新工科背景下《高分子物理》課堂設計與思政教育

劉巧賓，孫金鵬，王曉蓓

(北華航天工業學院，河北 廊坊 065000)

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設。“新工科”歷經了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等階段的醞釀,最終塵埃落定。教育部新工科項目的正式認定，也意味著備受關注的高校新工科建設開始進入實施階段[1]。新工科的內涵主要為:以立德樹人為引導，以培養具備多元化能力和創新精神的卓越工程人才為目標[2]。新工科的建設離不開課程的教學改革。

當前，大學生收獲知識的主要渠道還是課堂，因此有效的課堂設計是搞活課堂氣氛，提高學習效果的重要手段。如何進行有效的課堂設計呢？首先應考慮課堂上師生的專注力。只有當彼此的專注力合拍時，學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、沒有經過設計的課堂，教師和學生的專注力完美的錯開了。課堂伊始，學生精神飽滿，充滿期待接受新知識，慢慢發現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，快到下課點時又開始期盼教師按點下課；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，或是沒有學生的回應而專注力略微下降。師生專注力不能很好的匹配，這是教學效果不好的直接原因。所以教師應該根據學生的專注力變化精心的設計課堂。本文以高分子物理的三個片段來分析下課堂的設計，該方法同樣適用于其他的學科。

1 BOPPPS教學法—以高分子的溶解過程及特點為例

BOPPPS是教師進行教學設計及課堂組織教學的一種有效模式，是以教學目標為導向、以學生為中心的教學模式，它由導言(Bridge-in)、學習目標(Objective/Outcome)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(ParticipatoryLearning)、后測(Post-assessment)和總結(Summary)六個環節構成。BOPPPS是這六個教學環節的英文單詞的首字母構成[3]。

在講授高分子的溶解過程及特點這部分內容時，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，讓學生細心的觀看兩遍后，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計

當進行完我問你答后，聚合物的溶解過程就已經很清晰的展現出來了。教師讓學生嘗試著復述下，學生就已經自然的掌握了聚合物的溶解過程了。此時，教師一定要給予學生適時的表揚，學生學習會更帶勁。老師繼續發問，如果溶脹到一定程度，分子間距離不再增大會怎么樣？學生答，溶脹到一定程度就結束了。什么樣的聚合物溶脹到一定程度分子間距離不能再增大？學生開始思考，有學生能回答出交聯聚合物。這時老師小結：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(交聯聚合物)和無限溶脹(線性聚合物)，完成了第一個知識點的學習。

那結晶聚合物呢？晶區分子鏈段緊密規整排列著，小分子溶劑都進入不了。學生回答，給它加熱破壞。能不能自發熱？學生陷入沉思。老師啟發：什么反應會放熱？生成還是破壞化學鍵的？能量升高的還是降低的？學生回答：生成化學鍵的，能量減低的。老師啟發：如果一種物質帶吸電子基團，另一種帶供電子基團，兩者相互接近時會怎么樣？會反應，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鍵，但也會使能量降低。這種效應叫做溶劑化作用，極性的物質會有溶劑化作用。老師小結：非極性結晶聚合物溶解只能靠外加熱；極性結晶聚合物除外加熱，還可以通過加入極性溶劑—溶劑化作用，自發熱而破壞結晶。

掌握了聚合物溶解過程的理論后，再做后測。請學生思考為什么尼龍在室溫下可以被適當的溶劑溶解，而HDPE和PP 則不可以？學生結合前面學習已有的知識可以判斷尼龍和HDPE、PP都是結晶聚合物，尼龍是極性的，HDPE和PP都是非極性，進而根據剛學過的理論給出正確解釋。

本知識點最后以課下搜集習題的形式結束。為鞏固本次課知識，教師請大家課后去查有關聚合物溶解的習題或實例，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課課堂來，下次課老師匯總后，在班上展示，考其他學生，最后評出最好的題目，給與獎勵積分。既激發了學生的學習動力，又讓每個同學至少思考過類似的10道題，加深對本知識點的掌握。

這樣經過動圖展示起到“鳳頭”作用，中間分解為老師啟發、學生思考、生生互動、師生互動等形式讓學生參與學習，時刻緊扣學生心弦；適時給予學生表揚和鼓勵，讓學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，使用時將溶劑揮發掉。絕大多數高分子溶液是以苯、酮、醚、胺等有機原料為溶劑，這些有機溶劑的揮發會引起嚴重的環境破壞和生態災難，嚴重危害人類的身體健康，不符合綠色生態環保要求。另一方面，這些有機溶劑均來源于石油化工行業，而石油為不可再生的資源，因此，大量有機溶劑的揮發是一種嚴重的資源浪費，不符合可持續發展的理念。

