高分子材料与工程专业综合设计型实验教学探索

刘  坤，张夏聪^＊，苏新艳，闫家涛 

（上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444）

[摘  要]“高分子全流程实验”是一门涉及高分子化学、高分子物理和高分子工程的综合设计型实验课程，让学生完成对高分子材料从合成到性能表征及应用的全流程认识和实践过程，旨在培养学生综合运用高分子相关知识的能力，以及解决复杂工程问题的能力。基于工程教育理念，分别从课程内容、教学方法和手段、课程评价体系以及实验课程思政教育方面对课程进行了一系列改革探索，丰富了实验教学资源，提高了本科实验教学水平，为高分子材料与工程专业创新型人才培养提供了新思路。

[关键词]：高分子材料与工程；综合设计；实验教学

[基金项目]：2021年度上海高校市级重点课程建设项目“高分子化学”（沪教委高[2021]34号）。

[作者简介]：刘坤（1982-），女，河北石家庄人，硕士，上海大学材料科学与工程学院实验师，主要从事高分子材料与工程专业实验教学和材料性能表征研究；张夏聪（1988-），男，上海人，博士，上海大学材料科学与工程学院高分子材料与工程专业教研室副主任（通信作者），主要从事高分子化学合成研究。

[中国分类号] G642.0       [文献标志码] A         

高分子材料与工程专业是应用性和实践性很强的专业，本科实验教学是高分子材料与工程专业中必不可少的实践环节。实验教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性等特点^[1]。通过实验教学，使学生能够将课堂上学到的理论知识和实践联系起来，加深学生对理论知识的理解，锻炼学生的观察能力、逻辑思维能力和动手操作能力，进而培养学生解决复杂工程问题的能力和创新思维能力。

传统的本科实验教学存在诸多问题：（1）实验教学内容陈旧，难以及时更新。现有教学资源多是成型的体系，内容侧重于仪器原理和经典的测试方法，缺乏新发展的测试方法的运用。同时，安排的实验多以演示型和验证型实验为主，很少涉及综合型和设计型实验项目，实验内容过分注重知识量的积累，忽略了学生分析问题和解决问题综合能力的培养；（2）教学模式多以教师为主导的知识传授型教学为主，师生之间缺乏互动。通常教师详细介绍实验内容、操作步骤和实验注意事项，学生被动的接受，这种模式严重限制了学生创新思维的培养和综合能力的提升；（3）课程评价方式单一，学生只要按时上课，课程结束提交实验报告就可以保证课程及格，不利于培养学生独立思维能力和科研意识的形成。这些问题的存在，导致学生对实验课程积极性不高，严重影响了本科实验教学质量，影响创新型人才的培养。

在工程教育认证“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”教育理念下，上海大学高分子材料与工程专业开设了“高分子全流程实验”课程。不同于以往的验证型实验课程，“高分子全流程实验”是面向本校四年级本科生开设的一门综合设计型实验课程，是在完成四大基础化学实验和“高分子化学实验”、“高分子物理实验”、“高分子成型加工实验”等专业基础实验后开设。该课程促使学生综合运用所学的专业知识，自行查阅相关文献资料，设计实验方案，系统的完成从高分子的合成、高分子材料的制备和材料性能表征等全流程实验内容。运用所学的专业知识解释实验现象和分析实验结果，解决实验中遇到的问题。全面培养学生综合运用知识的能力、分析解决复杂问题的能力和创新思维能力。本文以“高分子全流程实验”课程为例，针对传统本科实验教学中存在的问题，介绍近几年对综合设计型实验课程进行的改革探索。

1 优化课程教学内容

“高分子全流程实验”课程共40学时，每周4学时，分10周完成实验内容。课程目前包括六个课题方向，分别为：（1）隐形眼镜甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶的制备及表征；（2）玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备；（3）碳酸钙填充改性聚丙烯的制备；（4）PC/ABS塑料合金的制备；（5）酚醛树脂及其复合材料的制备；（6）海藻酸钠生物材料的制备及性能研究。本文以“隐形眼镜甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶的制备及表征”课题为代表介绍课程内容的优化。

