高分子材料與工程專業綜合設計型實驗教學探索

［摘 要］ “高分子全流程實驗”是一門涉及高分子化學、高分子物理和高分子工程的綜合設計型實驗課程，讓學生完成對高分子材料從合成到性能表征及應用的全流程認識和實踐過程，旨在培養學生綜合運用高分子相關知識的能力，以及解決復雜工程問題的能力。基于工程教育理念，分別從課程內容、教學方法和手段、課程評價體系以及實驗課程思政教育方面對課程進行了一系列改革探索，豐富了實驗教學資源，提高了本科實驗教學水平，為高分子材料與工程專業創新型人才培養提供了新思路。

［關鍵詞］ 高分子材料與工程；綜合設計；實驗教學

［基金項目］ 2021年度上海高校市級重點課程建設項目“高分子化學”（滬教委高〔2021〕34號）

［作者簡介］ 劉 坤（1982—），女，河北石家莊人，碩士，上海大學材料科學與工程學院實驗師，主要從事高分子材料與工程專業實驗教學和材料性能表征研究；張夏聰（1988—），男，上海人，博士，上海大學材料科學與工程學院高分子材料與工程專業教研室副主任（通信作者），主要從事高分子化學合成研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）24-0110-04 ［收稿日期］ 2023-05-06

高分子材料與工程專業是應用性和實踐性較強的專業，本科實驗教學是高分子材料與工程專業中必不可少的實踐環節。實驗教學具有直觀性、實踐性、綜合性、設計性與創新性等特點［1］。通過實驗教學，學生能夠將課堂上學到的理論知識和實踐聯系起來，加深學生對理論知識的理解，鍛煉學生的觀察能力、邏輯思維能力和動手操作能力，進而培養學生解決復雜工程問題的能力和創新思維能力。

傳統的本科實驗教學存在諸多問題：（1）實驗教學內容陳舊，難以及時更新。現有教學資源多是成型的體系，內容側重于儀器原理和經典的測試方法，缺乏新發展的測試方法的運用。同時，安排的實驗多以演示型和驗證型實驗為主，較少涉及綜合型和設計型實驗項目，實驗內容過分注重知識量的積累，忽略了學生分析問題和解決問題的綜合能力的培養。（2）教學模式多以教師為主導的知識傳授型教學為主，師生之間缺乏互動。通常教師詳細介紹實驗內容、操作步驟和實驗注意事項，學生被動地接受，這種模式嚴重限制了學生創新思維的培養和綜合能力的提升。（3）課程評價方式單一，學生只要按時上課，課程結束提交實驗報告就可以保證課程及格，不利于培養學生獨立思維能力和科研意識。這些問題導致學生對實驗課程積極性不高，嚴重影響了本科實驗教學質量，影響創新型人才的培養。

在工程教育認證以學生為中心、以產出為導向、持續改進的教育理念下，上海大學高分子材料與工程專業開設了“高分子全流程實驗”課程。不同于以往的驗證型實驗課程，“高分子全流程實驗”是面向本校四年級本科生開設的一門綜合設計型實驗課程，在完成四大基礎化學實驗和“高分子化學實驗”“高分子物理實驗”“高分子成型加工實驗”等專業基礎實驗后開設。該課程促使學生綜合運用所學的專業知識，自行查閱相關文獻資料，設計實驗方案，系統地完成高分子的合成、高分子材料的制備和材料性能表征等全流程實驗內容。運用所學的專業知識解釋實驗現象和分析實驗結果，解決實驗中遇到的問題。全面培養學生綜合運用知識的能力、分析解決復雜問題的能力和創新思維能力。本文以“高分子全流程實驗”課程為例，針對傳統本科實驗教學中存在的問題，介紹近幾年對綜合設計型實驗課程進行的改革探索。

