高分子化学创新教学与一流课程建设

doi:10.3866/PKU.DXHX202103022

摘要/Abstract

摘要：

基于学情分析与独立思考，根据提高人才培养质量需要，在“以学生为中心、注重学生兴趣与能力，特别是可持续发展能力及创新能力培养”的教学思想指导下，针对高分子化学课程教学过程中的一些重点、难点、“痛点”问题，以及学生学习过程存在的一些短板问题，包括高分子化学课程特有的问题，所有工科专业课程共有的问题，以及所有大学课程都有的问题等，从“革新思想、优化内容、改进方法、更新手段、加强综合、增进渗透”等方面系统性地进行创新教学实践，取得了一系列成果，并将课程建设成为省级一流课程。

关键词: 高分子化学, 创新教学, 一流课程, 课程建设, 课程思政, 教学理念, 元认知

Abstract:

A series of innovative teaching practice are carried out from the aspects of thought updating, content optimizing, method improving, means updating, integration strengthening and penetration enhancing, under the guidance of the teaching thoughts of "student-centered, and focusing on the cultivation of students' interest and ability, especially the ability of sustainable development and innovation". The practice aims at the key points and difficult problems in the teaching and the weaknesses in the learning of polymer chemistry, based on the analysis of students' learning situation. Good teaching results and a series of innovative teaching accomplishment have been achieved, and the course has been constructed into a provincial first-class course.

Key words: Polymer chemistry, Innovative teaching, First-class course, Curriculum construction, Course ideology and politics, Teaching idea, Metacognition

MSC2000:

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郭霖. 高分子化学创新教学与一流课程建设[J]. 大学化学, 2021, 36(12): 2103022.

Lin Guo. Innovative Teaching and First-Class Course Construction of Polymer Chemistry[J]. University Chemistry, 2021, 36(12): 2103022.

图/表 1

表1

高分子化学教学中的部分难点、“痛点”及其解决思路、解决方法[21-35]"