表1 实验教学内容及学时分配

该课题选自教研室老师们的科研项目，保证了课程教学内容的创新性和前沿性。课程内容分为布置课题、确定实验方案、水凝胶的制备和水凝胶的性能表征四大模块，每部分的教学内容和学时安排如表1所示。首先，教师布置好课题后，学生分小组查阅相关文献资料，在充分了解课题背景下，初步设计实验方案，锻炼学生的文献检索和阅读归纳能力。其次，由每小组学生代表用PPT汇报实验方案，教师和学生一起讨论方案的可行性。实验方案的讨论环节必不可少，这个过程可以锻炼学生的语言表达能力，加深学生对实验内容的理解，同时让学生有基本的安全意识和成本概念，为以后毕业设计和成长为合格的材料工程师打下坚实的基础。最后，学生按照讨论后的实验方案，依次开展水凝胶的制备和性能表征工作。通过该课程，让学生建立完整的“高分子材料合成-性能表征-结论”研究路线的意识，养成良好的科研习惯和严肃的科研作风，锻炼学生的团队协作能力。通过对水凝胶的力学性能和流变学行为等重要性能的测试，可以加深学生对高分子材料常见测试方法的熟练掌握。课题内容进行的优化：（1）摒弃单一的生产线设计的固定化教学内容，利用科研反哺教学，将学科前沿领域的研究引入到实验教学，增强实验的新颖性和趣味性。（2）教学内容囊括了高分子化学、高分子物理和高分子成型加工方面的知识，加强了课程之间的关联性，对所学的知识点进行了串联和扩展，引发学生思考并培养学生以学科角度看待问题。（3）采用综合设计型实验替代了单调又枯燥的传统验证型实验，与复杂工程问题紧密联系，提高了学生的学习兴趣，扩展了知识面，强化学生解决工程问题能力和创新能力的培养。

2 融入多种教学方法和手段

工程教育认证倡导“以学生为中心”的教育理念，“以产出为导向”的教育教学体系，聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养^[2]。教学方法是体现创新型实验教学最为重要的环节。按照知识、能力和素质三者有机结合的原则，融入了多种教学方法和手段。

2.1 采用案例式教学，激发学生的学习能动性

案例式教学作为一种“亲验式”的新型教学方式，主要以典型案例为依托，将学习者引入教学实践的情境中，通过发现问题、分析问题和解决问题，培养学生的实验实践能力^[3]。本课程中学生通过查阅文献资料，选择合适的交联剂、引发剂和溶剂体系，确定反应用量、反应时间、设计反应装置等内容，强化了学生对理论知识的掌握，同时提高了主观能动性，由“被动学习”转变为“主动思考”，极大的激发了学生的求知欲，培养了创新思维能力。由于本科生实践经验少，科研思维尚未建立，尤其是对于教学内容抽象复杂的应用型课程，案例式教学可以帮助学生理解知识点，将学过的专业知识融会贯通，丰富了教学内容，提高了课堂教学质量。

2.2 教师为主导，学生为主体的互动式教学

“高分子全流程实验”是一门综合设计型实验课程，大型仪器设备在教学工作中起着技术支撑的作用^[4]。针对仪器设备的使用原理、操作方法和应用等知识的讲授，传统的实验课程仍然以采用教师演示、学生观察为主，这种机械式的教学方式枯燥无味，学生不能长时间集中注意力，对教学内容印象不深刻，教学效果欠佳。本课程采用“教师为主导，学生为主体”的互动式教学方式。将学生按小组分别负责一台大型仪器设备的讲解，将仪器原理和测试方法的应用等知识讲授给其他组的同学，教师对学生汇报过程中遗漏的知识点或者重要的内容进行补充。这种互动式教学方式极大的调动了学生积极性，通过查阅仪器资料，对大型仪器相关知识很好的掌握。教师引导学生积极探索和思考，发挥学生的主体地位，提高学生的课堂参与度，培养学生自主探索知识的能力。此外，由于小组课题以项目的形式开展，教师会对项目的进展进行监督但不干涉学生的行动，在必要时给与建议，这样使得学生自主性增强，对协同完成复杂任务的整体性考量明显增强。

2.3 现代信息化技术的融合

2015年3月，李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”计划。“互联网+”是指互联网技术与其他行业有机融合，从而以崭新的互联网技术手段作为支撑，使行业的发展达到一个全新的高度^[5]。教育作为传统行业，在“互联网+”的时代背景下，迎来了全新的发展条件和机遇。本课程充分利用中国大学MOOC慕课课程平台中优秀的实验课程资源，提高学生的学习兴趣，丰富教学内容，促进优质教学资源共享。伴随着现代信息化技术的蓬勃发展，虚拟仿真实验技术作为一种崭新的人机交互手段广泛应用于高校的实验教学。“高分子全流程实验”通过共享针对仪器设备的虚拟仿真实验，实现学生对课程中用到的仪器设备的课前预习和虚拟实践，促使学生能够尽快熟练操作仪器设备，提高了实验效率和实验安全性。

3 构建多元化的实验课程评价体系

传统的实验教学模式通常是学生提交一份实验报告作为课程成绩评价的主要依据。这种课程评价模式单一，只注重了知识的积累，不利于培养学生独立思维能力和科研意识的形成。在工程教育理念驱动下，围绕“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的人才培养目标，本课程构建了多元化实验课程评价体系，加重了过程性评价比例。实验课程成绩由实验设计方案（包括实验原料、实验设备、实验方法和步骤，占比20%）、实验操作（包括实验观察、设备操作和废液、废料的回收与处理，占比20%）和综合实验论文（占比60%）三部分组成。其中综合实验论文侧重实验数据分析、结果与讨论，以及学生书写科技论文的逻辑条理性。将考核方式贯穿于整个实验教学过程，注重知识的积累和能力的培养并重，提高学生参与实验的积极主动性和学生综合能力的提高。

