基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的《高分子物理》課程知識重構(gòu)探索

白靜靜 王林艷 翟 燕

太原工業(yè)學(xué)院材料工程系，山西 太原 030008

《高分子物理》是工科院校高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生必修的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在高校中主要是面向本科專業(yè)二年級學(xué)生。該課程涉及以聚合物為研究對象的全部物理學(xué)內(nèi)容，不僅包含高分子科學(xué)所必需的化學(xué)合成知識，還涉及高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)、材料力學(xué)等知識［1-3］，因此具有內(nèi)容龐大、概念原理多、知識抽象、理論推導(dǎo)縝密等特點，對教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”都提出了較高的要求［4-6］。教師在教授過程中，往往竭力于基礎(chǔ)理論知識的傳授，與實際應(yīng)用聯(lián)系少；學(xué)生困惑于學(xué)有何用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)動力不足，造成“假學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，最終對知識的掌握只能達(dá)到淺層性知曉。在國家高質(zhì)量本科教育、新工科建設(shè)等精神指導(dǎo)下，課程聚焦“基礎(chǔ)理論多，實踐應(yīng)用少，應(yīng)用型人才不強”這一教學(xué)痛點問題，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了知識重構(gòu)。

一、應(yīng)用型閉環(huán)教學(xué)

以突出知識點的最終實際應(yīng)用為目標(biāo)，對課本知識進(jìn)行重構(gòu)，引入應(yīng)用型閉環(huán)教學(xué)。《高分子物理》課程的核心主線“結(jié)構(gòu)—分子運功—性能”，即高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過分子運動決定著材料最終的性能。對于任何一種材料而言，其性能直接關(guān)乎著應(yīng)用，可以說結(jié)構(gòu)決定性能進(jìn)而決定了應(yīng)用，“結(jié)構(gòu)—性能—應(yīng)用”。在教學(xué)設(shè)計中，從材料的實際應(yīng)用出發(fā)，引出材料應(yīng)該具有怎樣的性能，進(jìn)而深挖材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種倒推思維，把枯燥的理論知識學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變成了為解決實際應(yīng)用而去學(xué)習(xí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，在教學(xué)過程中不斷強化高分子合成、加工、性能及應(yīng)用的一體性認(rèn)識、理解與運用，使學(xué)生能夠從聚合物結(jié)構(gòu)出發(fā)，調(diào)控加工工藝，獲得最終的材料性能，又能夠根據(jù)最終材料的性能要求去設(shè)計聚合物結(jié)構(gòu)、改進(jìn)加工工藝等，形成閉環(huán)式教學(xué)（如圖1所示）。

圖1 《高分子物理》課程應(yīng)用型閉環(huán)教學(xué)

示例如下，在第一章“高分子鏈結(jié)構(gòu)”中柔性是本章非常重要的知識點，也是《高分子物理》之后章節(jié)學(xué)習(xí)的奠基石，其影響因素的分析至關(guān)重要。如“主鏈含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)時，由于芳雜環(huán)不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以，這樣的分子鏈的柔性差，例如，芳香尼龍（附結(jié)構(gòu)式）的分子鏈剛性大”。教材中只講到結(jié)構(gòu)層面，學(xué)生在學(xué)習(xí)時無法與實際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，造成對知識點的理解不夠深刻。基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)，課程在講解該知識點的時候，選用日常生活中常見的飲水水桶（聚碳酸酯，PC）為例，首先讓大家從水桶的使用過程中去發(fā)現(xiàn)該種高分子材料有什么樣的性能體現(xiàn)。由于水桶是學(xué)生們幾乎都用過見過的材料，所以學(xué)習(xí)興趣都很高。之后，再結(jié)合大家說出的性能特點，追問為什么？由于結(jié)構(gòu)決定性能，從而引出高分子材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題（圖2）。為給學(xué)生解釋透徹，引入高分子鏈的分子運動情況，雖然學(xué)生對于后續(xù)分子運動章節(jié)知識尚未學(xué)習(xí)，但是結(jié)合形象化教學(xué)，通過通俗易懂的語言解釋，學(xué)生基本上都可以理解。與單純只從結(jié)構(gòu)層面講授相比，學(xué)生通過這樣的學(xué)習(xí)，能夠達(dá)到對知識點的深層理解且印象深刻。此外，之后在學(xué)習(xí)分子運動、性能等章節(jié)知識時，再次提到該材料，可以鞏固這種生活常見高分子材料中包含的高分子物理知識。最后，通過這一應(yīng)用實例使學(xué)生從中感受到正在學(xué)習(xí)的《高分子物理》課程的重要性。

圖2 PC 水桶中的高分子物理

二、應(yīng)用型案例教學(xué)

《高分子物理》課程理論知識深奧，內(nèi)容難免枯燥乏味，好在高分子專業(yè)行業(yè)應(yīng)用性強，在教學(xué)過程中將各種涉及高分子物理知識的問題帶進(jìn)課堂，始終圍繞解決案例實際問題開展教學(xué)，引發(fā)思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。應(yīng)用型案例庫是《高分子物理》課程教學(xué)的堅實保障，案例庫主要從以下三個維度進(jìn)行建設(shè)。

（一）生活案例在教學(xué)中的應(yīng)用

高分子材料在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)融入到我們生活的方方面面，飛機、汽車、建筑、家居、家電、電信、包裝、醫(yī)用、農(nóng)用……可以說，高分子材料隨處可見，我們已經(jīng)離不開高分子。

