案例教學(xué)法在《高分子化學(xué)與物理》課程中的應(yīng)用研究*

彭 波，郭文宇，黃海霞，李 松

(綿陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

案例式教學(xué)是以典型案例作為教學(xué)內(nèi)容的一種教學(xué)方法，從哈佛大學(xué)商學(xué)院的情景案例教學(xué)課中演變而來(lái)。即在教學(xué)過(guò)程中，由教師結(jié)合教科書(shū)上知識(shí)點(diǎn)，講述相關(guān)案例并提出問(wèn)題。然后，組織學(xué)生查閱資料和討論分析。用掌握的理論知識(shí)來(lái)剖析案例，回答問(wèn)題。案例教學(xué)法不僅有利于學(xué)生牢固掌握理論知識(shí)，而且還能學(xué)以致用，提高解決專(zhuān)業(yè)實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，在很多課程中已得到廣泛應(yīng)用。就高分子材料專(zhuān)業(yè)而言，案例教學(xué)法的應(yīng)用已涉及《高分子化學(xué)》[1]、《高分子物理》[2-4]、《高分子界面與混合》[5]、《聚合物加工》[6]、《功能高分子》[7-8]、《精細(xì)高分子》[9]和《聚合物成型機(jī)械》[10]等諸多課程。

教育部、國(guó)家發(fā)展改革委和財(cái)政部在2015年聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見(jiàn)》。為加快融入地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和發(fā)展，我校當(dāng)年就根據(jù)綿陽(yáng)市“中國(guó)科技城建設(shè)”新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)布局，開(kāi)設(shè)了一些非師范的工科專(zhuān)業(yè)，旨在為電子信息、高端裝備、新材料、新能源汽車(chē)、軍工等當(dāng)?shù)靥厣a(chǎn)業(yè)集群的建設(shè)提供應(yīng)用型和技能型人才與智力支持。筆者及團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的《高分子化學(xué)與物理》是新開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)與工程中一門(mén)極其重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它有機(jī)地糅合了《高分子化學(xué)》和《高分子物理》兩門(mén)課的內(nèi)容，適當(dāng)壓縮兩門(mén)課的總學(xué)時(shí)，將“高分子材料合成-結(jié)構(gòu)-性能”整體串聯(lián)起來(lái)，利用50～60個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，“一口氣”扼要講述高分子化合物制備機(jī)理、應(yīng)用性能、分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)以及力學(xué)狀態(tài)與轉(zhuǎn)變等知識(shí)。這種課程設(shè)置符合地方師范院校對(duì)大材料工科本科生提出的“專(zhuān)業(yè)大口徑”，“就業(yè)寬渠道”和“應(yīng)用技能型”的教學(xué)要求。本文將案例教學(xué)法引入到《高分子化學(xué)與物理》授課當(dāng)中，結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)具體情況優(yōu)選案例，從案例的建立、實(shí)施和效果評(píng)價(jià)三個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)行全方面改革。

1 案例的建立

案例建立不能憑空臆想，必須聯(lián)系生活與生產(chǎn)實(shí)際。這有利于學(xué)生理性和感性地接觸高分子材料。一個(gè)案例最好緊扣多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在學(xué)生學(xué)習(xí)完相關(guān)章節(jié)后適時(shí)拋出案例，便于同學(xué)們對(duì)高分子化學(xué)與物理知識(shí)的融會(huì)貫通。同時(shí)，本著地方高校服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)以及兼顧學(xué)生就業(yè)去向的目的，列舉案例時(shí)，應(yīng)當(dāng)多從當(dāng)?shù)仄笫聵I(yè)單位中尋找素材，引導(dǎo)學(xué)生本地就業(yè)，參加地方建設(shè)。

1.1 生活案例

目前我國(guó)高分子材料產(chǎn)量位居世界前列。尤其是化纖和塑料的產(chǎn)量分別位居世界第一和第二。高分子材料的使用已經(jīng)融入到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。比如在講解平衡線(xiàn)性縮聚反應(yīng)時(shí)，涉及到反應(yīng)特性與種類(lèi)、官能度和等活性理論、聚合度-反應(yīng)程度-平衡常數(shù)三者關(guān)系、分子量的控制等重要知識(shí)點(diǎn)。這時(shí)可拋出尼龍案例，列舉它作為化纖和工程塑料在服裝、繩、帳篷等方面的應(yīng)用。組織學(xué)生自行查閱尼龍工業(yè)合成路線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)去思考并解答“為什么尼龍66制備多用均縮聚而不是混縮聚”，“為什么體系中的水在反應(yīng)后期需要排除”等問(wèn)題。當(dāng)講解到后面晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶行為和熔融轉(zhuǎn)變等高分子物理章節(jié)時(shí)，可以再次列舉本案例。讓同學(xué)們深度思考“同樣是尼龍，為什么有的用作塑料，有的用作服裝化纖”，“用作服裝紡織材料時(shí)，與棉麻等天然高分子在結(jié)構(gòu)和性能上的區(qū)別”等問(wèn)題。同一案例在不同章節(jié)反復(fù)出現(xiàn)，更有利于初學(xué)者串聯(lián)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，整體把控這門(mén)課程。

