基于抛锚式教学模式的“高分子化学与物理”课程教学改革

2020-08-13陈成群游名花陈红

安徽化工 2020年4期

陈成群，游名花，陈红

（福州大学至诚学院，福建福州350002）

自2017年初开始，随着《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》发布，各高校都开始调整了培养目标，改革课程体系，更新教学内容，深化工程教育改革，实现“新工科”建设的快速发展[1]。因此根据“产业需求”和行业“技术发展”趋势培养创新型人才是我国工程教育的根本任务[2]，只有根据“产业需求”和行业“技术发展”培养出来的人才能够始终满足产业需要以及产业未来的发展。

随着高分子材料的广泛应用，企业和社会对于高分子专业知识的人才需求日益增加。特别在当前疫情下，医用口罩和防护服等物品的紧缺，更说明高分子材料越来越成为人们不可或缺的必需品。为了满足这一需求，许多非高分子的工科类专业，特别是化学化工类相关的专业，都会开设“高分子化学与物理”课程，以提高学生的综合能力。

1 课程现状

“高分子化学”与“高分子物理”是高分子相关专业的专业基础课程，其中“高分子化学”侧重介绍聚合反应的机理以及不同机理下的反应动力学及聚合物的控制，为解决实际高聚物的合成提供理论依据。“高分子物理”侧重于介绍高聚物的结构及不同于小分子的性质，为高聚物实际应用提供理论指导。由于是非高分子专业，所以课程的学时数一般设置比较少，专业中将两门课程合为一门重要的专业基础课，这使得授课的内容和讲授方式的选择尤为重要[3]。新工科背景下，对于非高分子专业的本科生来说，重要的是熟悉关于高分子的基本原理及高分子基本性能的知识，注重将理论知识与实际生产相结合，使这些知识为解决实际工程问题提供理论依据，才能满足未来“产业需求”和行业“技术发展”。

结合本学院现状及存在问题，本文进行了教学方式的探研、深化教学模式改革和实践，以期提高教学质量，加强学生的应用素质培养和就业竞争力。

2 课程主要特点

2.1 概念多且相近，易混淆

“高分子化学与物理”这门课程总体有以下特点：①相近的概念繁多。比如数均分子量与重均分子量，分别是以分子数量和重量作为统计的基础，数均分子量在高分子化学方面是链接各个公式的纽带，而重均分子量是高分子性能的基础[4]；②内容比较抽象。比如，为了使分子的柔顺性表述得更加直观，引入了链段的概念，定义很明确，但链段的长度是随着条件的不同而变化，这对学生的抽象思维能力要求较高，因此部分学生理解就比较困难；③公式难记。高分子相关公式的推导都需要一定的假设才能得到，而不同的反应机理，各个假设之间差别非常大，这就使得学生在学习过程中比较吃力，从而影响了学习的积极性；④内容多，学时少。课程只设置了48学时，这就要求教师在较短的学时内教授较多的知识点，从而使学生感觉枯燥，难以接受。

2.2 授课方式单一，难以吸引学生兴趣

作为传统的授课方法，“五段教学法”广泛出现在各个学校和各个课程的教学环节，对于知识点的讲解，这种方法应该非常有效，但填鸭式的教学，对于目前强调应用的“新工科”背景下，显示出了不少的弊端：①学生知识的获得主要是被动地吸收教师的讲授，这样会使得学生养成对教师的依赖，失去主动学习、主动思考的能力，而忽略了这些知识获得的起源探究；②课堂的讲授教学法没有考虑学生个体的差异，这其中包括基础的差异以及习惯和理解能力的不同，而仅仅以同一种方式传授，自然吸收的效果也有差异，随着时间的延长，导致最终成绩的差异就比较大；③目前社会对高分子人才的要求不单单是对知识点的掌握，还要求能很好地应用这一学科的知识，单纯的讲解授课方式不利于学生对于高分子合成及应用本质的理解，不利于应用型人才的培养。

2.3 考核不完善，缺少实际工程应用

由于学时的限制，课堂的讲授也只能疲于知识点的讲解，教学过程也只能围绕教材，课程的考核仅限于教材知识点。而对于非高分子专业的学生而言，重点是应用，缺少实际工程的应用，学生学习的目的就变得迷茫，学习的主动性也会降低，这样，就不能激发学生专业实践能力及应用的创新能力，导致培养出的学生适应社会需求慢，创新发展受限。

3 抛锚式教学实施过程

抛锚式教学，又称“实例式教学”或“基于问题的教学”，是温特比尔特认知与技术小组初开发的一种学习和教学策略，它将教师和学生的角色转变为“引导者”和“实践者”，最大限度地调动学生的积极性，让学生在实际的环境中去发现问题，解决问题，从而更好地完成知识的构建。抛锚式教学的基本程序可分为三部分：创设问题情境；抛出问题→自主探究，协作学习；解决问题→评价总结，深化应用[5]。其主要实施步骤如图1所示。