為迎合可持續發展的社會主義發展觀，應開發綠色環保的高分子溶液：以水為溶劑，減少了環境污染；水還可以循環利用，節省資源。但要使高聚物能溶于水，根據我們學習的溶劑選擇原則，高分子鏈上應含有羥基、羧基、氨基、磺酸基等親水基團，尤其是制成超支化的結構(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，在很多領域還不能完全取代傳統的溶劑型溶液，但是相信隨著科技的發展，勢必會完全替代傳統的高分子有機溶液。

本部分基于環保和可持續發展的理念，與實際應用案例有機結合，有助于提高學生對高分子物理理論的具體認識，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際應用價值，從而提高學生學習高分子物理的積極性。強調溶劑使用原則為保證使用者的安全、不危害環境。同時，告訴學生開發產品始終要秉持“環境和可持續發展”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，科研要基于可持續科學發展觀和綠色生態觀，加強學生的社會責任感[4]，有利于培養高素質的專業人才。[5]

3 對分課堂——以聚合物的三態兩轉變為例

對分課堂是區別于傳統滿堂灌的課堂而言。對分課堂是復旦大學心理系張老師提出的一種課堂教學改革模式：課堂一半時間教師講授，另一半時間分配給學生以討論的方式進行交互式學習[6]。

對分課堂可以當堂對分，隔堂討論，還可兩者兼用。本文以“聚合物的三態兩轉變”為例,當堂對分。教師首先詳細講解非晶態聚合物的T-ε曲線：玻璃態、高彈態、黏流態及各自對應的運動單元和力學行為，玻璃化轉變和黏流轉各自對應的運動單元的啟動；為鞏固知識，提升難度，培養學生的發散性思維等，留出一些時間讓學生結合已有的理論知識對結晶聚合物的T-ε曲線先進行獨立思考，與鄰座的同學相互探討，教師點評，生生互動，師生互動。

老師先引導同學們思考結晶與非晶聚合物結構上的不同，運動單元的不同，提醒同學們高聚物都不會是100%結晶，有晶區和非晶區；結晶度不同的聚合物，或以晶區為主，或以非晶區為主，需要分開討論。留出 3 min 的時間，讓學生們獨立畫出高、低結晶度聚合物的T-ε曲線，再與鄰座同學交換答案，或彼此探討，給出公認的圖形；老師再隨機請兩組同學去畫在黑板上，供同學們點評。經過以上步驟，同學們在心里不斷的構思—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學習。最后老師小結：低結晶度通常是指聚合物的結晶度低于40%，此時存在比例較大的非晶區，因此能表現出類似非晶聚合物明顯的玻璃化轉變，之后非晶區進入高彈態，與晶態共存表現為柔韌的皮革狀態，繼續升高溫度，晶區破壞，分子鏈大小不同，較短的分子鏈和較長的分子鏈依次進入粘流態；而當結晶度超過 40%后，微小比例的非晶區已經表現不出明顯的玻璃化轉變，溫度升高到一定程度，晶區熔融，分子量比較小時，分子間作用力相對比較弱，聚合物直接進入粘流態，當分子量較高時，分子鏈間作用力較大，而且由于分子鏈相互纏結，熔融后仍不能流動，黏流溫度高于熔點溫度，只有超過熔融溫度后，聚合物才進入黏流態。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、晶態和交聯聚合物的力學狀態都表現出溫度的依賴性，但是結晶和交聯聚合物由于分子鏈中晶區的束縛和化學交聯鍵存在，材料對溫度依賴性受到制約。大家目前的思想正值發育階段，也非常的依賴外界環境，只有經過不斷的系統訓練，才會有思考問題和邏輯性和嚴謹性。另外，隨著科技和網絡的發展，大家接觸的新鮮事物蜂擁而至。面對前所未有的挑戰，沒有前人經驗可借鑒，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變革，才能成為有社會責任心、有擔當、有專業技術能力的人才。

最后結合實例：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。讓學生能將理論聯系實際的應用，不再感覺到內容的枯燥。

對分課堂這種引導式教學方式，教師讓學生們經過獨立思考，小組成員間討論激發學習興趣，碰撞火花，有助于他們深入透徹的理解相關的知識，充分吸收和消化課堂內容，實現課堂教學目標。

4 結語

在高分子物理教學中，以立德樹人為引導，以培養具備多元化能力和創新精神的卓越工程人才為目標，抓住課程改革核心環節，充分發揮各教學方法之特長，搞活課堂氣氛，提升學生的學習興趣，堅持價值引領、能力培養和知識傳授有機融合，真正實現在課堂教學活動中全方位、全過程、全員立體化育人[7]。