工程认证理念下的《高分子物理》课程教学改革与实践.pdf

226 教育智库工程认证理念下的高分子物理课程教学改革与实践高分子物理是材料科学与工程专业的专业基础课，是揭示高分子材料结构与性能之间内在联系基本规律的科学，与高分子材料的合成、加工、改性、应用等都有非常密切的内在联系1。此门课程对夯实学生专业基础和提高学生解决工程问题的能力具有十分重要的意义，但却存在内容多、概念多、头绪多、关系多、数学推导多等特点，很多知识较抽象，学习难度较大。并且现在大学生多喜欢玩手机等电子产品，从书本和课堂上获得知识的热情不高，急需调动学生学习的积极性。因此，如何改变教学方式，提高教学效果，对每一位高分子物理教学人员来说，都是至关重要的。此外，随着中国加入国际工程教育专业认证体系华盛顿协议，“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念逐渐影响到高等学校工科专业的建设，并促进课程质量改革和发展2。2020年笔者所在的天津工业大学纪艳红赵莉芝王文一赵义平张雯（天津工业大学材料科学与工程学院天津300387）摘要：高分子物理一向被认为是一门抽象的、老师难教、学生难学的重要基础课。笔者及所在的高分子物理教学团队以“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念为指导，从紧紧围绕结构-分子运动-性能关系的主线、结合生活中的应用实例、运用混合式教学方式、启发学生对知识点进行纵向梳理与总结四个方面开展了教学改革与实践，使学生获得高分子物理基础知识的同时，帮助学生建立科学思维，培养学生分析问题和解决问题的能力，为从事工程实践奠定基础。关键词：高分子物理；工程教育专业认证；结构-分子运动-性能主线；应用实例；混合式教学；纵向归纳总结基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目（E-CL20201909）；天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目（A201005802）；天津市教育科学规划重点课题（BIE210029）；中国学位与研究生教育学会学位与研究生教育研究重点课题（2020ZDB129）；2021年天津市教育科学规划课题（HIE210388)；2021年“纺织之光”中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目（2021BKJGLX630）。材料科学与工程学院积极开展了材料科学与工程专业认证申请工作，并得到了受理、进入自评阶段，因而对高分子物理课程的教学也提出了更高的要求。依据材料科学与工程专业毕业生培养目标，笔者及所在的高分子物理教学团队修订了高分子物理课程的教学大纲，使之更符合材料科学与工程专业工程认证的要求，课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系如表1所示。在此基础上，我们以工程教育理念为指导，从紧紧围绕结构-分子运动-性能关系这一主线、结合生活中的应用实例、运用混合式教学方式、启发学生对知识点进行纵向梳理与总结等四个方面，开展了提高高分子物理课程教学效果的探索与实践，使学生获得高分子物理基础知识的同时，帮助学生建立科学思维，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后从事工程实践奠定基础。227教育智库基于工程认证理念开展的教学改革结构-分子运动-性能关系的主线。高分子物理课程前1-4章主要涉及高分子的结构，后面6-10章主要涉及高分子的性能，而结构与性能之间的联系正是通过第5章高分子的运动联系起来的3。在课程讲授过程中，我们注重紧紧围绕高分子的结构-分子运动-性能这条主线，将众多零散的知识点联系起来，形成“知识树”，增加知识点之间的逻辑性和条理性。