4 实验课程思政教育的探索

课程思政建设是全面提高人才培养质量的重要任务，全面推进高校课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措^[6]。现在的大学生基本都是00后，思想开放、思维活跃，自我意识较强，正处于“三观“形成的关键时期，需要教师的正确引导。专业课程的思政教育将有助于在知识传授中强调主流价值的引领，培养大学生树立正确的”三观“，树立科学精神和创新理念^[7]。针对实验课程通常分小组授课，每次实验的学生人数较少，课堂相对比较开放且有讨论环节的特点，我们对“高分子全流程实验“课程尝试开展思政教育，在专业知识中挖掘思政元素，实现课程思政与专业知识的有机融合，促使学生加深对课程专业知识的拓展和延伸。（1）聚甲基丙烯酸羟乙酯作为重要的医用高分子材料，是制造角膜接触镜的主要材料。借助2020年恰逢提出高分子概念100周年之际，给学生讲授课题背景知识时，介绍我国高分子工业的飞速发展及在汽车制造、航空航天、石油化工、建筑材料等方面的广泛应用。正是老一辈高分子科学家的艰苦朴素和吃苦耐劳，换来了现在1.5亿吨的工业规模，培养学生的家国情怀，学习老一辈科学家在艰苦条件下求真务实、追求真理的科学精神。（2）将不同小组的实验结果进行对比，分析出水凝胶力学性能最佳的合成方案。引导学生留意实验中的细节，引发剂和交联剂等原料的种类和反应用量直接影响到高分子材料的力学性能和粘弹性，进而影响高分子材料的应用领域。通过对比具体的实验数据，培养学生知行合一、精益求精的素养。（3）上海作为代表率先实行了生活垃圾分类，响应国家的绿色可持续发展理念，引申到高分子合成实验中的提高反应经济性以及废液和废料处理问题。引导学生将科学研究和工业生产联系起来，深入理解环境保护和社会可持续发展的内涵和意义，培养学生的社会责任感和使命感。

5 结语

本课程通过优化课程教学内容、融入多种教学方法和手段，以及构建多元化的实验课程评价体系等方面进行了综合设计型实验课程改革探索。同时，深入贯彻习近平总书记“立德树人”根本任务的教育理念，尝试开展了实验课程思政教育。坚持工程教育认证的三大教育理念，注重以学生为中心，聚焦培养学生解决复杂工程问题的能力和科学创新能力。

[参考文献]

[1] 罗静, 刘仁, 施冬健, 等. 工程认证背景下高分子材料与工程专业实验教学的改革初探[J]. 高分子通报, 2021(5): 107-114.

[2] 蒋宗礼. 本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J]. 中国大学教学, 2016(11): 27-30.

[3] 王永祥, 耿凤华, 徐茂田. 案例教学法在分析化学实验教学中的应用探索[J]. 广州化工, 2018, 46(18): 126-128.

[4] 范萍. 大型测试仪器在高分子本科实验教学中的应用初探[J]. 教育教学论坛, 2019, 37: 279-280.

[5] 于楠.“互联网+”经济背景下高校思政教育改革研究[J]. 财富时代, 2021(8): 156-157.

[6] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知(2020-06-01). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[7] 卢艳丽, 李金山, 王永欣. 课程思政在高校综合素养类课程中的探索与实践-以“迷人的材料世界”教学为例[J]. 教育教学论坛, 2022(11): 121-124.

Exploration of Teaching in Comprehensive Experimental Course of Polymer Materials and Engineering

LIU Kun, ZHANG Xia-cong^＊, SU Xin-yan, YAN Jia-tao

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Abstract: “Polymer Whole Process Experiments” was raised as a comprehensive experimental course which involves polymer chemistry, polymer physics, and polymer engineering. This course teaches students the synthesis of polymer materials, characterization methods, and engineering applications, which aimed to cultivate students to efficiently utilize comprehensive knowledge, and foster their innovation abilities to solve complex engineering problems. To fulfill the advanced concept of engineering education, this paper describes our recent efforts on the reform and expansion of the experimental curriculum content, the experimental teaching methods, the curriculum evaluation system, and the ideological and political education elements. These reforms would enrich our experimental teaching resources and promote experimental teaching level, and hopefully cultivate innovative talents in polymer materials and engineering.

Key words: Polymer materials and engineering; Comprehensive design; Experimental teaching