張夢萌， 于紅超， 錢 勇

(東華理工大學 化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013)

“聚合物改性”是材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)課，其要求學生掌握聚合物共混改性、填充改性、共聚改性、聚合物網絡互穿、表面改性的概念、基本原理、方法、分類和應用等知識內容；在能力方面，其要求學生能夠掌握聚合物改性體系的配方、工藝流程的設計/開發(fā)方法和技術。因此，“聚合物改性”課程的實用性很強，與科學研究和工業(yè)生產密切相關?！熬酆衔锔男浴睂嶒炞鳛椤熬酆衔锔男浴闭n程的重要組成部分，在培養(yǎng)材料科學與工程專業(yè)人才方面扮演著不可替代的作用?！熬酆衔锔男浴睂嶒炛匾暸囵B(yǎng)學生的動手能力、分析能力，一方面通過實驗讓學生加深對聚合物改性原理和基本知識的理解，掌握聚合物改性材料成分、結構、性能的基本規(guī)律，并知曉聚合物改性材料的組分—形態(tài)—結構—性能之間的相互關系；另一方面讓學生了解聚合物改性方法和評價方法，培養(yǎng)利用聚合物改性理論知識解決實際問題的能力，并為未來從事聚合物領域的科學研究奠定基礎。隨著高校教學改革的不斷深入和教學計劃的調整，“聚合物改性”課程的學時減少，相應的實驗時間也有所減少。因此，如何在有限的時間內最大限度地發(fā)揮實驗的教學效果是此門課程不斷探索和追求的目標。本研究將“問題為導向”教學模式應用于“聚合物改性”實驗教學，以提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

1 以“問題為導向”教學法的提出

1.1 以“問題為導向”教學法的優(yōu)勢

以“問題為導向”教學法是近年來國內外較流行的教學方法，被簡稱為PBL(Problem-Based-Learning)教學法，由美國Barrows教授首先提出并將其應用于醫(yī)學專業(yè)的教學中，之后獲得了非常突出的教學效果[1-3]。PBL教學法的核心是以學生為主體，教師給出具體問題作為學習的起點，同時對學生進行分組，學生自己查閱資料，整合已有知識并學習新知識，之后按照自己的理解確定實驗計劃，動手做實驗，通過協(xié)力合作方式解決實驗過程中出現的問題，并對實驗進行解構問題式分析總結，最后以批判性和創(chuàng)造性的思維來進行反思。也就是說，整個過程是學生通過思考、自己確定方案以及協(xié)作的方式來解決問題的，因此可以高質量完成實驗課程，同時達到提高綜合能力的目的[4-6]。將以“問題為導向”教學法引入到“聚合物改性”實驗教學中，可以達到以下教學效果：第一，PBL教學法能帶給學生沉浸式學習體驗，使學生經歷自主探索的過程，從而提升學生自主學習能力；第二，PBL教學法為學生構建了以問題為導向的學習環(huán)境，有助于發(fā)展學生的批判性思維；第三，通過小組協(xié)力合作尋求解決方案，可以充分鍛煉學生的團隊合作能力。

1.2 基于“聚合物改性”實驗教學的PBL教學法的總體設計

以東華理工大學為例，“聚合物改性”實驗教學內容包括聚合物的共混改性、聚合物的填充改性、聚合物的化學改性及改性聚合物的性能測試等四個實驗項目。為了激發(fā)學生的好奇心和從生活中發(fā)現研究問題的意識，該課程可從垃圾分類、環(huán)保木塑材料、彈性體改性材料的由來、材料性能如何評判等方面出發(fā)，提出情景問題?？偟膩碚f，PBL教學法應用于“聚合物改性”實驗教學可分四個步驟。第一，創(chuàng)設問題情境。這一步是學習的開端，提出的問題要與生產實際密切相關，并且具有可探究性和合作性，借助問題引領學生快速步入學習狀態(tài)，通過挖掘問題的過程激發(fā)學生的潛力，推動學生自己逐步構建知識體系。第二，分組協(xié)作，解決問題。此過程在個人獨立查閱文獻、收集資料并總結的前提下，將學生分成學習小組，各小組成員發(fā)言表達自己的觀點、見解，并在組長的組織下得出實驗設計方案。第三，實驗的開展。首先各小組展示實驗設計，然后教師根據方案的實際情況適時給出引導，小組最終確定各自的實驗方案并開展實驗。第四，實驗的概括與反思。學生自主總結實驗中存在的不足與發(fā)現的新問題，并通過查閱資料、共享、討論的形式探究出現問題的原因，這種總結反思的方式有助于強化學生的系統(tǒng)性思維。本研究以化學改性聚乙酸乙烯酯實驗為例，對PBL教學法如何應用于“聚合物改性”實驗教學進行深入探討。

