新工科背景下《高分子物理》课堂设计与思政教育

刘巧宾，孙金鹏，王晓蓓

(北华航天工业学院，河北 廊坊 065000)

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设。“新工科”历经了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等阶段的酝酿,最终尘埃落定。教育部新工科项目的正式认定，也意味着备受关注的高校新工科建设开始进入实施阶段[1]。新工科的内涵主要为:以立德树人为引导，以培养具备多元化能力和创新精神的卓越工程人才为目标[2]。新工科的建设离不开课程的教学改革。

当前，大学生收获知识的主要渠道还是课堂，因此有效的课堂设计是搞活课堂气氛，提高学习效果的重要手段。如何进行有效的课堂设计呢？首先应考虑课堂上师生的专注力。只有当彼此的专注力合拍时，学生才可能会全神贯注，如痴如醉，起到事倍功半的作用。师生课上专注力曲线如图1。

图1 师生课堂上专注力对比

由图1看出，普通的、没有经过设计的课堂，教师和学生的专注力完美的错开了。课堂伊始，学生精神饱满，充满期待接受新知识，慢慢发现教师还是原来的教师，模式还是原来的模式。尤其是工科的课程，还是一样的枯燥乏味，开始分神，直至注意力完全从课堂游离，快到下课点时又开始期盼教师按点下课；而教师上课则是越讲越兴奋，越讲越来劲，后面由于体力问题，或是没有学生的回应而专注力略微下降。师生专注力不能很好的匹配，这是教学效果不好的直接原因。所以教师应该根据学生的专注力变化精心的设计课堂。本文以高分子物理的三个片段来分析下课堂的设计，该方法同样适用于其他的学科。

1 BOPPPS教学法—以高分子的溶解过程及特点为例

BOPPPS是教师进行教学设计及课堂组织教学的一种有效模式，是以教学目标为导向、以学生为中心的教学模式，它由导言(Bridge-in)、学习目标(Objective/Outcome)、前测(Pre-assessment)、参与式学习(ParticipatoryLearning)、后测(Post-assessment)和总结(Summary)六个环节构成。BOPPPS是这六个教学环节的英文单词的首字母构成[3]。

在讲授高分子的溶解过程及特点这部分内容时，首先以“墨水溶于水”和“苯乙烯溶于苯”两个动图展示的方式引入，让学生细心的观看两遍后，以问答的形式展开分析，见表1。

表1 对于高分子溶解过程的师生问答设计

当进行完我问你答后，聚合物的溶解过程就已经很清晰的展现出来了。教师让学生尝试着复述下，学生就已经自然的掌握了聚合物的溶解过程了。此时，教师一定要给予学生适时的表扬，学生学习会更带劲。老师继续发问，如果溶胀到一定程度，分子间距离不再增大会怎么样？学生答，溶胀到一定程度就结束了。什么样的聚合物溶胀到一定程度分子间距离不能再增大？学生开始思考，有学生能回答出交联聚合物。这时老师小结：非晶聚合物的溶解过程是先溶胀后溶解。溶胀分为有限溶胀(交联聚合物)和无限溶胀(线性聚合物)，完成了第一个知识点的学习。

那结晶聚合物呢？晶区分子链段紧密规整排列着，小分子溶剂都进入不了。学生回答，给它加热破坏。能不能自发热？学生陷入沉思。老师启发：什么反应会放热？生成还是破坏化学键的？能量升高的还是降低的？学生回答：生成化学键的，能量减低的。老师启发：如果一种物质带吸电子基团，另一种带供电子基团，两者相互接近时会怎么样？会反应，对吧，但如果此时只是他们之间的距离没有足够近，就不会形成新的化学键，但也会使能量降低。这种效应叫做溶剂化作用，极性的物质会有溶剂化作用。老师小结：非极性结晶聚合物溶解只能靠外加热；极性结晶聚合物除外加热，还可以通过加入极性溶剂—溶剂化作用，自发热而破坏结晶。

掌握了聚合物溶解过程的理论后，再做后测。请学生思考为什么尼龙在室温下可以被适当的溶剂溶解，而HDPE和PP 则不可以？学生结合前面学习已有的知识可以判断尼龙和HDPE、PP都是结晶聚合物，尼龙是极性的，HDPE和PP都是非极性，进而根据刚学过的理论给出正确解释。

本知识点最后以课下搜集习题的形式结束。为巩固本次课知识，教师请大家课后去查有关聚合物溶解的习题或实例，以每个宿舍为单位，相互间考考彼此，找出每个宿舍公为难度最大的题目拿到下节课课堂来，下次课老师汇总后，在班上展示，考其他学生，最后评出最好的题目，给与奖励积分。既激发了学生的学习动力，又让每个同学至少思考过类似的10道题，加深对本知识点的掌握。

这样经过动图展示起到“凤头”作用，中间分解为老师启发、学生思考、生生互动、师生互动等形式让学生参与学习，时刻紧扣学生心弦；适时给予学生表扬和鼓励，让学生感受到满满的收获感。

2 由浅入深——提升知识的高阶性，适时思政——以高分子溶剂选择为例

高分子溶液广泛用于涂料、黏合剂及纺丝等领域。其使用前提是选择合适的溶剂从而使其溶解形成溶液，使用时将溶剂挥发掉。绝大多数高分子溶液是以苯、酮、醚、胺等有机原料为溶剂，这些有机溶剂的挥发会引起严重的环境破坏和生态灾难，严重危害人类的身体健康，不符合绿色生态环保要求。另一方面，这些有机溶剂均来源于石油化工行业，而石油为不可再生的资源，因此，大量有机溶剂的挥发是一种严重的资源浪费，不符合可持续发展的理念。

