“四位一体”的高分子物理课程教学实践探讨*

孙鹏飞，范曲立

(南京邮电大学材料科学与工程学院， 江苏 南京 210003)

2020年是科学巨匠斯陶丁格提出高分子概念的第100年。经过百年的发展高分子学科已从一个小幼苗发展成为一门独立的学科。更为重要的最近二十年来高分子已从一门独立基础学科，开始触及到其他学科，正逐步发展成为一门真正的跨学科科学[1-3]。如今，高分子材料广泛应用于医疗卫生、航空航天、国防、工农业生产及日常生活等国民经济的各个领域。经过百年的发展历程，高分子学科已经发展了高分子化学、高分子物理、高分子加工工程等多个分支学科。高分子学科人才的培养主要包括高分子化学、高分子物理、高分子工程、高分子成型加工以及相关的树脂、橡胶和涂料等分支知识体系。其中高分子物理和高分子化学是高分子加工等其他实用高分子知识的基础。更为重要的是高分子物理还是高分子化学与高分子生产、制备等实用知识体系的桥梁。所以，《高分子物理》课程在高分子材料与工程专业的培养过程中起到至关重要的作用。

1 高分子物理课程教学面临的困难

国内各大高校《高分子物理》课程的教科书及教学工作大多是基于上世纪60年代钱人元先生的讲义笔记为基础开展的。虽然复旦大学和中国科技大学的多位学者对《高分子物理》教科书进行了更新修订，但《高分子物理》的教学工作仍存在几个难点。(1)理论性强，数学公式的推导较多，需要在教学过程中深入浅出的教学方法让学生理解枯燥的概念；(2)教学内容较多，需要寻找教学主线，引导学生沿着教学主线学习整个课程的知识面；(3)教学中的一些工程实例较为落后，最近二十年多种新型的高性能高分子开始用于日常生活的各个方面，而《高分子物理》课程中缺乏相关新型功能高分子实例；(4)党的十八大以来，课程思政在高校思想政治工作中的地位和作用得到进一步明确和加强。如何在《高分子物理》课程教学中加强思政教育也是我们需要考虑的重点。

2 “四位一体”教学模式的提出

针对现代高分子学科的发展特点和《高分子物理》课程的教学现状，笔者提出了“四位一体”教学模式，从而优化《高分子物理》课程的教学方案，提升教学质量。该教学模式的具体内容是：(1)建立高分子链构象教学主线：通过高分子链构象串联高分子链的结构、运动、流动性及材料性能，实现从构象到高分子物理知识面的扩展；(2)利用形象化教学方法：以学生、宿舍、班级和专业对应于高分子物理中结构单元、链接、链段、主链和晶区等的概念，引导学生形象化理解高分子物理知识体系；(3)引入多种新型高分子材料工程实例：在课程教学过程的每个章节引入相应的高分子材料工程实例及新型的高分子材料，讲述工程实例和新型高分子材料中的高分子物理知识点，从而扩展学生的理论知识面，增强工程知识和思维；(4)教学过程中融入课程思政教育：在《高分子物理》课程的相应章节讲解国内高分子学人的相关研究成果或典型企业实例，体现国内高分子人的家国情怀和使命担当，建立正确的价值观。该教学方法将上述四点创新性内容相互融合、相互支持，从而全方位提升了《高分子物理》课程的教学质量。

3 构象教学主线

《高分子物理》课程的学习对于培养学生今后从事高分子相关工作具有重要意义，课程的教学能否成功的关键所在就是将理论性较强的高分子物理知识体系化繁为简、调动学生的主动性及参与度[4]。针对这个问题作者是通过建立高分子链的构象教学主线来实现的。《高分子物理》主要可以分为四个教学内容：高分子链内的进程结构、远程结构，高分子链之间的聚集态，高分子链的运动及材料的力学性质，高分子溶液。这四个内容均是基于高分子链的构象和大小，也就是构象来来展开的，如在远程结构中描述高分子链大小的均方末端距概念表示了构象问题；高分子溶液中高分子是否能够良好的溶液也是表现出高分子链的构象是处于紧缩、无扰状态或扩展状态；同样，对于非晶态聚合的强迫高弹形变以及高弹态的高弹形变也是可以利用链段的运动来联系起来。所以在教学过程中只要沿着高分子链的构象变化和大小这条线索，就能够让学生跨越各个章节系统性的理解高分子物理。从而摆脱对各个知识点的死记硬背各个孤立。

