高分子物理选修课教学改革与探索

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摘要:专业选修课是高等师范院校课程设置的重要组成部分,目的在于激发学生的学习积极性、主动性和独立性,拓宽学生的知识面,因此专业选修课的开设对于夯实学生的专业基础,提高学生的专业能力,增强就业竞争力意义重大。《高分子物理》是师范院校化学类专业的一门专业选修课,主要讲授高分子物质的结构和性能,包括高分子的链结构、聚集态结构、高分子溶液、聚合物的力学性质、流变性质、热、电和光学性能等。课程内容多、概念多、数学推导多,教学面临严峻的挑战。在学时少、内容多、理论性强且抽象难理解的情况下,从教学内容、教学手段、教学方法、实验教学等多方面进行改革与探索,抓住课程的教学主线,融合多种教学方法,引导学生积极思考,启发学生创新思维,提高教学质量。

关键词:高分子物理;选修课;教学改革;创新

0引言

随着高分子科学与技术不断发展,高分子材料制品应用在生活、生产的各个领域中,成为一个重要的学科门类[1]。《高分子物理》是高分子材料、材料化学等专业及相关专业本科生的一门重要的专业基础课或者选修课。《高分子物理》主要围绕高分子物质的结构和性能以及二者之间的相互关系,包括高分子的链结构、聚集态结构、高分子溶液、聚合物的力学性质、流变性质、热、电和光学性能等展开讨论。课程内容多、概念多、数学推导多,教学面临严峻的挑战。在讲授过程中,如果学生不能及时消化知识点,时间一长会觉得分辨不清,晦涩难懂,兴趣锐减,难以达到好的教学效果。基于此,各高校任课教师针对自身学校特色和专业方向,认真思考,积极探讨课程的教学改革与创新,尝试并实施了多种教学改革措施,也取得了很大效果[25]。例如,大连工业学院刘兆丽老师等[6]通过合理安排教学内容,多媒体教学与传统教学手段相结合,实验教学与理论教学相结合,课堂教学与课后交流答疑相结合等多种手段提高教学的交互性和生动性,进而调动学生学习的主动性和积极性;广州石油化工学院的张世杰老师[7]通过结合工程实际对《高分子物理》课堂进行教学改革;桂林科技大学的张焕芝老师[8]认为通过引入科研内容,可以促进《高分子物理》的教学;常州工程职业技术学院的侯文顺老师[9]尝试了《高分子物理》课程的项目化教学,通过以授课教师为项目委托方,授课班级学生为项目接受方的工作情境开展教学活动,并就项目内容签定协议书,利用青年学生头脑灵活、好奇心强、勇于探索的积极性,调动学生探索问题、解决问题的自主学习的积极性;玉林师范学院刘括老师等[10]从教学内容、教学手段、教学方法以及实践教学等方面进行了分析,提出了一些见解。作为师范院校的一门专业选修课,课程的学习对于学生掌握专业基础知识及技能有着重要的影响。作者一直承担《高分子物理》的教学任务,经过几年的教学实践,从教学内容、教学手段、教学方法及实验环节等多个方面进行了相应的改革与探索,取得了较好的教学效果,但受多种因素的影响,仍存在一些问题值得思考。

1教学现状

作为专业选修课,《高分子物理》面临的教学现状:1)教学课时少。《高分子物理》在其他院校高分子相关专业中是一门重要的专业基础课,授课学时多为48~64学时[11]。而在师范院校化学类专业课程设置中,由于学生培养目标和培养方案的差异,为专业选修课,学时数为30学时。2)教学内容多。高分子物理主要研究高分子材料结构与性能之间的内在联系及基本规律,课程内容不仅涵盖高分子化学、有机化学、无机化学、物理化学、统计学和概率学等诸多基础知识,而且课程中专有名词多、基本概念多、内容庞杂、关系错综、数学推导繁多等。对于刚刚接触这门课的学生来说,如果不能及时消化知识点,就会导致分辨不清,晦涩难懂,进而学习兴趣锐减,难以达到好的教学效果[12]。3)授课时间延后。专业选修课的开设一般安排在大三年级,此时学生面临着考研和就业的双重压力,再加上学生对专业选修课的重视程度普遍不如专业必修课,存在着“混学分”的思想,因此如何增加学生学习的兴趣,提高教学效果,值得深思和研究。