3.1 创设问题情境，抛出问题

戴维·梅里尔认为，当学习者在现实世界问题或者任务的情境中掌握知识和技能时，其学习会得到促进心[6]。教师可依据问题的场景将需要学习的知识点以问题的形式抛给学生，这样，可引导学生一步步地探究知识的本质。

在“缩聚及其他逐步聚合反应”这一章节中，所有的实验理论都是根据卡罗瑟斯研究尼龙的实验过程创立起来的，所以，我们可以通过卡罗瑟斯的一些实验资料，来引导学生对缩聚基本理论的理解。

资料1：1930年卡罗瑟斯用乙二醇和癸二酸缩合制取聚酯，在实验中卡罗瑟斯的同事希尔在从反应器中取出熔融的聚酯时发现了一种有趣的现象：这种熔融的聚合物能像棉花糖那样抽出丝来，而且这种纤维状的细丝即使冷却后还能继续拉伸，拉伸长度可以达到原来的几倍，经过冷拉伸后纤维的强度和弹性大大增加。他们随后又对一系列的聚酯化合物进行了深入的研究。由于当时所研究的聚酯都是脂肪酸和脂肪醇的聚合物，具有易水解、熔点低（＜100℃）、易溶解在有机溶剂中等缺点，卡罗瑟斯因此得出了聚酯不具备制取合成纤维的错误结论，最终放弃了对聚酯的研究。

资料2：1935年初卡罗瑟斯决定用戊二胺和癸二酸合成聚酰胺（即聚酰胺510），实验结果表明，这种聚酰胺拉制的纤维其强度和弹性超过了蚕丝，而且不易吸水，很难溶，不足之处是熔点较低，所用原料价格很高，还不适宜于商品生产。紧接着卡罗瑟斯又选择了己二胺和己二酸进行缩聚反应，终于在1935年2月28日合成出聚酰胺66，杜邦公司随后进行商品生产开发，这就是后来的尼龙-66。

资料3：卡罗瑟斯对直链酸与乙醇的缩合速率进行了研究，得到了以下的数据：

图1 抛锚式教学的实施步骤

根据这些资料，我们可以抛出以下问题：

（1）聚酯是不是都有易水解、熔点低、易溶解在有机溶剂中等缺点而无法合成高聚物？

（2）卡罗瑟斯转向研究聚酰胺说明了什么问题？

（3）从资料3能否得出，官能团的活性将随分子量增加而递减？那高聚物又如何得到？

3.2 自主探究，协作学习，解决问题

这些问题根据资料1～3看似合理，却又和事实差别比较大。为了增加学生间的交流，我们把学生按3～5人分成若干小组，首先先让学生自主探究、独立思考问题，然后团队协作、小组讨论，利用教材及网络资料提出解决问题的办法。综合学生产生的困惑，协助完成解答。比如，从资料1我们可以引导学生发现，卡罗瑟斯只对脂肪酸和脂肪醇的聚合物进行了研究，那有没有非脂肪酸和醇的聚合研究？对于资料2，我们可以引导学生理解，酰胺键的稳定性要大于聚酯；对于资料3，只显示出了n=3的实验结果，那么对于n＞3的实验结果是不是也要探究？待学生明白探究的方向，教师可以向学生继续提供相关资料。

资料4：就在卡罗瑟斯放弃了这一研究以后，1940年英国的温费尔德(T.R.Whinfield,1901～1966)在汲取这些研究成果的基础上，改用芳香族羧酸(对苯二甲酸)与二元醇进行缩聚反应，合成了聚酯纤维——涤纶，这对卡罗瑟斯不能不说是一件很遗憾的事情。

资料5：直链酸与乙醇的缩合速率（续）

从资料4，我们要引导学生理解，在高分子化学研究的道路上，不要轻易放弃任何一个方向，而这需要有良好的知识基础。根据资料5，让学生发现，随着链的增加，酸和醇缩合的速率是基本不变的，引导学生得出弗洛里官能团等活性理论：不同链长的端基官能团，具有相同的反应能力和参加反应的机会，即官能团的活性与分子的大小无关。

3.3 评价总结，深化应用

上述案例中，师生围绕着卡罗瑟斯研究尼龙-66的实验和过程这个“锚”展开研究讨论，并最终构建出弗洛里官能团等活性理论这一重要的概念。与传统的教师为主灌输式的教学不同，抛锚式教学是将需要认知的这个“锚”提前抛给了学生，引导学生围绕着这个“锚”开展研究及团队讨论协商，其主要的优势在于，合适的情境下，以问题为主导，提高学生自主学习的动力，并通过团队间合作的方式获取知识，提高能力。