难点、“痛点”	原因分析	解决思路	解决方法与途径
自由基聚合的机理；共聚合类型、共聚物类型及共聚物组成曲线随竞聚率的变化，以及与竞聚率、单体转化率的关系；缩聚中聚合物拓扑结构^[40]、聚合物聚合度以及是否具有凝胶点，与配方(单体种类及相对量)的关系等	微观、抽象、随机、复杂、综合，存在序列结构、分子量、分子量分布，乃至组成、组成分布问题，并且综合用到了有机化学(反应及机理)、物理化学(动力学)，概率论的相关知识	通过计算机辅助降低问题的学习难度及理解难度	可视化(借助Director、Gaussian软件、高分子化学在线解题软件)、工具化(借助高分子化学MCAI软件，高分子化学在线解题软件)，建立典型体系，直接基于普遍情况推导出普适通式，并在此过程中自然引入相关参数及其定义对于自由基聚合及线型缩聚，在讲授其聚合度控制及相关计算时，采取了在讲清不同体系聚合度概念的基础上，建立典型体系、导出通式^[22]并辅以图解的方法^[24]，达到了事半功倍的教学效果，其中，对于线型缩聚，还在推导Carothers方程的过程中自然地引入了摩尔比r (当量系数)的新定义^[21]，这不仅使摩尔比r的定义更易被学生所理解，也大大拓宽了Carothers方程的适用范围；讲授线型缩聚物分子量分布时，则运用了自主开发的MCAI课件，直观、高效、准确对于自由基共聚，在讲授共聚物组成及其相关计算时，一方面，采取了由微观(序列结构)到宏观(组成)，并辅以图解的方法^[23]，使同学们能在掌握相关计算公式的同时理解影响共聚物组成的各种因素，另一方面，通过开发并运用相应的MCAI课件、解题软件，进一步起到了直观、高效、准确的效果对于体型缩聚，在讲授Carothers法预测凝胶点时，采取了在推导公式过程中自然引入平均官能度普适定义的方法^[22]，不仅避免了教科书中的需视情况对其分类定义的问题，也使其定义更易被学生所理解
缩聚反应中的官能团等活性假设；自由基聚合中的自由基等活性假设、长分子链假设以及稳态假设；共聚合中的无前末端效应、活性中心等活性、长分子链、无解聚假设等；聚合物合成设计	定量处理相关问题时需要基于合理假设，建立近似模型，并且需要综合运用有机化学(机理)，物理化学(动力学)的相关知识	知识的迁移及综合运用	在讲清概念及全面、透彻分析体系、理解问题的基础上，启发、引导学生思考，并运用相关课程所学知识，基于典型体系，建立模型并推导普适公式；借用有机化学中学到的切断法，把聚合物合成设计问题转变为有机化学问题
对于各种聚合反应以及聚合物的化学反应的理解，包括，自由基聚合中链增长反应的加成方式及所得聚合物的序列结构，烯丙基单体的自阻聚，单体及自由基的活性；阴离子聚合中引发剂的引发活性以及引发剂与单体的匹配关系、通过活性阴离子聚合合成嵌段共聚物时的加料顺序。阳离子聚合中易发生链转移及异构化聚合；三聚甲醛均聚得到的聚甲醛热稳定性较差以及如何改善等等	需要综合运用有机化学，乃至物理化学、无机化学的相关知识	知识的迁移及综合运用	在讲清概念及全面、透彻分析体系、理解问题的基础上，启发、引导学生思考，并运用相关课程所学知识，准确、全面理解相关问题讲清、讲透、讲对
聚合反应的热力学、动力学问题的理解；平衡缩聚中化学平衡的影响	需要综合运用物理化学的相关知识	问题转换及知识迁移	将聚合反应视作化学反应的一种，将高分子化学(中的聚合反应相关的物理化学)问题“脱壳”并转换成相应的物理化学问题
PVA中H-H结构(头-头结构)含量的测定、光引发速率方程的建立，偶氮类及过氧类引发剂分解速率的测定等	需要综合运用有机化学及分析化学的相关知识	问题转换、知识的迁移及综合运用	将所涉及的反应转换为相应的有机化学反应(邻二醇所特有的、可定量进行的氧化反应)，将相关的测定转换成普通的分析化学测定(氧化还原滴定)问题
Lewis酸碱理论、水溶性氧化还原引发体系及其引发反应，配位聚合中活性中心结构及配位问题、定向问题的理解等	需要综合运用无机化学的相关知识	问题转换及知识的综合运用	将问题转换成无机化学问题，并调用无机化学中学到的相关知识进行理解
光引发特点的理解、辐射引发与光引发的特点差异等	需要综合运用大学物理的相关知识	改变思考问题的角度，进行问题转换或“脱壳”	将问题转换成相应的物理问题
单体/反应物质浓度或单体转化率随时间的变化、聚合速率随时间的变化、聚合速率随时间的变化率，稳态假设成立时(聚合初期或未发生自动加速之前)自由基聚合速率方程的积分式，或单体转化率与聚合时间的关系式，线性缩聚中聚合物数均聚合度随聚合时间的变化率，共聚物的序列分布等	需要综合运用高等数学(原函数、一阶导、二阶导，微积分，概率论)的相关知识	进行问题转换或“脱壳”	将问题抽象为数学问题，然后从数学的角度解决或帮助理解
不存在链转移的自由基乳液聚合中，聚合物数均聚合度的计算公式到底应该是$r_{i}=\frac{\rho}{N} $还是$r_{i}=\frac{\rho}{\bar{n} N} $，以及如何理解的问题	不同教科书中可能有不同的表述，甚至不同的观点	进行问题转换，或抽象为数学问题	启发、引导学生将问题抽象为数学问题，并尝试从数学的角度理解、推导出正确的计算公式和进一步据此做出正确判断
阴离子聚合中所谓的“单体的pK_a”到底应该是什么的问题	教科书中表述模糊或不够准确，甚至错误	将问题转换为有机化学问题，调用相关的有机化学、无机化学的知识来理解	启发、引导学生通过独立思考，找到解决问题的思路，并借助已有的有机化学知识，基于严密的逻辑，进行正确理解，并自主得到答案
“r₁ > 1，r₂ > 1”时发生的是否就是嵌段共聚(“嵌段”共聚)，得到的是否就是嵌段共聚物	同上	基于所学概念及严密的逻辑进行推演，找到验证的角度及指标，进而在高分子化学在线解题软件支撑下进行探究，得出正确结论	启发、引导学生通过独立思考，找到解决问题的思路及方法，并在高分子化学解题软件的支撑下，进行探究，自主找到答案，做出判断
工程教育专业认证培养目标要求中的非技术指标的实现	如何找到合适的应用例、工具；任务布置及完成、评价方式	将借助计算机处理实验数据引入高分子化学教学，将实践性作业、综合性作业、小组作业、探究性作业、跨学科作业、分层次作业、弹性作业、个性化作业、合作学习、课堂汇报交流(翻转课堂)、自评互评引入高分子化学教学，培养学生的合作意识、合作精神、合作能力，沟通表达能力，以及评价能力、使用现代工具解决复杂专业问题的意识及能力	通过自由基聚合(以及缩聚、共聚合的)自编习题及布置小组作业^[31]，引导学生在高分子化学在线解题软件的支撑下，开展独立与合作相结合的探究性学习；借助Origin软件^{[32, 33]}，通过小组合作学习(教中学，做中学、以及学中做)，完成高分子化学相关实验数据的处理及成果交流汇报与课堂讲评(翻转课堂)，并在此基础上进行反思、完成学习成果的改进、学习过程的迭代(加强对元认知的认知并提高元认知能力)，以及自评互评
课程思政	如何找到合适的切入点(时机、内容、结合点、话题或案例)，将课程思政与课程内容及课程特点、热点事件、热点话题等自然融合，使之真正有用、有效，并能避免刻意及可能由此引起的逆反	结合课程特点引发学生的哲学思考，培养学生的辩证思维，并加深对所学专业问题的理解	把高分子化学在的问题变成哲学问题，或者将高分子化学中遇到的具体问题转换成哲学中的应用例或可借助哲学进行哲学思考的应用例
团队教学时的平行班教学质量提升与控制问题	承担不同平行班教学的团队成员的专业背景、教学经验、教学投入、教学方法、对现代教学技术的熟悉及掌握程度、对教学的追求，乃至教学能力、对课程内容的熟悉、理解程度、对课程相关学科知识的熟悉程度或知识面、阅历等可能存在差异	想办法采取措施做到“同步、同质、同效”。通过必要和有效的措施保障，采取同步的形式，按照同质的标准要求组织实施，追求达到同效的目标	加强交流，相互借鉴，共同提高，老教师“传帮带”+团队全体成员，特别是年轻成员的“比学赶帮超”，采取想办法提高团队全体成员的课程教学能力及教学水平的内部改进与提高方式，争取做到优质+“同步、同质、同效”，而非采取让学生选老师的外部促进与淘汰的方式，使教学效果暂时不太理想的团队成员有改进、提高的机会，并能得到改进所需的帮助

表1

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