为迎合可持续发展的社会主义发展观，应开发绿色环保的高分子溶液：以水为溶剂，减少了环境污染；水还可以循环利用，节省资源。但要使高聚物能溶于水，根据我们学习的溶剂选择原则，高分子链上应含有羟基、羧基、氨基、磺酸基等亲水基团，尤其是制成超支化的结构(科研前沿)，增加其亲水性。但是，目前高分子溶液还存在许多不足，在很多领域还不能完全取代传统的溶剂型溶液，但是相信随着科技的发展，势必会完全替代传统的高分子有机溶液。

本部分基于环保和可持续发展的理念，与实际应用案例有机结合，有助于提高学生对高分子物理理论的具体认识，明白高分子物理的理论并非空洞、抽象的理论，而是具有非常重要的实际应用价值，从而提高学生学习高分子物理的积极性。强调溶剂使用原则为保证使用者的安全、不危害环境。同时，告诉学生开发产品始终要秉持“环境和可持续发展”的理念，“绿水青山就是金山银山”，要考虑人与自然的和谐共处，科研要基于可持续科学发展观和绿色生态观，加强学生的社会责任感[4]，有利于培养高素质的专业人才。[5]

3 对分课堂——以聚合物的三态两转变为例

对分课堂是区别于传统满堂灌的课堂而言。对分课堂是复旦大学心理系张老师提出的一种课堂教学改革模式：课堂一半时间教师讲授，另一半时间分配给学生以讨论的方式进行交互式学习[6]。

对分课堂可以当堂对分，隔堂讨论，还可两者兼用。本文以“聚合物的三态两转变”为例,当堂对分。教师首先详细讲解非晶态聚合物的T-ε曲线：玻璃态、高弹态、黏流态及各自对应的运动单元和力学行为，玻璃化转变和黏流转各自对应的运动单元的启动；为巩固知识，提升难度，培养学生的发散性思维等，留出一些时间让学生结合已有的理论知识对结晶聚合物的T-ε曲线先进行独立思考，与邻座的同学相互探讨，教师点评，生生互动，师生互动。

老师先引导同学们思考结晶与非晶聚合物结构上的不同，运动单元的不同，提醒同学们高聚物都不会是100%结晶，有晶区和非晶区；结晶度不同的聚合物，或以晶区为主，或以非晶区为主，需要分开讨论。留出 3 min 的时间，让学生们独立画出高、低结晶度聚合物的T-ε曲线，再与邻座同学交换答案，或彼此探讨，给出公认的图形；老师再随机请两组同学去画在黑板上，供同学们点评。经过以上步骤，同学们在心里不断的构思—推翻—重建，基本上都能给出正确的答案。

老师请答对的同学阐述原因，一方面看他的思维是否清晰，另一方面让其他同学学习。最后老师小结：低结晶度通常是指聚合物的结晶度低于40%，此时存在比例较大的非晶区，因此能表现出类似非晶聚合物明显的玻璃化转变，之后非晶区进入高弹态，与晶态共存表现为柔韧的皮革状态，继续升高温度，晶区破坏，分子链大小不同，较短的分子链和较长的分子链依次进入粘流态；而当结晶度超过 40%后，微小比例的非晶区已经表现不出明显的玻璃化转变，温度升高到一定程度，晶区熔融，分子量比较小时，分子间作用力相对比较弱，聚合物直接进入粘流态，当分子量较高时，分子链间作用力较大，而且由于分子链相互缠结，熔融后仍不能流动，黏流温度高于熔点温度，只有超过熔融温度后，聚合物才进入黏流态。用同样的方法让大家课下画出不同聚合物的模量-温度曲线，作为隔堂讨论，下节课上课的前一部分时间，来解决留下的这一问题。

由此作为思政元素，非晶态、晶态和交联聚合物的力学状态都表现出温度的依赖性，但是结晶和交联聚合物由于分子链中晶区的束缚和化学交联键存在，材料对温度依赖性受到制约。大家目前的思想正值发育阶段，也非常的依赖外界环境，只有经过不断的系统训练，才会有思考问题和逻辑性和严谨性。另外，随着科技和网络的发展，大家接触的新鲜事物蜂拥而至。面对前所未有的挑战，没有前人经验可借鉴，所以需要大家始终保持一颗爱他人，爱国爱校的心。有正确的价值观去适应变革，才能成为有社会责任心、有担当、有专业技术能力的人才。

最后结合实例：为什么常温下天然橡胶是柔软的弹性材料，而-100 ℃ 时会变得很硬，起不到缓冲作用，不能再做轮胎使用。让学生能将理论联系实际的应用，不再感觉到内容的枯燥。

对分课堂这种引导式教学方式，教师让学生们经过独立思考，小组成员间讨论激发学习兴趣，碰撞火花，有助于他们深入透彻的理解相关的知识，充分吸收和消化课堂内容，实现课堂教学目标。

4 结语

在高分子物理教学中，以立德树人为引导，以培养具备多元化能力和创新精神的卓越工程人才为目标，抓住课程改革核心环节，充分发挥各教学方法之特长，搞活课堂气氛，提升学生的学习兴趣，坚持价值引领、能力培养和知识传授有机融合，真正实现在课堂教学活动中全方位、全过程、全员立体化育人[7]。