針對非高分子專業(yè)學(xué)生進行高分子化學(xué)課程綜合教學(xué)模式的探索與實踐

劉軼，林權(quán)，劉堃，張皓，宋文龍，史作森，崔占臣，張愷，張俊虎

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室，長春 130012

高分子化學(xué)課程是研究高分子化合物的合成、聚合反應(yīng)及應(yīng)用等方面的一門綜合性課程。吉林大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)作為教育部重點的二級學(xué)科有著悠久的歷史與雄厚的實力。與此同時，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院非常重視學(xué)生對于高分子相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，高分子化學(xué)一直是高分子專業(yè)學(xué)生的必修課。為了進一步廣泛普及高分子知識，學(xué)院于2019年將高分子化學(xué)課程作為化學(xué)專業(yè)原有的四大基礎(chǔ)課之外的第五大基礎(chǔ)課，在化學(xué)專業(yè)(非高分子專業(yè))的學(xué)生范圍內(nèi)由原來的選修課調(diào)整為必修課，吉林大學(xué)化學(xué)專業(yè)學(xué)生每年人數(shù)規(guī)模在100多人，如何針對化學(xué)專業(yè)學(xué)生開展高分子化學(xué)課程講授，就成為了值得研究的課題。由于2020年伊始新冠病毒肆虐，疫情席卷全球[1]。在全國人民自覺減少社交活動、避免病毒傳播的抗疫大背景下，為了維護廣大師生的身體健康，并響應(yīng)教育部“停課不停教、停課不停學(xué)”的號召，吉林大學(xué)教務(wù)處和化學(xué)學(xué)院組織針對化學(xué)專業(yè)的學(xué)生進行在線教學(xué)實踐[2,3]。

1 在線課堂學(xué)習(xí)過程

高分子化學(xué)課程內(nèi)容主要分為八章內(nèi)容，包括：緒論、逐步聚合、連鎖聚合、聚合方法、離子聚合、配位聚合、可控活性自由基聚合、開環(huán)聚合。與給高分子專業(yè)學(xué)生上課不同，在針對化學(xué)專業(yè)的學(xué)生進行在線授課的過程中，授課教師希望著重培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)學(xué)生對于高分子學(xué)科的研究興趣，而非直接灌輸學(xué)生大量的概念、公式讓學(xué)生死記硬背。因此，在教學(xué)過程中授課教師充分利用網(wǎng)絡(luò)資源豐富、線上教學(xué)形式靈活等優(yōu)勢，通過穿插趣味故事與實驗視頻、動畫等內(nèi)容和形式，讓學(xué)生深入了解高分子的發(fā)展歷程，并切實感受高分子材料的突出性能及其在日常生活中的廣泛應(yīng)用。

例如，在第一章緒論部分中，在介紹高分子的發(fā)展歷史時，通過引入世界首例利用高分子材料制備臺球的實例提高學(xué)生對于高分子材料的興趣。16世紀早期，由于法國國王路易十四的御醫(yī)建議他餐后通過臺球運動健身，臺球運動逐漸風(fēng)行起來。但是早期的臺球是由象牙制造的。一顆象牙只能做出5顆臺球，而且制造好的臺球還要經(jīng)過嚴格挑選，重量必須相同，因此臺球造價非常昂貴。后來，美國科學(xué)家海亞特研制出一種用硝化纖維素、樟腦、酒精等化工原料混合制成的臺球，大大降低了臺球的成本[4]。再例如，高分子的聚集態(tài)是決定其性能的重要參數(shù)。高分子鏈段較長，鏈段間存在多種弱相互作用，使得鏈段之間并不一定是有序排列的，多數(shù)高分子其實是以無規(guī)線團的形式存在的。對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，高分子的空間構(gòu)型是比較抽象的概念。因此，在描述高分子的無規(guī)線團分子構(gòu)型時，我們將高分子比喻成方便面的面餅，充分利用線上教學(xué)的優(yōu)勢，為學(xué)生視頻展示一包方便面中面條的長度：市場上普通方便面的面餅一般為直徑12.5厘米的圓餅，我們將方便面經(jīng)過水煮之后將面條一根接一根的鋪展開，最終可以達到50–70米的長度。通過這樣一個實驗，可以有效幫助學(xué)生生動形象地理解高分子的分子構(gòu)型。