一、優化課程教學內容

“高分子全流程實驗”課程共40學時，每周4學時，分10周完成實驗內容。目前，課程包括6個課題方向，分別為：（1）隱形眼鏡聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠的制備及表征；（2）玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的制備；（3）碳酸鈣填充改性聚丙烯的制備；（4）PC/ABS塑料合金的制備；（5）酚醛樹脂及其復合材料的制備；（6）海藻酸鈉生物材料的制備及性能研究。本文以“隱形眼鏡甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠的制備及表征”課題為代表，介紹課程內容的優化，該課題選自教研室教師的科研項目，保證了課程教學內容的創新性和前沿性。課程內容分為布置課題、確定實驗方案、水凝膠的制備和水凝膠的性能表征四大模塊，每部分的教學內容和學時安排如表1所示。首先，教師布置好課題后，學生分小組查閱相關文獻資料，在充分了解課題背景下，初步設計實驗方案，鍛煉學生的文獻檢索和閱讀歸納能力。其次，每個小組由學生代表用PPT匯報實驗方案，教師和學生一起討論方案的可行性。實驗方案的討論環節必不可少，這個過程可以鍛煉學生的語言表達能力，加深學生對實驗內容的理解，同時讓學生有基本的安全意識和成本概念，為以后畢業設計和成長為合格的材料工程師打下堅實的基礎。最后，學生按照討論后的實驗方案，依次開展水凝膠的制備和性能表征工作。通過該課程，讓學生建立完整的“高分子材料合成—性能表征—結論”研究路線的意識，養成良好的科研習慣和嚴肅的科研作風，鍛煉學生的團隊協作能力。通過對水凝膠的力學性能和流變學行為等重要性能的測試，可以加深學生對高分子材料常見測試方法的熟練掌握。課題內容的優化：（1）摒棄單一的生產線設計的固定的教學內容，利用科研反哺教學，將學科前沿領域的研究引入實驗教學，增強實驗的新穎性和趣味性。（2）教學內容囊括了高分子化學、高分子物理和高分子成型加工方面的知識，加強了課程之間的關聯性，對所學的知識點進行了串聯和拓展，引發學生思考并引導學生從學科角度看待問題。（3）采用綜合設計型實驗替代了單調又枯燥的傳統驗證型實驗，與復雜工程問題緊密聯系，提高了學生的學習興趣，拓寬了知識面，強化了學生解決工程問題能力和創新能力的培養。

二、融入多種教學方法和手段

工程教育認證倡導“以學生為中心”的教育理念，“以產出為導向”的教育教學體系，聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養［2］。教學方法是體現創新型實驗教學最為重要的環節。按照知識、能力和素質三者有機結合的原則，融入了多種教學方法和手段。

（一）采用案例式教學，激發學生的學習能動性

案例式教學作為一種“親驗式”的新型教學方式，主要以典型案例為依托，將學習者引入教學實踐情境，通過發現問題、分析問題和解決問題，培養學生的實驗實踐能力［3］。本課程中學生通過查閱文獻資料，選擇合適的交聯劑、引發劑和溶劑體系，確定反應用量、反應時間、設計反應裝置等內容，強化了學生對理論知識的掌握，同時提高了主觀能動性，由“被動學習”轉變為“主動思考”，極大地激發了學生的求知欲，培養了創新思維能力。由于本科生實踐經驗少，科研思維尚未建立，尤其是對于教學內容抽象復雜的應用型課程，案例式教學可以幫助學生理解知識點，將學過的專業知識融會貫通，豐富了教學內容，提高了課堂教學質量。

（二）教師為主導、學生為主體的互動式教學

“高分子全流程實驗”是一門綜合設計型實驗課程，大型儀器設備在教學工作中發揮了技術支撐的作用［4］。針對儀器設備的使用原理、操作方法和應用等知識的講授，傳統的實驗課程仍然以采用教師演示、學生觀察為主，這種機械式的教學方式較為枯燥，學生無法長時間集中注意力，對教學內容印象不深刻，教學效果欠佳。本課程采用“教師為主導、學生為主體”的互動式教學。將學生按小組分別負責一臺大型儀器設備的講解，將儀器原理和測試方法的應用等知識講授給其他組的同學，教師對學生匯報過程中遺漏的知識點或者重要的內容進行補充。這種互動式教學極大地調動了學生的積極性，通過查閱儀器資料，深入理解和掌握大型儀器相關知識。教師引導學生積極探索和思考，發揮學生的主體地位，提高學生的課堂參與度，培養學生自主探索知識的能力。此外，由于小組課題以項目的形式開展，教師會對項目的進展進行監督，但不干涉學生的行動，在必要時給予建議，使學生自主性增強，對協同完成復雜任務的整體性考量明顯增強。

（三）現代信息化技術的融合

2015年3月，時任國務院總理的李克強在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃。“互聯網+”是指互聯網技術與其他行業有機融合，從而以嶄新的互聯網技術手段作為支撐，使行業的發展達到一個全新的高度［5］。教育作為傳統行業，在“互聯網+”的時代背景下，迎來了全新的發展條件和機遇。本課程充分利用中國大學MOOC課程平臺中優秀的實驗課程資源，提高學生的學習興趣，豐富教學內容，促進優質教學資源共享。隨著現代信息化技術的蓬勃發展，虛擬仿真實驗技術作為一種嶄新的人機交互手段廣泛應用于高校的實驗教學。“高分子全流程實驗”通過共享針對儀器設備的虛擬仿真實驗，實現學生對課程中用到的儀器設備的課前預習和虛擬實踐，促使學生能夠盡快熟練操作儀器設備，提高實驗效率和實驗安全性。