使学生能够对知识点融会贯通，深刻理解结构是决定分子运动的内在条件，性能是分子运动的宏观表现，微观结构特征要在材料的宏观性质上表现出来，则必须通过材料内部分子的运动来实现。通过对高分子结构-分子运动-性能关系的学习，引导学生养成勤于思考的良好学习习惯，培养学生的逻辑思维能力和分析问题解决问题能力。结合生活中的应用实例。高分子物理中涉及很多抽象的内容，因此在讲解过程中，如果能将抽象的知识与生活中的实例相结合，使抽象的内容变得形象、具体，无疑将加强学生对内容的认识与理解。比如讲取向对高分子性能的影响时，可结合聚丙烯(PP)捆扎绳纵向强度很高、横向却很容易撕开，薄膜为什么各个方向强度都很好，矿泉水瓶是如何制备的等生活实例来讲解；讲高分子的溶胀现象时，可结合膨胀玩具“小恐龙的破壳与长大”、一次性烟灰缸等实例来进行讲解；讲影响玻璃化转变温度的因素时，可结合如何去除粘在衣服上的口香糖、高速行驶的汽车为什么容易爆胎等实例进行讲解。将生活中的应用实例引入课堂，与高分子物理知识相联系，不仅加深学生对高分子物理知识的理解，还激发了学生的学习热情，更引导他们善于在生活中发现问题、思考问题、解决问题，为从事工程实践奠定基础4。运用混合式教学方式。传统的授课方式下，主要以老师的课堂讲授为主，学生在课前和课后学习的热情并不高。并且在课堂上，一个老师要往往对应两个班、甚至更多班的学生，很难快速摸清每一位学生对知识的掌握情况。同时，在如今发达的网络信息时代，学生对手机、平板等电子产品的渴望又比较强。因此，我们在教学中运用雨课堂平台开展了线上线下混合式教学。课前，将一些视频、动画、课件等预习资料通过雨课堂推送给学生，让学生在课前做好预习。课中，在知识点讲授结束以后，增加了雨课堂答题环节。一方面能使教师及时得到全部学生对当前知识的掌握情况，另一方面也能帮助教师快速掌握每名学生的学习动态，尤其是发现那些不认真听讲的学生，及时地对其进行关注、教育和帮扶。课后，学生做完作业从雨课堂上传，教师进行批阅，并给出参考答案。学生后续可以随时运用零散的时间调出作业进行复习，不用担心纸质版作业的丢失。并且，当他们到了期末考试阶段或大四备考研究生阶段、甚至以后其他需要高分子表1课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系毕业要求指标点课程目标1工程知识1.4 能够将材料专业知识用于复杂工程问题解决方案的比较与综合。1 使学生获得高分子材料结构与性能方面的工程基础知识，理解高聚物组成、结构与性能间的相互联系及内在规律，能够将其用于比较和综合高聚物选材、加工技术、使用条件的复杂工程问题的解决方案，并尝试改进。2问题分析2.1 能运用数学、物理等相关科学原理，识别和判断材料科学与工程领域工程问题的关键环节、参数。2 能够运用高分子物理知识，识别并判断高聚物加工和使用过程中影响其结构和性能的关键环节和参数。2.3 能认识到解决材料科学与工程领域工程问题有多种方案可选择，能运用基本科学原理，借助文献研究，分析解决材料科学与工程领域复杂工程问题过程的影响因素，获得有效结论。3 能认识到解决高分子材料领域工程问题有多种方案可选择，能够根据参考书目、文献等资料，运用高聚物结构与性能的关系，对结构内因和条件外因等影响因素进行分析和评价，证实解决方案的合理性并获得有效结论。228 教育智库物理知识的阶段，仍可以轻松地从手机中调出作业进行参考和学习。利用混合式教学方式，完善了课前-课中-课后三个环节的教学，不仅对学生的学习起到引导和督促作用，还培养学生养成自主学习的良好习惯。启发学生对知识点进行纵向梳理与总结。在教材和课堂教学中，所有知识都是以横向的形式出现的，比如讲到玻璃化转变温度的影响因素时，一般是取代基极性、支化、交联、分子量等诸多结构因素对玻璃化转变温度的影响3。而纵向知识，则需要学生自己去比较、分析、综合与总结。