在第二章逐步聚合部分，我們通過結(jié)合吉林大學(xué)在相關(guān)領(lǐng)域所做出的貢獻，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使得枯燥晦澀的理論推導(dǎo)更容易被學(xué)生接受理解，同時也加深學(xué)生在吉林大學(xué)學(xué)習(xí)的自豪感。眾所周知，凝膠點的預(yù)測與控制是體型縮聚的首要控制指標，在熱固性聚合物制品的生產(chǎn)過程中起到了至關(guān)重要的作用：預(yù)聚階段如果反應(yīng)程度超過凝膠點，預(yù)聚物將會固化在反應(yīng)釜內(nèi)而無法進一步成型固化；在成型固化階段則需要控制固化速度，因為適宜的固化時間是提高材料性能的關(guān)鍵。高分子化學(xué)教材中介紹的凝膠點預(yù)測的兩個基本理論分別是Carothers理論和Flory理論。Carothers理論的基礎(chǔ)是假設(shè)聚合度無窮大時才發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，因此所得到的結(jié)果偏大，是實際凝膠點的上限。Flory理論的基礎(chǔ)是假設(shè)官能團等活性和無分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，因此所得到的結(jié)果偏低，是實際凝膠點的下限。唐敖慶教授作為吉林大學(xué)的老校長，中國“量子化學(xué)之父”，在1963年第5卷第1期的《高分子通報》上發(fā)表題為《高分子凝膠化理論》的學(xué)術(shù)論文，提出從分子量分布函數(shù)出發(fā)，用求偏微商的辦法推導(dǎo)出重均分子量，再根據(jù)重均分子量趨于無窮大的凝膠化條件原則，推導(dǎo)出若干重要類型的共縮聚反應(yīng)的凝膠化條件的方法。這一方法相較之前兩種方法更加簡便，推導(dǎo)過程也更加嚴謹[5]。

另外，在第三章連鎖聚合部分，授課教師重點介紹聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等經(jīng)典自由基聚合高分子材料在日常生活中的應(yīng)用。在第七章可控活性自由基聚合部分，重點介紹利用這種聚合方法可以合成出哪些高分子材料，包括：嵌段共聚物、接枝聚合物、星形聚合物、超支化聚合物等，并簡要闡明它們的應(yīng)用前景[6]?；A(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)固然重要，但是學(xué)習(xí)的最終目的是要將理論知識應(yīng)用于實際的科學(xué)研究中。為此，授課教師在教學(xué)過程中引入了一些具有吉林大學(xué)特色的研究成果，不但促進了學(xué)生將理論與實踐融會貫通，而且提高了學(xué)生作為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院一員的自豪感與榮譽感。例如，超分子化學(xué)是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)科交叉構(gòu)成的前沿科學(xué)。吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院依托超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室作為研究平臺，在超分子化學(xué)領(lǐng)域取得了突出的研究成果。通過向?qū)W生介紹超分子聚合物的相關(guān)研究成果，使得學(xué)生能夠更加容易地將基礎(chǔ)理論與研究前沿相結(jié)合。通過這樣把思政內(nèi)容與教學(xué)各環(huán)節(jié)良好的融合過程，拓展了學(xué)生對于高分子前沿領(lǐng)域的了解和國際化視野，提升了學(xué)生面對分析問題和解決問題能力的科學(xué)素養(yǎng)。

與此同時，我們在課堂學(xué)習(xí)效果的測驗?zāi)Ｊ椒矫孢M行了探索和實踐，主講教師在授課過程中不定期進行課堂測驗，測驗內(nèi)容出自當次課的授課內(nèi)容。通過限定測驗作答時間為課后半小時之內(nèi)，可以有效督促學(xué)生必須認真觀看學(xué)習(xí)當次課的相關(guān)內(nèi)容，從而進一步保證學(xué)生的學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)專注程度，學(xué)生盡量在課堂上能消化理解所學(xué)內(nèi)容，并通過線上和線下教學(xué)模式相結(jié)合使得教學(xué)質(zhì)量得到有效的提升。

2 對課后復(fù)習(xí)和作業(yè)環(huán)節(jié)提出要求

課后作業(yè)是授課教師與學(xué)生溝通的重要平臺，也是授課教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要渠道。高分子化學(xué)課程的課后復(fù)習(xí)和作業(yè)多以拓展學(xué)生思維方式、深化學(xué)生對于高分子的理解為目的。課后作業(yè)多為開放性題目，沒有標準答案，意在培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維。例如，第一章緒論部分的課后作業(yè)是讓學(xué)生構(gòu)筑自己想象中的高分子，從而充分調(diào)動學(xué)生的想象力和創(chuàng)造性。圖1為授課教師對部分學(xué)生作業(yè)進行的總結(jié)，通過作業(yè)內(nèi)容可以看出學(xué)生的想象力非常豐富，思維模式不是循規(guī)蹈矩，創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮，也提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再例如，讓學(xué)生從身邊的日常用品中找出7種可回收塑料，從而加深他們對于高分子材料應(yīng)用領(lǐng)域的了解，同時也可以使學(xué)生直觀地感受到高分子材料對于日常生產(chǎn)生活的重要性(圖2)。第二章逐步聚合部分的其中一個課后作業(yè)，是希望學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式總結(jié)逐步聚合的知識點(圖3)。從學(xué)生提交的作業(yè)中可以看出，利用這種方法可以很好地強化學(xué)生對于知識點的掌握。

