)可借鑒，所以需要大家始終保持一顆愛他人，愛國愛校的心。有正確的價值觀去適應(yīng)變革，才能成為有社會責(zé)任心、有擔(dān)當(dāng)、有專業(yè)技術(shù)能力的人才。

最后結(jié)合實(shí)例：為什么常溫下天然橡膠是柔軟的彈性材料，而-100 ℃ 時會變得很硬，起不到緩沖作用，不能再做輪胎使用。讓學(xué)生能將理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用，不再感覺到內(nèi)容的枯燥。

對分課堂這種引導(dǎo)式教學(xué)方式，教師讓學(xué)生們經(jīng)過獨(dú)立思考，小組成員間討論激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，碰撞火花，有助于他們深入透徹的理解相關(guān)的知識，充分吸收和消化課堂內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)目標(biāo)。

4 結(jié)語

在高分子物理教學(xué)中，以立德樹人為引導(dǎo)，以培養(yǎng)具備多元化能力和創(chuàng)新精神的卓越工程人才為目標(biāo)，抓住課程改革核心環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮各教學(xué)方法之特長，搞活課堂氣氛，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，堅持價值引領(lǐng)、能力培養(yǎng)和知識傳授有機(jī)融合，真正實(shí)現(xiàn)在課堂教學(xué)活動中全方位、全過程、全員立體化育人[7]。