2 PBL教學法在實驗“化學改性聚乙酸乙烯酯”中的實施

2.1 創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生興趣

創(chuàng)設問題情境是PBL教學法的第一個環(huán)節(jié)。提出有價值的、可探究的問題是學生進入良好學習狀態(tài)的前提。問題需要結合生活實際且具有較強的邏輯性，以此激發(fā)學生主動思考，學生可通過自主收集信息和深入思考對知識進行多方位的整合和重構，在加深對知識的理解的同時使問題逐漸深入，形成一個由表及里的認知過程[7]。以化學改性聚乙酸乙烯酯實驗為例，首先創(chuàng)設問題情境。聚乙烯醇是一種白色片狀、絮狀或粉末狀固體，溶于水，不溶于有機溶劑，是一種應用范圍非常廣的化工原料。我們生活中常見的一些日用品和藥品如膠水、薄膜、眼藥水等里面都含有聚乙烯醇。那么聚乙烯醇是如何制備的？是不是通過單體聚合得到的呢？以此為開始，聯(lián)系生活實際，拋出問題，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，并引導學生積極思考問題。學生討論的過程可以循序漸進地提問：單體的乙烯醇存在嗎？引導學生沿著解決問題的方向前進。由于單體的乙烯醇和乙醛存在互變異構現象，且平衡常數非常大，乙醛的穩(wěn)定性遠高于乙烯醇，單體的乙烯醇不能穩(wěn)定存在。因此，聚乙烯醇只能通過間接的方法制備，具體如何制備？由此引出實驗內容：化學改性聚乙酸乙烯酯，通過聚乙酸乙烯酯的水解或者醇解可得到聚乙烯醇。引出實驗內容之后，讓學生自學實驗內容，并要求學生根據實驗大綱來確定所要掌握的實驗原理和實驗操作。最后設計實驗問題，實驗問題不僅要與“聚合物改性”的基礎知識相銜接，而且還應該有實踐價值，以便學生在實驗過程中驗證。以此實驗為例，問題設計可以參考如下：第一，聚乙酸乙烯酯的醇解中加入氫氧化鈉的作用是什么？第二，為了使醇解反應速度加快，可以采用哪些方法？第三，為什么在醇解過程中會出現膠凍現象，它對醇解過程和產物有什么影響？第四，影響醇解度的因素有哪些？以上這些問題教師提前1～2周發(fā)給學生，讓學生積極準備。

2.2 分組討論，解決問題

學生根據實驗項目和相關問題積極尋找解決方案，利用知網、維普等數據庫及圖書館館藏資源查閱實驗相關文獻，并對文獻進行分析、概括、總結。首先，學生根據自己對資料的收集及學習情況自主設計實驗方案。然后，教師將每3名學生分成一組，每組推薦一個代表，負責組織和協(xié)調工作，各組自行分工，各司其職，每個組員充分發(fā)揮自己的特長，積極交流分享。組內成員協(xié)力合作，通過搜集、討論、共享等多種方式全方位整合信息，尋求最優(yōu)的實驗方案和路線，激勵每個小組可以做原料配比不同、溶液溫度不同、反應時間不同等不同工藝條件下的實驗，不要局限于“按方抓藥”，提倡學生突破傳統(tǒng)方案，大膽創(chuàng)新。在確定實驗計劃后，各個小組繪制實驗裝置圖和流程圖，撰寫實驗框架，包括實驗原理、實驗涉及的儀器和藥品、實驗步驟、數據處理、實驗結果與討論等。之后，各組將自己組內的實驗設計方案上傳至校內課程共享平臺，小組與小組之間可以通過平臺進行互動交流使學習得到進一步的延伸[8]。這種先獨立思考再分組討論最后分享、互動的方式，可以充分培養(yǎng)學生的自主學習能力，提高學生的團隊合作意識。