隨著學(xué)習(xí)逐漸深入，尤其是到了后半學(xué)期，需要任課教師建立更加復(fù)雜的案例讓同學(xué)們來(lái)剖析。復(fù)雜案例不僅涉及前面章節(jié)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而且更偏重于這些知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用。眾所周知，高分子粘彈性是很難理解的一個(gè)概念，通常放在最后一章。如果不列舉案例很難將它講得清楚。橡膠汽車(chē)輪胎的制作必須充分考慮高分子材料的粘彈性。所以以輪胎作為案例對(duì)象，貼近生活，使同學(xué)們更容易理解粘彈性。運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)的大分子產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力(內(nèi)耗)小，材料使用壽命長(zhǎng)，適合用作橡膠輪胎。那什么結(jié)構(gòu)的大分子，運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)呢？可以在“高分子結(jié)構(gòu)”這一章節(jié)中找到答案。同時(shí)，通過(guò)選取連鎖或逐步聚合反應(yīng)，能制備相應(yīng)結(jié)構(gòu)的橡膠。實(shí)施案例式教學(xué)時(shí)，可以參照上述主線(xiàn)進(jìn)行講解和引導(dǎo)學(xué)生思考。

1.2 生產(chǎn)案例

以綿陽(yáng)為中心的川西北片區(qū)集中了大量與高分子材料相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)，覆蓋材料合成、加工、成型與裝配整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，為本課程提供了豐富的生產(chǎn)案例素材。羅江樹(shù)脂廠(chǎng)擁有完整的聚氯乙烯生產(chǎn)線(xiàn)。把聚氯乙烯合成案例放在自由基聚合反應(yīng)章節(jié)講述。同學(xué)們通過(guò)閱讀由工廠(chǎng)提供的聚氯乙烯生產(chǎn)配方和工藝說(shuō)明書(shū)，可以進(jìn)一步知道“引發(fā)劑使用品種和用量，物料添加方式，反應(yīng)時(shí)間”等具體信息，從而反過(guò)來(lái)強(qiáng)化對(duì)自由基聚合機(jī)理和實(shí)施方式的理解。東方絕緣材料股份公司生產(chǎn)的電氣絕緣酚醛復(fù)合材料，是典型的體型縮聚案例。在課堂上剖析該案例，不僅能幫助學(xué)生強(qiáng)化平均官能度、凝膠點(diǎn)等概念，而且還能使大家提前接觸配方設(shè)計(jì)，工藝控制和加工設(shè)備，為有效銜接后續(xù)專(zhuān)業(yè)課打好基礎(chǔ)。金發(fā)科技公司是國(guó)內(nèi)著名的改性塑料廠(chǎng)家，在綿陽(yáng)也有產(chǎn)業(yè)布局，主要是通過(guò)熔融共混或復(fù)合法制備塑料改性料供給下游制件廠(chǎng)。相關(guān)生產(chǎn)案例幾乎能覆蓋高分子物理中所有章節(jié)。比如講到“淬火”概念時(shí)，教科書(shū)上的表述為：高分子材料從熔融態(tài)迅速降溫，快速躲過(guò)結(jié)晶溫度區(qū)間，使大分子鏈來(lái)不及排入晶格，從而降低結(jié)晶性能或使其不結(jié)晶。由于該概念比較空洞，老師講解和學(xué)生理解起來(lái)都比較費(fèi)力。而工廠(chǎng)提供的滌綸生產(chǎn)實(shí)際案例則顯示，高分子熔體在模具里面，通過(guò)冷空氣驟冷快速降溫后，最終制品由不透明變成透明。這正是“淬火”導(dǎo)致的一個(gè)直觀結(jié)果，肉眼可見(jiàn)。這不僅使同學(xué)們深度理解了該知識(shí)點(diǎn)，而且還能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考“結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)和尺度與材料光學(xué)性能的關(guān)系”，“淬火與退火倆概念對(duì)比”等問(wèn)題。

1.3 科研案例

如果說(shuō)生活與生產(chǎn)教學(xué)案例有利于學(xué)生更好地掌握書(shū)本知識(shí)，那么通過(guò)列舉科研案例，則能激發(fā)初學(xué)者深度學(xué)習(xí)和探索未知世界的欲望。由于“兩彈一星”和“國(guó)防三線(xiàn)”建設(shè)等歷史原因，國(guó)家在綿陽(yáng)地區(qū)布局并留下了諸如中國(guó)工程物理研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第九研究所、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心和中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院等大量頂尖科研院所，從而確保了我校學(xué)生能“近距離”地感知相關(guān)科研案例。例如：在“高分子鏈上化學(xué)反應(yīng)”章節(jié)，通常會(huì)列舉纖維素側(cè)羥基的硝化反應(yīng)。此時(shí)就可以將硝化纖維素用作炸藥或固體推進(jìn)劑等含能材料的科研案例(中國(guó)工程物理研究院提供)向同學(xué)們?cè)敿?xì)講述。另外，當(dāng)學(xué)生掌握了聚酰胺合成、結(jié)構(gòu)與加工的初步知識(shí)以后，我們可以?huà)伋鋈季埘０返陌咐?中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心提供)。要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)推導(dǎo)全芳聚酰胺這種特種工程塑料的結(jié)構(gòu)，歸納合成和加工方法要點(diǎn)，從而理解它為什么可以用作軍用防彈裝備，而其他聚酰胺不能的原因。