圖1 部分學(xué)生設(shè)計的高分子材料

圖2 部分學(xué)生收集的身邊的可回收塑料

圖3 部分學(xué)生繪制的思維導(dǎo)圖

另外為了更有利于掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況和解答學(xué)生疑難問題，授課教師除了在線方式了解和掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動向，還利用QQ群等網(wǎng)絡(luò)溝通方式對學(xué)生提出的問題進行解答，以增加師生之間溝通的良好媒介和渠道。這些方式可以更有針對性地解答來自不同學(xué)生的疑難問題，并有助于加深師生之間的親切感與聯(lián)結(jié)感，增強師生之間、同學(xué)之間的社群感。

3 課程取得優(yōu)良的教學(xué)效果

經(jīng)過高分子化學(xué)課程教學(xué)團隊一個學(xué)期的教學(xué)實踐與探索，我們發(fā)現(xiàn)基于以上線上和線下的教學(xué)模式可以有效地將教與學(xué)有機地結(jié)合在一起，明顯提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極思考和知識融會貫通的能力培養(yǎng)。同時，利用線上教學(xué)的優(yōu)勢可以將教學(xué)資源進行有效重組，優(yōu)化教學(xué)過程，實現(xiàn)教學(xué)過程的精細化管理，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，保證課程教學(xué)質(zhì)量。我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，開課以來每次上課基本都能達到滿勤，化學(xué)專業(yè)學(xué)生對于高分子化學(xué)課程的學(xué)習(xí)積極性很高，教學(xué)質(zhì)量得到有效的提升，取得了優(yōu)良的教學(xué)效果。

4 課程思政與教學(xué)內(nèi)容相融合的思考

在高分子化學(xué)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們的教師團隊始終堅持“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，把學(xué)生始終放在線上和線下課堂教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐能力、增強學(xué)生綜合的分析和解決問題的優(yōu)良素質(zhì)為教學(xué)指導(dǎo)方向，啟發(fā)并培養(yǎng)他們傳承吉大化學(xué)“求實創(chuàng)新、勵志圖強”的優(yōu)良傳統(tǒng)，提升學(xué)生具有廣闊的視野和領(lǐng)悟前沿科學(xué)的素養(yǎng)。通過線上和線下課堂的有益結(jié)合，以及課程思政與教學(xué)內(nèi)容的融合，我們在課程教學(xué)的進行中清晰地感受到，學(xué)生不僅掌握了本課程的專業(yè)知識，而且對于所學(xué)專業(yè)的信心和自豪感不斷增強，對相關(guān)知識理解和運用的能力在逐步提高，并且從情境化教學(xué)的實踐中深刻認識和明確了身上的責(zé)任和使命，達到了課程思政建設(shè)的預(yù)期效果。

我們認識到，把課堂教學(xué)作為課程思政的切入點，通過將課程思政覆蓋到各種形式的線上和線下課堂教學(xué)是育人的主要渠道。我們教學(xué)團隊通過加強教學(xué)管理，梳理課程形式和內(nèi)容中所蘊含的思政教育元素和所承載的思政教育功能，通過對于這些教學(xué)內(nèi)容和形式的探索和實踐，著力優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)置，完善教學(xué)設(shè)計，融入課堂教學(xué)各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)思政教育與知識體系教育的有機統(tǒng)一。提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)和分析解決問題能力的培養(yǎng)。

5 結(jié)語

在抗擊新冠疫情大背景下，我們利用吉林大學(xué)在線學(xué)堂和線下課堂相結(jié)合的方式開展高分子化學(xué)課程教學(xué)。教學(xué)工作以培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)學(xué)生對于高分子學(xué)科的研究興趣為出發(fā)點，摒棄照本宣科、死記硬背的傳統(tǒng)教學(xué)方式。從學(xué)生的學(xué)習(xí)參與性和知識掌握程度來看，教學(xué)效果顯著。與此同時，充分發(fā)揮在線教學(xué)能夠全程把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、了解學(xué)生對知識的掌握程度、高效完成與學(xué)生的互動等優(yōu)勢，為疫情防控期間教學(xué)進度和教學(xué)質(zhì)量提供了有力的保證。采用線上和線下相結(jié)合的教學(xué)方式，并融合思政體現(xiàn)內(nèi)容，在教學(xué)環(huán)節(jié)中取得了優(yōu)良的教學(xué)效果。通過有效重組教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過程，實現(xiàn)思想政治教育與知識體系教育的有機統(tǒng)一，特別是思政元素與線上及線下課堂教學(xué)各環(huán)節(jié)的融合，有力地保證了新冠疫情防控期間教學(xué)進度的順利完成與教學(xué)質(zhì)量的提升。在今后的教學(xué)實踐中，希望可以繼續(xù)完善教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和信息化工具進行學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，從而提高學(xué)生的思辨和創(chuàng)新能力。