2.3 開展實驗

實驗課開始，各小組發(fā)言人先陳述該組的實驗設計，經過班級討論，使各組的實驗設計方案得到進一步優(yōu)化。在學生討論過程中，教師要做適當的引導。比如，該實驗中氫氧化鈉醇溶液的加入方式，有的組認為應該分一次加完，因為這樣可以保證醇解反應速率均勻，反應完全，產物純度高；有的組認為應該分兩次加入，因為醇解速率過快，分批次加入可以控制反應速率，防止反應速率過快，抑制膠凍出現。關于醋酸乙烯酯的溶解方式，有些學生認為可直接將其溶于熱水中，方便快捷；有的組認為應該先加入冷水，再緩慢加熱，這樣有利于溶解徹底。關于最后得到的聚乙烯醇的醇解度測定方法，有的學生認為可以用核磁共振測試，有的學生認為可以取樣品溶解加入氫氧化鈉回流，之后用鹽酸滴定的方法測定。針對以上這些問題，鼓勵學生按照自己的思路嘗試，在實驗過程中，仔細觀察不同的影響因素對實驗現象有什么影響？對最終聚乙烯醇產品的性能影響如何？學生在實驗中遇到問題，教師可以參與討論，引導學生解決問題，優(yōu)化實驗方案。實驗結束后，各個小組收集整理實驗數據，利用origin和chemdraw軟件對實驗數據和結果進行分析，小組之間可以交流，討論和比較實驗結果，最后每位學生根據自己對實驗的分析、總結及理解獨立完成實驗報告。

2.4 實驗反思

學生完成實驗報告，將實驗結果與分析上傳至校內課程共享平臺并和其他小組探討：不同的實驗條件會得出不同的實驗現象和結果？其關鍵影響因素是什么？在實驗過程中，有的小組可能剛開始實驗失敗，大家一起分析原因、總結教訓、解決問題。另外，各組可以通過討論回答一些思考題，例如，醇解實驗過程中為什么會出現膠凍？一旦出現膠凍，應該如何補救？在什么實驗條件下得到的產物是高醇解，什么條件下得到的產物是低醇解？聚乙烯醇的高醇解產品和低醇解產品的外觀、性質有何區(qū)別？溶液溫度對化學反應有什么影響？學生通過參考文獻資料并結合實驗驗證，就不難回答以上問題。通過總結反思，學生可以加深對理論知識的理解，提高實驗操作能力。更重要的是，這個過程可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，提高學生的實踐、分析和解決實際問題的能力[9]。

3 PBL教學法的考核評價和教學效果評價

傳統(tǒng)的“聚合物改性”實驗評價方式主要是通過考勤、課程表現、實驗報告及考試情況來判定的。但是這種考核方式存在弊端，部分學生撰寫報告敷衍了事。因此，這種考核方式不能有效地評價學生的實際能力。而科學的評價方式可以更加全面準確地反映教學效果和學生具備的能力，而且能夠有效激勵學生的學習積極性[10]。教師在PBL教學模式中，分組討論設計實驗方案需要每位組員認真參與到整個過程中，最后通過學生的匯報與數據共享，得出實驗結果與分析。每個組的結論都不一樣，杜絕了學生的抄襲現象。通過學生匯報，教師也能更加清晰地了解實驗情況，有利于做出更合理公正的評價。此外，PBL教學模式不僅限于教師評價學生，還包括學生的相互評價和學生對教師的評價。實驗過程中，教師對學生的評價重點在于：第一，是否能正確快速搭建實驗裝置；第二，實驗過程中是否能認真觀察實驗現象，及時發(fā)現問題并解決問題；第三，是否能與小組成員協(xié)力合作；第四，實驗過程中是否體現環(huán)保意識和創(chuàng)新思維。此外，教師評價學生還包括文獻綜述能力、解決實際問題的能力、實驗結果總結分析能力及實驗反思能力。學生相互評估包括小組成員的參與度、團隊合作意識以及班級對小組的綜合評估。學生評價教師包括教學方法、公正性以及是否積極引導學生。通過這些多方位的綜合評價，其可以調動學生參與的積極性[11,12]。之后，本研究進行了問卷調查，來了解學生對“聚合物改性”實驗中PBL教學方法的接受程度。結果發(fā)現，超過90%的學生對PBL教學模式持歡迎態(tài)度，學生認為這種模式可以鍛煉自己的文獻檢索能力和文獻整理分析能力，同時還可激發(fā)其科研熱情，增強其學習自主性。此外，這種模式也有利于培養(yǎng)學生的團隊合作能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，可以獲得較好的教學效果。

4 結語

本研究以聚乙酸乙烯酯的化學改性為例，深入探討了PBL教學法在實驗教學中的應用。相比于傳統(tǒng)的講授式教學法，這種教學模式可以激發(fā)學生的好奇心和科研熱情，發(fā)展學生的發(fā)散性思維和批判性思維，同時提高學生語言表達能力、團隊協(xié)作精神、實踐能力及創(chuàng)新能力。另外，隨著“聚合物改性”實驗課程的持續(xù)改進，為了更好地促進學生的發(fā)展，可將PBL法與啟發(fā)式、反轉課堂、SPOC模式、案例式等其他教學模式進行有機結合，不斷吸取經驗，最終建立一整套適合“聚合物改性”實驗課程的教學方法。