三、構建多元化的實驗課程評價體系

在傳統的實驗教學模式下，通常是學生提交一份實驗報告作為課程成績評價的主要依據。這種課程評價模式單一，只注重知識的積累，不利于培養學生獨立思維能力和科研意識。在工程教育理念驅動下，本課程圍繞“價值塑造、能力培養、知識傳授”的“三位一體”的人才培養目標，構建了多元化實驗課程評價體系，提高過程性評價比例。實驗課程成績由實驗設計方案（包括實驗原料、實驗設備、實驗方法和步驟，占20％）、實驗操作（包括實驗觀察、設備操作和廢液、廢料的回收與處理，占20％）和綜合實驗論文（占60％）三部分組成。其中，綜合實驗論文側重實驗數據分析、結果與討論，以及學生書寫科技論文的邏輯條理性。將考核方式貫穿于整個實驗教學過程，兼顧知識的積累和能力的培養，提高學生參與實驗的積極主動性和綜合能力的提高。

四、實驗課程思政教育的探索

課程思政建設是全面提高人才培養質量的重要任務，全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措［6］。現在的大學生基本是“00后”，思想開放、思維活躍，自我意識較強，正處于“三觀”形成的關鍵時期，需要教師的正確引導。專業課程的思想政治教育將有助于在知識傳授中強調主流價值觀的引領，培養大學生正確的“三觀”，樹立科學精神和創新理念［7］。針對實驗課程通常分小組授課，每次實驗的學生人數較少，課堂相對比較開放且有討論環節的特點，我們嘗試開展“高分子全流程實驗”課程思政教育，在專業知識中挖掘思政元素，實現課程思政與專業知識的有機融合，促使學生加深對課程專業知識的拓展和延伸。（1）聚甲基丙烯酸羥乙酯作為重要的醫用高分子材料，是制造角膜接觸鏡的主要材料。2020年恰逢提出高分子概念100周年，給學生講授課題背景知識時，介紹我國高分子工業的飛速發展及在汽車制造、航空航天、石油化工、建筑材料等方面的廣泛應用。正是老一輩高分子科學家的艱苦樸素和吃苦耐勞，換來了現在1.5億噸的工業規模，以此培養學生的家國情懷，學習老一輩科學家在艱苦條件下求真務實、追求真理的科學精神。（2）將不同小組的實驗結果進行對比，分析水凝膠力學性能最佳的合成方案。引導學生留意實驗中的細節，引發劑和交聯劑等原料的種類和反應用量直接影響高分子材料的力學性能和黏彈性，進而影響高分子材料的應用領域。通過對比具體的實驗數據，培養學生知行合一、精益求精的素養。（3）上海作為代表率先實行了生活垃圾分類，響應國家的綠色可持續發展理念，引申至高分子合成實驗中的提高反應的經濟性以及廢液和廢料處理問題。引導學生將科學研究和工業生產聯系起來，深入理解環境保護和社會可持續發展的內涵和意義，培養學生的社會責任感和使命感。

結語

本課程通過優化課程教學內容、融入多種教學方法和手段，以及構建多元化的實驗課程評價體系等，進行了綜合設計型實驗課程改革探索。同時，全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，嘗試開展了實驗課程思政教育。堅持工程教育認證的三大教育理念，注重以學生為中心，聚焦培養學生解決復雜工程問題的能力和創新能力。

參考文獻

［1］羅靜，劉仁，施冬健，等.工程認證背景下高分子材料與工程專業實驗教學的改革初探［J］.高分子通報，2021（5）：107-114.

［2］蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養［J］.中國大學教學，2016（11）：27-30+84.

［3］王永祥，耿鳳華，徐茂田.案例教學法在分析化學實驗教學中的應用探索［J］.廣州化工，2018，46（18）：126-128.

［4］范萍.大型測試儀器在高分子本科實驗教學中的應用初探［J］.教育教學論壇，2019（37）：279-280.

［5］于楠.“互聯網+”經濟背景下高校思政教育改革研究［J］.財富時代，2021（8）：156-157.

［6］教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-06-05）

［2023-04-03］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［7］盧艷麗，李金山，王永欣.課程思政在高校綜合素養類課程中的探索與實踐：以“迷人的材料世界”教學為例［J］.教育教學論壇，2022（11）：121-124.

Exploration of Teaching in Comprehensive Experimental Course of Polymer Materials and Engineering

LIU Kun， ZHANG Xia-cong， SU Xin-yan， YAN Jia-tao

（School of Materials Science and Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract： Polymer Whole Process Experiments is a comprehensive experimental course which involves polymer chemistry， polymer physics， and polymer engineering. This course teaches students the synthesis of polymer materials， characterization methods， and engineering applications， which aims to cultivate students to efficiently utilize comprehensive knowledge， and foster their innovation abilities to solve complex engineering problems. To fulfill the advanced concept of engineering education， this paper describes the efforts on the form and expansion of the experimental curriculum content， the experimental teaching methods， the curriculum evaluation system， and the ideological and political elements. These reforms would enrich our experimental teaching resources and promote experimental teaching level， and hopefully cultivate innovative talents in polymer materials and engineering.

Key words： polymer materials and engineering; comprehensive design; experimental teaching