新工科視角下應(yīng)用型本科院校高分子物理課程教學(xué)改革與探索

惠貞貞，王彥平，唐 婧，鄭勝彪，仇楠楠，胡瑞章①

（安徽科技學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 滁州 233100）

0 引言

近幾年新工科的概念陸續(xù)出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多所高校教學(xué)研討會(huì)上，很多學(xué)者對(duì)這個(gè)概念、內(nèi)涵外延等進(jìn)行深入探討，所謂“新工科”是相對(duì)于傳統(tǒng)工科而言的，表現(xiàn)為“理念新”“要求新”和“途徑新”，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的范疇[1-2]。目前絕大多數(shù)應(yīng)用型本科院校都是采取以人才培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)的人才教育模式，即以前人經(jīng)驗(yàn)積累為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前高校教育新趨勢(shì)及用人單位對(duì)人才新要求，調(diào)整培養(yǎng)思路，使得本科生教育與時(shí)代潮流同步。新工科教育理念在國(guó)內(nèi)雖處于初步階段，但是國(guó)內(nèi)眾多高校已對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行有益探索與嘗試[3]。為在地方應(yīng)用型高水平大學(xué)建設(shè)中更好地結(jié)合新工科概念和內(nèi)涵，更好服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)，除引入符合新工科趨勢(shì)新型專(zhuān)業(yè)外，應(yīng)用新工科概念對(duì)傳統(tǒng)課程進(jìn)行改造也是迫在眉睫的任務(wù)[4]。高分子物理課程作為一門(mén)傳統(tǒng)工科課程，主要闡述聚合物結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系和基本規(guī)律，是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)[5]。為在材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)中更好地探索新工科，安徽科技學(xué)院高分子材料授課團(tuán)隊(duì)擬在本課題中詳細(xì)闡述如何應(yīng)用新工科的概念，優(yōu)化高分子物理課程教學(xué)內(nèi)容體系，探討該課程與其他應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式，使該課程形成系統(tǒng)化、模塊化、柔性化的新工科專(zhuān)業(yè)課程，以期培養(yǎng)兼具扎實(shí)理論知識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)新工科復(fù)合應(yīng)用型人才。

1 新工科視角下教學(xué)內(nèi)容改革

高分子物理是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)課程，該課程在已開(kāi)設(shè)課程高分子化學(xué)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索研究高分子材料結(jié)構(gòu)與性能。高分子物理通過(guò)研究聚合物分子運(yùn)動(dòng)，把微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能統(tǒng)一起來(lái)，為后續(xù)高分子成型加工及聚合物反應(yīng)工程等課程學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)[6]。采用“新工科視角”對(duì)該傳統(tǒng)工科課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，其關(guān)鍵任務(wù)是如何在新經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)背景下讓教師掌握如何教，學(xué)生掌握如何學(xué)。相對(duì)于傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)模式，新工科培養(yǎng)模式以產(chǎn)業(yè)需求的工程型人才為導(dǎo)向，注重跨學(xué)科整合，注重創(chuàng)新性及理論聯(lián)系實(shí)際等能力的培養(yǎng)[7-8]。