2 案例的實(shí)施

開(kāi)展案例式教學(xué)[4, 6, 10]一般有以下幾種形式：視頻觀摩、實(shí)地走訪(fǎng)、課堂討論、撰寫(xiě)論文、幻燈片匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)操作等。整合這些實(shí)施方法，在此基礎(chǔ)上提出了適合本校工科學(xué)生的一些教學(xué)模式。

2.1 多課程融入教學(xué)模式

考慮到該課程主要以有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)為基礎(chǔ)，同時(shí)也是高分子材料方向的入門(mén)課程。因此，在案例教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生用基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)深度剖析案例，同時(shí)將剖析的要點(diǎn)適當(dāng)延伸到后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程中去。這種承前啟后的多課程融入教學(xué)，更容易將學(xué)生培養(yǎng)成學(xué)科人才。例如，在講解自由基聚合相關(guān)案例時(shí)，將物理化學(xué)中有關(guān)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)引入進(jìn)來(lái)，幫助學(xué)生理解自由基聚合反應(yīng)歷程。

2.2 翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式

要求學(xué)生針對(duì)某議題，課前尋找資源自學(xué)。教師在課堂上組織學(xué)生上臺(tái)展示案例并相互評(píng)議，最后歸納總結(jié)。翻轉(zhuǎn)式教學(xué)一改“教師臺(tái)上講，學(xué)生臺(tái)下聽(tīng)”的被動(dòng)學(xué)習(xí)老模式，能最大限度調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

2.3 比較式教學(xué)模式

課堂上可以平行地拋出兩個(gè)相關(guān)案例進(jìn)行對(duì)比教學(xué)，例如聚氯乙烯的本體和懸浮聚合工藝。采用這種比較式教學(xué)模式，可以使學(xué)生更容易理解并掌握那些極易混淆的知識(shí)點(diǎn)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)模式

紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。我們安排少量課時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)工廠(chǎng)，實(shí)地參觀某產(chǎn)品的生產(chǎn)線(xiàn)，了解全套生產(chǎn)流程，聆聽(tīng)企業(yè)技術(shù)人員的講解。這種身臨其境的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)模式能提高學(xué)生對(duì)書(shū)本理論知識(shí)的掌握程度，激發(fā)大家用理論知識(shí)去解釋生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生的工程意識(shí)也將從理性到感性得到最終升華。

3 效果評(píng)價(jià)

案例教學(xué)法在《高分子化學(xué)與物理》課堂上已經(jīng)實(shí)施了三屆，其中兩屆學(xué)生畢業(yè)。我們采用階段評(píng)價(jià)、過(guò)程性評(píng)價(jià)與目標(biāo)評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合性評(píng)價(jià)模式。結(jié)合課堂提問(wèn)、學(xué)生作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、課堂筆記、聽(tīng)課狀態(tài)及考試情況評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)。考卷以“應(yīng)用能力培養(yǎng)”為目的，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)研究緊密結(jié)合的應(yīng)用型試題，重點(diǎn)考察學(xué)生綜合利用課程所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

對(duì)比以往數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用案例教學(xué)法后，同學(xué)們?cè)谠撜n程上的考試成績(jī)得到提升，后續(xù)課程學(xué)習(xí)領(lǐng)悟更快，講臺(tái)上表現(xiàn)力增強(qiáng)，考研率上升。本科畢業(yè)在高分子材料行業(yè)就業(yè)人數(shù)增加，企業(yè)認(rèn)可度提高。用人單位反饋，認(rèn)為我校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生動(dòng)手能力強(qiáng)，比職業(yè)技術(shù)學(xué)院的學(xué)生具備更多的理論知識(shí)。而與綜合類(lèi)或工科類(lèi)一本大學(xué)的畢業(yè)生相比，我校學(xué)生心態(tài)更好，吃苦耐勞，能安心扎根基層工作。因此，在生產(chǎn)型企業(yè)人才市場(chǎng)上具有很大競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

從目前來(lái)看，在《高分子化學(xué)與物理》課程當(dāng)中應(yīng)用案例教學(xué)法進(jìn)行改革是成功的，教學(xué)效果明顯。根據(jù)我校“教學(xué)型、地方型、應(yīng)用型、師范型”的辦學(xué)定位，圍繞立德樹(shù)人根本任務(wù)，下一步，我們將以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，探索靈活多變的課堂教學(xué)方法，繼續(xù)深挖案例素材，豐富實(shí)施方案，完善評(píng)價(jià)體系。持續(xù)再檢驗(yàn)幾屆學(xué)生后，將該教學(xué)成果推廣到我校其他工科專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)當(dāng)中去。