4 形象化教学方法

高分子物理课程缺乏形象性和教学内容存在难以理解的问题。其次，个别学生还存在对生活缺乏激情和对人生缺乏目标，在课堂上表现出一定的厌学情绪。因此，可以通过形象化教学方法，提高学生在教学过程中的参与度，引导学生在教学过程中对高分子产生兴趣。高分子材料所表现出来的多种优异性能均来源于高分子的大分子量或长的高分子链。可以在教学过程中分别将专业、班级、宿舍和学生分别对应于多个高分子链、一条高分子链、一个高分子的链段、以及高分子链的重复单元。基于这种上课专业与高分子链结构的相似性，可以利用形象化举例方式进行教学。比如，可以举例早上同学们从宿舍来教室上课，大家虽然不是很整齐的排队来，但总体趋势大家都是往教室的方向走，这就类似于高分子的取向概念。高分子的取向包括分子链的取向和链段的取向，链段的取向要小于分子链的取向，当整个宿舍的同学一起来上课就可以看成链段的取向，如果两三个专业一起去上课就可以看成高分子链的取向。这样学生作为一个教学主体从而轻松的融入到教学过程中，加深了对枯燥概念的理解和增强了学生主动学习能力。

5 高分子材料工程实例

大量高性能的高分子材料被开发出来用于我们的日常生活，在教学过程中根据课程的章节适当的引入新开发的高分子材料，并讲述材料的高性能与高分子物理直接的关系。使学生在课堂学习中能快速的将学习的知识应用于真实的工程实例，增强学生学习的满足感。培养学生的解决复杂工程问题的能力和解决问题的思维方式是该部分的重点[5-6]。比如，高分子树脂按照性能及使用场所可以分成通用高分子塑料、工程塑料和特种塑料。然而工程塑料在高分子物理的教学中较少作为应用实例进行讲述，学生对此类高分子的结构对性能的影响了解较少，这对于学生今后的工作较为不利。作者利用聚氨酯为例，指导学生从聚氨酯的分子结构，合成的单体，以及如何通过调控合成单体的种类来调节其性能等方面入手提高学生的工程思维和书本的知识运用能力。此外，作者还在高分子结晶和高分子溶液部分的教学过程中以特种工程塑料高分子(聚酰亚胺)为例进行讲述，引导学生分析此类高分子的耐高温性能和耐低温性能与其主链结构的关系。所以，通过在《高分子物理》的课程中加入功能性高分子可以增加学生对高分子专业的认同感，让学生了解以后的工作主要进行何种工作，在扩展知识面的同时能够引导学生利用高分子物理知识解决复杂的工程问题。

6 融入课程思政

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。在课程的教学过程中作者通过增加我国高分子学人的创新性工作、老一辈科学家在我国高分子学科建立和发展过程中付出的艰辛及国内高分子企业的成长历程，实现《高分子物理》课程的思政教育，将学生培养成为合格的社会主义建设者。如在高分子液晶方面加入了周其凤院士创新性设计的甲壳型液晶，以及我国学者发现的主链型液晶在剪切应力下高分子链的取向所形成的条带织构；在高分子链的取向部分，引入我国科学家提出非晶态高分子的分子链高度取向局部链段无规取向的概念及方法；还有在高分子结晶部分，加入我国科学家在高分子单晶培养所做出的卓越贡献。总之，将思政教育渗入课题的每一节课，发挥具体高分子物理课程与思政教育的协同作用，围绕具体知识和思想教育形成培育时代新人的系统合力。

7 结 语

通过在教学过程中以高分子链构象为教学主线，通过实施形象化教学方法发挥学生的学习能动性；根据不同的教学章节增加工程知识及新型高分子的开发实例，拓展了学生的知识面；引入国内高分子学科的新型研究内容，国内优秀高分子企业的发展历程及现状，增强了学生的爱国荣誉感，实现《高分子物理》课程的课堂思政教育。为《高分子物理》课程教学质量的提高提供一个切实可行的教学思路，提供一些理论分析和一定的实践。