安徽科技學(xué)院堅(jiān)持以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，認(rèn)真學(xué)習(xí)貫徹黨的二十大精神，作為省應(yīng)用型高水平大學(xué)建設(shè)高校，多年來(lái)致力于地方應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，因此授課團(tuán)隊(duì)在講授高分子物理課程時(shí)抓住以下3個(gè)特色。1）重視基礎(chǔ)，精選內(nèi)容，強(qiáng)化基礎(chǔ)，進(jìn)一步闡明基本概念和基本理論。安徽科技學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院所處的蚌埠市周邊有大量高分子材料企業(yè)，其中生物可降解材料是蚌埠市重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)正處于爆發(fā)增長(zhǎng)階段，但應(yīng)用領(lǐng)域的研究剛剛起步。因此在教學(xué)內(nèi)容選擇上結(jié)合蚌埠市相關(guān)的高分子材料企業(yè)，詳細(xì)講授生物可降解材料聚對(duì)苯二甲酸-己二酸丁二醇酯等聚合物的結(jié)構(gòu)與性能，積極引入國(guó)內(nèi)外最新研究成果，分析市場(chǎng)上最新產(chǎn)品特點(diǎn)，從而有效服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。2）突出新意，拓寬知識(shí)，講授課程時(shí)著重反映現(xiàn)代高分子物理領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展新成果以及社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。與老工科相比，新工科比老工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科實(shí)用性、交叉性與綜合性[9]，因此需加強(qiáng)高分子物理課程信息化融入建設(shè)，推進(jìn)電子技術(shù)與本課程的交叉融合。利用學(xué)?，F(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，結(jié)合地方特色高分子材料，開(kāi)設(shè)兼具地方特色高分子物理相關(guān)虛擬仿真模塊，如采用美國(guó)Accelry 公司的Materials Studio（MS）軟件設(shè)計(jì)模擬聚乳酸分子結(jié)構(gòu)和性能，一方面讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)分子模擬的基本原理和方法；另一方面帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入高分子材料的計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)與分子模擬科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，深化學(xué)生對(duì)聚乳酸材料認(rèn)識(shí)。3）培養(yǎng)能力，提高素質(zhì)，既按照循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律，又使用跳躍思維的方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維方式，提高創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，貫穿新工科理念，設(shè)置與地方產(chǎn)業(yè)相關(guān)的課程內(nèi)容，如聚丙烯分子設(shè)計(jì)、材料制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)試及成型加工等實(shí)驗(yàn)。聘請(qǐng)企業(yè)工程人員為兼職教師，他們既有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又能顯著提高學(xué)生綜合工程能力，學(xué)生不再局限于掌握課本理論知識(shí)，而是直接與企業(yè)接觸，清晰直觀地了解聚丙烯等高分子材料生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)復(fù)合型新工科應(yīng)用型人才起著重要作用。

2 新工科視角下教學(xué)模式探索

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)和新工科教學(xué)相融合，力求直觀

傳統(tǒng)教學(xué)主要表現(xiàn)為教師講授為主，教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中扮演著主要角色，而學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中扮演著被動(dòng)角色，因此也稱(chēng)之為“灌輸式”教學(xué)。教師和學(xué)生互動(dòng)少，學(xué)生對(duì)課堂參與感弱，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有效吸收，同時(shí)教師不能準(zhǔn)確把握學(xué)生的接受能力，所以特別需要注重在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中融入部分新工科教學(xué)模式，如翻轉(zhuǎn)課堂、移動(dòng)課堂等多樣化、新穎式教學(xué)手段，充分利用動(dòng)畫(huà)、實(shí)物照片、圖片等輔助手段，清晰明了將知識(shí)傳授給學(xué)生，力求把知識(shí)點(diǎn)直觀展示給學(xué)生，在此過(guò)程中教師還能準(zhǔn)確把握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度[10]。

2.2 以實(shí)際工程問(wèn)題為載體，直面就業(yè)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力

在新時(shí)代背景下，學(xué)生能否高質(zhì)量就業(yè)是每位高校教師檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)核心觀測(cè)點(diǎn)。本課程在課堂教學(xué)過(guò)程中不僅注意理論知識(shí)的應(yīng)用與發(fā)展，更注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用能力，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程問(wèn)題的項(xiàng)目讓學(xué)生參與，如聚苯乙烯和聚丙烯是常用的工程塑料，但是在采用注射成型時(shí)，分別將2種粒料成型為不同的皮-芯結(jié)構(gòu)長(zhǎng)條試樣，要求學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目闡明原因，并設(shè)計(jì)必要的實(shí)驗(yàn)證明推斷。首先在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前，需要考慮高分子材料進(jìn)行加工時(shí)的內(nèi)外影響因素，如材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)、模具溫度與特征溫度比大小、皮層和芯層的取向度及結(jié)晶情況等，然后就以上2種物質(zhì)進(jìn)行分析，將所有判斷做完之后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定并分析總結(jié)得出結(jié)論。通過(guò)以上改革措施，讓學(xué)生在參與解決實(shí)際工程問(wèn)題過(guò)程中化繁為簡(jiǎn)，從理論到實(shí)踐，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，改善學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的薄弱現(xiàn)狀，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力。