因此我们将学生分成4-5人的小组，就某一纵向的知识点，经过充分讨论后，并准备PPT进行总结汇报。比如交联对高分子的玻璃化转变温度、拉伸断裂强度、冲击韧性等性能有哪些影响；分子量的大小对于高分子的玻璃化转变温度、结晶速度、熔点、黏流温度、熔体黏度、拉伸强度、冲击强度等有哪些影响；什么样结构的高分子容易结晶，结晶对高分子的使用温度、密度、硬度、拉伸断裂强度、冲击韧性等有哪些影响。通过知识点的纵向梳理与总结，不仅有利于学生掌握知识，同时学生从原来的被动接受知识的状态，变成了课程的主角，充分调动了学生参与课程的主动性和积极性，真正做到了“以学生为中心”。教学改革取得的成效以材料科学与工程专业大三同学为例，三个课程目标达成值分别为0.822，0.773和0.769。课程目标1由平时表现、课程作业和期末考试三部分支撑，主要考察学生对高聚物结构和性能基本概念的理解，及是否具有能够解释聚合物加工和使用过程中的现象和性质的能力。达成值为0.822，说明学生在这方面掌握程度较好。课程目标2由平时表现、小测验和期末考试三部分支撑，主要考察学生对高分子的组成、温度、时间、作用速度等参数的重要性的理解，及是否具有能够判断参数对高聚物性能的影响的能力。达成值为0.773，反映出学生在这方面的能力尚可，但有待提升。课程目标3由课程作业和期末考试两部分支撑，主要考察能够根据参考书目、文献等资料，运用聚合物结构与力学状态、力学性能、高弹性和黏弹性之间的关系，对聚合物性能的影响因素进行分析和评价，提出优化的解决方案，获得有效结论的能力。达成值为0.769，反映出学生在这方面的能力尚可，但有待提升。同时，我们还就三个课程目标的达成情况进行了问卷调查。93.2的学生认为具备了掌握高分子材料结构与性能方面的工程基础知识，理解高聚物组成、结构与性能间的相互联系及内在规律，能够将其用于比较和综合高聚物选材、加工技术、使用条件的复杂工程问题的解决方案，并尝试改进的能力。89.3的学生认为具备了能够运用高分子物理知识，识别并判断高聚物加工和使用过程中影响其结构和性能的关键环节和参数的能力。90.3的学生认为具备了能认识到解决高分子材料领域工程问题有多种方案可选择，并根据参考书目、文献等资料，运用高聚物结构与性能的关系，对结构内因和条件外因等影响因素进行分析和评价，证实解决方案的合理性并获得有效结论的能力。此外，我们对能够达到较高的课程目标达成值的原因也进行了调研，13.6的同学认为是由于结构-分子运动-性能关系的主线清晰，知识点之间的条理性较好；36.9的同学认为是由于通过将高分子物理知识与生活中的实例相结合，抽象的内容变得形象，加深了对知识的理解；27.2的同学认为是由于混合式教学的方式会增加其在课前和课后的学习，对课程的学习起到了一定的督促作用；22.3的同学认为是由于通过参与知识点的纵向梳理与总结，对课程内容有了更深的认识和理解。总的来说，结合生活中的应用实例和运用混合式教学这两个方面，得到了更多同学的认可和好评。在以后的教学中，将继续深入推进。高分子物理是材料科学与工程专业的重要专业基础课。我们以“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念为指导，从紧紧围绕结构-分子运动-性能关系主线、结合生活中的应用实例、运用混合式教学方式、启发学生对知识点进行纵向梳理与总结这四方面，不断的优化教学内容与教学方式，提升教学效果，从而提升学生的工程实践能力，为培养应用型高素质人才奠定基础。参考文献1孙鹏飞,范曲立.“四位一体”的高分子物理课程教学实践探讨J.广州化工,2021,49(17):169-170.2刘洋.工程教育专业认证背景下的高校校院两级教学质量保障体系建设J.知识经济，2018,19:164-165.3华幼卿,金日光.高分子物理M.北京:化学工业出版社,2013:1-333.4郭改萍,于建香,戴玉华.浅谈高分子物理教学的形象化J.高分子通报,2022,9:144-146.