將高分子物理知識點與各種生活可見的材料現(xiàn)象相聯(lián)系（如表1 所示），將習(xí)以為常的日常現(xiàn)象引入到《高分子物理》課堂教學(xué)中，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對知識點的掌握程度。而且，作為高分子專業(yè)的學(xué)生，與他人相比，不但“知其然更知其所以然”，增加了學(xué)生的專業(yè)自豪感。所以，要多多鼓勵學(xué)生做生活中的有心人，將所學(xué)知識真正運用到生活中。

表1 章節(jié)典型生活案例列舉

（二）生產(chǎn)案例在教學(xué)中的應(yīng)用

《高分子物理》是高分子材料成型工藝及設(shè)備、高分子材料成型模具、聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)等與生產(chǎn)加工相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)作用。然而，從學(xué)生角度出發(fā)，材料生產(chǎn)加工似乎是很遙遠(yuǎn)的事情，學(xué)生感受不到知識的重要性，但其實這些知識直接關(guān)乎學(xué)生的就業(yè)，甚至職業(yè)生涯發(fā)展。所以，為了吸引學(xué)生的課堂注意力，針對課程相關(guān)知識點，先從日常生活常見的高分子材料入手，將學(xué)生代入課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，再將高分子物理知識結(jié)合材料的生產(chǎn)加工過程進(jìn)行講解。比如，人們穿的衣服這一纖維織物，怎樣在纖維生產(chǎn)過程中調(diào)整工藝，保證纖維既有較高的強度又有較好的彈性？結(jié)合這一生產(chǎn)案例，將高分子取向與解取向的概念、原理和作用融合其中（如圖3 所示），讓學(xué)生深切體會到高分子物理知識對高分子材料生產(chǎn)加工的重要指導(dǎo)作用。

圖3 纖維生產(chǎn)中的高分子物理

（三）前沿案例在教學(xué)中的應(yīng)用

在科技飛速發(fā)展的大環(huán)境下，高分子技術(shù)不斷進(jìn)步，高分子材料也因此成為發(fā)展高新科技的基礎(chǔ)。如高強度、高抗沖、高耐熱等各種高性能高分子材料，光、電、磁等各種功能高分子材料以及各種智能化高分子材料，這些都離不開高分子物理知識基礎(chǔ)。與時俱進(jìn)，將具有時代前沿性或具有趣味性的前沿案例引入課堂，在傳授知識的同時增加課堂趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新力，例如世界杯就是一場高分子材料的“嘉年華”，從足球、球場到運動員穿著都離不開高分子材料等等。這樣既提高了學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣，同時也加強了對課程知識點的掌握，對提高授課質(zhì)量和育人效果起到事半功倍的作用。

三、科研反哺教學(xué)

以研促教，如今跟高分子物理相關(guān)的高分子科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，每年都會公開發(fā)表大量的國內(nèi)外學(xué)術(shù)論文，本專業(yè)教師每年也會有不少的科研成果發(fā)表。因此，在課程教學(xué)中始終以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞“結(jié)構(gòu)—分子運動—性能”這一教學(xué)主線，靈活運用這些科研成果，豐富和生動教學(xué)內(nèi)容。

（一）專業(yè)科研團(tuán)隊提升學(xué)生能力

專業(yè)各科研團(tuán)隊研究涵蓋了豐富的高分子物理知識，與課程知識點相關(guān)的典型示例如下。

聚氨酯團(tuán)隊。聚氨酯是一種用途極其廣泛的高分子材料，具有獨特的軟硬段相間的微相分離結(jié)構(gòu)，這一概念在教材第1 章和第6 章已明確解釋。橡膠團(tuán)隊。橡膠材料具有化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的高彈性，教材第1 章、第3 章和第6 章都有明確涉及。聚酰亞胺團(tuán)隊。聚酰亞胺是一類主鏈上含有酰亞胺環(huán)的高性能材料，具有優(yōu)異的耐熱性能，與教材第1 章、第5 章和第8章內(nèi)容高度相關(guān)。在教學(xué)過程中，讓老師深有體會的是，在科研團(tuán)隊老師指導(dǎo)下做過大學(xué)生創(chuàng)新項目的學(xué)生，當(dāng)講授相關(guān)知識點時，因為有實際實驗經(jīng)歷，學(xué)生對知識點的接受程度更高，理解也更為透徹。

（二）國內(nèi)外科研進(jìn)展提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，信息資源非常豐富，可以通過平時文獻(xiàn)資源的積累、視頻資源的收集等信息化方法，緊跟領(lǐng)域前沿。比如在講聚合物黏彈性時，引入充滿科技感的D3O 材料，其“吃軟不吃硬”的特性很好地詮釋了高分子的黏與彈，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，將前沿信息引入課堂，有助于激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索欲，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

四、結(jié)語

以培養(yǎng)高分子材料與工程專業(yè)應(yīng)用型工程師為目標(biāo)，強化《高分子物理》課程知識的實踐應(yīng)用性，從生活、生產(chǎn)等多維度讓學(xué)生深感學(xué)有所用，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。根據(jù)學(xué)生教學(xué)評價以及學(xué)習(xí)通提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，可以看出學(xué)生上課的參與度提高，對基本教學(xué)內(nèi)容有比較好的掌握度，可以在教師的引導(dǎo)下達(dá)成知識探究和基本能力的培養(yǎng)。另外，上課學(xué)生處于大二年級，教師需要在教學(xué)過程中多關(guān)注學(xué)生的“思維與延伸學(xué)習(xí)能力”，分析其學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計、豐富教學(xué)內(nèi)容，通過聯(lián)系應(yīng)用實例提升學(xué)生的知識儲備，減少書到用時方恨少現(xiàn)象，最終起到“生涯喚醒”的重要作用。