2教学改革

2.1教学内容的梳理整合

高分子物理主要研究高分子材料的结构与性能,其研究的对象是高分子,因此,教学内容紧紧围绕“分子量大”带来的一系列特殊结构和性能进行梳理。例如,分子量大使得高分子材料只有固态和液态而没有气态;分子量大导致的不均一性;分子量大使得分子运动单元具有多重性;分子量大使得分子运动具有粘弹性;分子量大使得溶液和熔体的粘度大,具有非牛顿流体的特性;分子量大使得高分子材料具有强度、硬度等力学性能;等等。抓住“大”这条教学主线展开讲解,从最小的结构单元扩展至整个分子,再到聚集态结构;从力学性能扩展至热性能、电性能、光学性能等,结构和性能之间则通过分子运动来实现。专业选修课的教学初衷是实现学生“选我所爱,爱我所选”,激发学生的学习积极性、主动性和独立性,拓宽学生的知识面,增强学生社会适应能力[13]。针对《高分子物理》课时少、内容多的情况下,将公式的推导过程列入选学内容,强化公式的内涵和应用。此外,对于学生难以理解和掌握的知识点采用短词短句记忆法。例如,学生已学习了有机化学课程,对结构单元以及整个分子结构的理解相对容易,但对于聚集态结构中的晶态、非晶态结构等相对难懂,由于此前学习的课程中涉及的聚集态内容不多,因此,在讲述时与小分子的晶态和非晶态结构对比讲解,总结出“两句话,八个字”,即高聚物的晶态比小分子的晶态无序得多,简化为“序中有乱”;高聚物的非晶态比小分子的非晶态有序的多,简化为“乱中有序”,高度概括出了高分子的晶态结构和非晶态结构特征,学生容易理解,更加深了记忆。

2.2教学手段的丰富多彩

《高分子物理》中有许多抽象的理论知识,仅依赖板书难以完全展示教学内容,教师讲解时往往费神费力,学生理解困难[14];借助多媒体教学,融合文字、图形、声音、动画、影像等多种信息,形象、生动地展示出不容易讲清楚或难以理解的内容,达到了很好地教学效果[15]。这种多媒体教学手段,不仅增大了教学信息量,也使得难以讲解的内容更直观、形象。例如,讲述链段和柔性一节,由于涉及分子的内旋转运动,特别是随着碳链增长的内旋转过程,学生不易想象和理解,通过动画演示从一个碳-碳单键,到2个碳-碳单键,再到3个,4个,……形象地展现了碳链的增长所对应的内旋转运动以及链的空间运动,然后引入链段和柔顺性的概念,再扩展到分子柔顺性的表征方法即末端距和均方末端距的计算,学生更容易掌握。课堂上,还可以通过教师或者学生动手操作进行演示,如讲述取向态结构时,让学生拉伸准备好的薄膜样条,对比拉伸前后不同方向的性能差异,理解各向同性和各向异性,并延伸到生活中的纤维制品和薄膜制品,将书本上的理论知识过渡到实际生活中的应用,拓宽了学生的知识面。此外,借助于现代的通讯手段,建立QQ交流群,随时就学生提出的各种疑问进行解答,将课堂学习延续到课下。