2.3 巧妙植入科研元素，提升工程性和學(xué)術(shù)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

充分發(fā)揮課程組教師在科學(xué)研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)和現(xiàn)代教學(xué)手段相融合的教學(xué)過(guò)程中以教材為主，結(jié)合科研成果和學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，適當(dāng)?shù)貙⒏叻肿硬牧虾蛷?fù)合材料等領(lǐng)域最新熱點(diǎn)、研究成果和工程技術(shù)現(xiàn)狀等知識(shí)有機(jī)地植入到教學(xué)環(huán)節(jié)，提升教學(xué)的實(shí)踐性。如在講授聚合物電學(xué)性能和光學(xué)性能章節(jié)時(shí)，引入高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最新研究成果高分子薄膜太陽(yáng)能電池中的光電功能高分子。在分子設(shè)計(jì)與合成、薄膜器件組裝與調(diào)控等方面開(kāi)展的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，詳細(xì)闡述光電功能高分子的電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)與光電性能之間的關(guān)聯(lián)。另外，課程授課團(tuán)隊(duì)近幾年獲批一系列國(guó)家級(jí)及省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目，在教學(xué)過(guò)程中實(shí)時(shí)以學(xué)術(shù)報(bào)告形式分享研究成果，培養(yǎng)學(xué)生科研思維，激發(fā)學(xué)生科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 新工科視角下的教學(xué)實(shí)踐

該課程講授時(shí)，授課教師采用板書(shū)講授與新工科教學(xué)模式相融合的方法，運(yùn)用案例教學(xué)法、視頻演示和慕課（MOOC）等教學(xué)手段，注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲。將成功的實(shí)踐案例引入到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中能夠根據(jù)案例實(shí)際要求，確定目標(biāo)和解決方案，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程理念融入其中，并能夠?qū)ζ渲械目茖W(xué)問(wèn)題進(jìn)行可行性分析與論證[11-12]。如在講授高分子溶液和聚合物的分子運(yùn)動(dòng)等章節(jié)時(shí)，因其具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，在課堂教學(xué)過(guò)程中準(zhǔn)確適宜地引入纖維、塑料等高分子材料工業(yè)中溶液紡絲和增塑等相關(guān)工程案例，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)解決實(shí)際案例的過(guò)程中深刻理解高分子溶液熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及高分子與溶劑分子間的相互作用對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐和發(fā)展高分子的基本理論所具有重要的意義。

教師在課堂教學(xué)過(guò)程中引入工程案例或分析模型時(shí)，可以將整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行細(xì)化分解，如表1所示。

多年教學(xué)實(shí)踐表明，上述教學(xué)方法不僅能有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，且能提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。有利于培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，熟練掌握高分子材料基本理論知識(shí)，具有材料制備、成型與加工、結(jié)構(gòu)分析等基本能力，能夠在高分子材料等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理與經(jīng)營(yíng)等方面的工作，具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)精神的高素質(zhì)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。

4 結(jié)語(yǔ)

本課程教學(xué)改革與探索統(tǒng)籌考慮新工科注重的“實(shí)用性、交叉性和創(chuàng)新性”與傳統(tǒng)工科強(qiáng)調(diào)的“基礎(chǔ)性、知識(shí)性、理論性”，助力深化工程教育課程體系改革，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。結(jié)合安徽科技學(xué)院教學(xué)的實(shí)際情況以及地方產(chǎn)業(yè)特色，以服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向，從培養(yǎng)地方高水平應(yīng)用型本科院校的新工科型人才為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)理念，深化教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)該課程的教學(xué)改革與探索。