2.3教学方法的灵活多样

教学方法是否得当,对教学效果起着至关重要的作用,避免“一言堂”和“填鸭式”说教,引入丰富多彩的教学方法,使课堂教学更加开放和融合。例如,可根据设定的主题进行分组讨论,也可以由学生提出问题进行讨论,增加学生与教师之间的互动,活跃课堂气氛,使学生由被动的想逐渐过渡到主动思考,增加学生的求知欲。此外,也可以采用讲座、参观、见习等方式提高学生学习热情。尽管高分子物理课程理论性较强,但由于高分子材料应用广泛,塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等应用在生活的各个领域,学生对生活中的高分子材料制品有一定的感知和认知,因此,选定主题讨论时最好结合生活应用,像日用塑料产品上的标记、商品标签的识别、长期挂在衣帽勾上的衣服挂钩处的变形等诸如此类的主题,学生兴趣更浓,互动效果更好[16]。此外,也可结合学生实验中的操作进行互动,例如化学实验中胶塞打孔插管的操作,就如何选择打孔器进行主题讨论,结果发现,有一部分同学选择比插入的玻璃管直径略粗一点的打孔器,另外一部分同学选择直径相同的打孔器,结合这个问题讲解橡胶的粘弹性和挤出物的胀大效应。近年来,高分子科学发展突飞猛进,新材料新产品不断涌现,大量学术论文公开发表,任课教师必须紧跟学科发展前沿,及时传授新知识、新发展,跟上时代的步伐[17]。此外,还可以结合自身的科研成果,丰富教学内容。

2.4实验教学的紧密配合

生动的实验教学可以活跃理论教学的枯燥气氛,丰富多彩的实验内容可以充实单调的理论讲授,提高学生的学习兴趣。按照以往教学计划,第1周即开始理论课,实验课延后1周开始,由于实验涵盖整个理论课教学内容,时常出现实验提前于理论课的现象。尽管实验指导教师会讲解实验原理,但受时间限制学生难以完全理解和掌握,使得学生被动地实验。等到理论课讲解到该内容时,学生可能因实验早已结束而一知半解,实验课和理论课的教学效果均不理想。针对这种现象,任课教师开课前与实验老师进行沟通,及时调整实验项目,甚至可将实验课延后几周开始,避免实验在前理论在后的现象,提高实验课和理论课的教学效果。

2.5实践环节的创新训练

在授课过程中发现部分同学对高分子科学领域有着浓厚的兴趣,而课上的时间已难以满足他们强烈的求知欲和钻研精神,因此,结合大学生创新创业训练项目,让一些学习兴趣浓厚的学生组成科研小组,通过申报大学生创新创业训练项目,获得经费支持,进行科研实训活动,进一步启发学生的创新思维。目前为止,《高分子物理》专业选修课的开设已经有3年时间,每年均有学生考取东北师范大学、东北大学等学校的高分子相关方向的硕士研究生。2016年科研小组申报的课题“红外光谱(FTIR)法分析快餐食品用塑料包装材料的成分及安全评价”获批沈阳师范大学大学生创新训练计划项目,发表学术论文1篇[18];2017年科研小组申报的课题“气相色谱-质谱联用法测定儿童泡沫塑料中甲酰胺的含量”获批辽宁省大学生创新训练计划项目支持,目前实验正在进行中。

3教学反思

《高分子物理》作为师范院校化学类专业的一门专业选修课,尽管学时少、内容多、理论性强、难理解,但在严格阐明基本概念的基础上,紧抓结构与性能相互关系这条主线,采用多种教学方法和教学手段,也能提高教与学的互动性,加大实验环节的教学效果,有助于提高教学质量。然而,在教学过程中仍存在一些值得思考的方面:1)高分子物理属于交叉学科,涉及化学、数学和物理学知识,对任课教师的知识水平提出了更高的要求。作为专业选修课的任课教师,需要潜心研究教学内容,不断吸纳新知识和新方法,积极进行教学改革与创新,将知识传授到位。2)学生选课存在盲目性。一方面体现在学生对课程的简单理解,存在着“想当然”的选课思想,缺乏必要的引导;另一方面,学生往往凭兴趣选课,选课分散,没有与考研、就业相结合,缺少整体规划和学业设计。3)学校对专业选修课的重视程度往往低于必修课,使得专业选修课的教学资源、教师配备不足,需要增加专业选修课的教学投入和人才引进,等等。总之,提高专业选修课的教学质量,对实现培养目标起着重要的作用。

参考文献:

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作者:孙秋菊 初增泽 武士威 李娜 单位:沈阳师范大学 化学化工学院