PBL教學(xué)法在“聚合物改性”實驗教學(xué)中的應(yīng)用

張夢萌， 于紅超， 錢 勇

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

“聚合物改性”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)課，其要求學(xué)生掌握聚合物共混改性、填充改性、共聚改性、聚合物網(wǎng)絡(luò)互穿、表面改性的概念、基本原理、方法、分類和應(yīng)用等知識內(nèi)容；在能力方面，其要求學(xué)生能夠掌握聚合物改性體系的配方、工藝流程的設(shè)計/開發(fā)方法和技術(shù)。因此，“聚合物改性”課程的實用性很強，與科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)?！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(xué)與工程專業(yè)人才方面扮演著不可替代的作用。“聚合物改性”實驗重視培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析能力，一方面通過實驗讓學(xué)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)—性能之間的相互關(guān)系；另一方面讓學(xué)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(lǐng)域的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。隨著高校教學(xué)改革的不斷深入和教學(xué)計劃的調(diào)整，“聚合物改性”課程的學(xué)時減少，相應(yīng)的實驗時間也有所減少。因此，如何在有限的時間內(nèi)最大限度地發(fā)揮實驗的教學(xué)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(dǎo)向”教學(xué)模式應(yīng)用于“聚合物改性”實驗教學(xué)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

1 以“問題為導(dǎo)向”教學(xué)法的提出

1.1 以“問題為導(dǎo)向”教學(xué)法的優(yōu)勢

以“問題為導(dǎo)向”教學(xué)法是近年來國內(nèi)外較流行的教學(xué)方法，被簡稱為PBL(Problem-Based-Learning)教學(xué)法，由美國Barrows教授首先提出并將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)專業(yè)的教學(xué)中，之后獲得了非常突出的教學(xué)效果[1-3]。PBL教學(xué)法的核心是以學(xué)生為主體，教師給出具體問題作為學(xué)習(xí)的起點，同時對學(xué)生進行分組，學(xué)生自己查閱資料，整合已有知識并學(xué)習(xí)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(xiàn)的問題，并對實驗進行解構(gòu)問題式分析總結(jié)，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(xué)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(zhì)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(dǎo)向”教學(xué)法引入到“聚合物改性”實驗教學(xué)中，可以達到以下教學(xué)效果：第一，PBL教學(xué)法能帶給學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)生經(jīng)歷自主探索的過程，從而提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；第二，PBL教學(xué)法為學(xué)生構(gòu)建了以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于發(fā)展學(xué)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(xué)生的團隊合作能力。

1.2 基于“聚合物改性”實驗教學(xué)的PBL教學(xué)法的總體設(shè)計

以東華理工大學(xué)為例，“聚合物改性”實驗教學(xué)內(nèi)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(xué)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(xué)生的好奇心和從生活中發(fā)現(xiàn)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。總的來說，PBL教學(xué)法應(yīng)用于“聚合物改性”實驗教學(xué)可分四個步驟。第一，創(chuàng)設(shè)問題情境。這一步是學(xué)習(xí)的開端，提出的問題要與生產(chǎn)實際密切相關(guān)，并且具有可探究性和合作性，借助問題引領(lǐng)學(xué)生快速步入學(xué)習(xí)狀態(tài)，通過挖掘問題的過程激發(fā)學(xué)生的潛力，推動學(xué)生自己逐步構(gòu)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(jié)的前提下，將學(xué)生分成學(xué)習(xí)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(shè)計方案。第三，實驗的開展。首先各小組展示實驗設(shè)計，然后教師根據(jù)方案的實際情況適時給出引導(dǎo)，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(xué)生自主總結(jié)實驗中存在的不足與發(fā)現(xiàn)的新問題，并通過查閱資料、共享、討論的形式探究出現(xiàn)問題的原因，這種總結(jié)反思的方式有助于強化學(xué)生的系統(tǒng)性思維。本研究以化學(xué)改性聚乙酸乙烯酯實驗為例，對PBL教學(xué)法如何應(yīng)用于“聚合物改性”實驗教學(xué)進行深入探討。

2 PBL教學(xué)法在實驗“化學(xué)改性聚乙酸乙烯酯”中的實施

2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生興趣

創(chuàng)設(shè)問題情境是PBL教學(xué)法的第一個環(huán)節(jié)。提出有價值的、可探究的問題是學(xué)生進入良好學(xué)習(xí)狀態(tài)的前提。問題需要結(jié)合生活實際且具有較強的邏輯性，以此激發(fā)學(xué)生主動思考，學(xué)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(gòu)，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(xué)改性聚乙酸乙烯酯實驗為例，首先創(chuàng)設(shè)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(yīng)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(xué)生的好奇心和求知欲，并引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題。學(xué)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(dǎo)學(xué)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(gòu)現(xiàn)象，且平衡常數(shù)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(nèi)容：化學(xué)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(nèi)容之后，讓學(xué)生自學(xué)實驗內(nèi)容，并要求學(xué)生根據(jù)實驗大綱來確定所要掌握的實驗原理和實驗操作。最后設(shè)計實驗問題，實驗問題不僅要與“聚合物改性”的基礎(chǔ)知識相銜接，而且還應(yīng)該有實踐價值，以便學(xué)生在實驗過程中驗證。以此實驗為例，問題設(shè)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(yīng)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(xiàn)膠凍現(xiàn)象，它對醇解過程和產(chǎn)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(xué)生，讓學(xué)生積極準備。

2.2 分組討論，解決問題

學(xué)生根據(jù)實驗項目和相關(guān)問題積極尋找解決方案，利用知網(wǎng)、維普等數(shù)據(jù)庫及圖書館館藏資源查閱實驗相關(guān)文獻，并對文獻進行分析、概括、總結(jié)。首先，學(xué)生根據(jù)自己對資料的收集及學(xué)習(xí)情況自主設(shè)計實驗方案。然后，教師將每3名學(xué)生分成一組，每組推薦一個代表，負責(zé)組織和協(xié)調(diào)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(nèi)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(yīng)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(xué)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(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果與討論等。之后，各組將自己組內(nèi)的實驗設(shè)計方案上傳至校內(nèi)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(xué)習(xí)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(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)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(shè)計，經(jīng)過班級討論，使各組的實驗設(shè)計方案得到進一步優(yōu)化。在學(xué)生討論過程中，教師要做適當?shù)囊龑?dǎo)。比如，該實驗中氫氧化鈉醇溶液的加入方式，有的組認為應(yīng)該分一次加完，因為這樣可以保證醇解反應(yīng)速率均勻，反應(yīng)完全，產(chǎn)物純度高；有的組認為應(yīng)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(yīng)速率，防止反應(yīng)速率過快，抑制膠凍出現(xiàn)。關(guān)于醋酸乙烯酯的溶解方式，有些學(xué)生認為可直接將其溶于熱水中，方便快捷；有的組認為應(yīng)該先加入冷水，再緩慢加熱，這樣有利于溶解徹底。關(guān)于最后得到的聚乙烯醇的醇解度測定方法，有的學(xué)生認為可以用核磁共振測試，有的學(xué)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(xué)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(xiàn)象有什么影響？對最終聚乙烯醇產(chǎn)品的性能影響如何？學(xué)生在實驗中遇到問題，教師可以參與討論，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，優(yōu)化實驗方案。實驗結(jié)束后，各個小組收集整理實驗數(shù)據(jù)，利用origin和chemdraw軟件對實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果進行分析，小組之間可以交流，討論和比較實驗結(jié)果，最后每位學(xué)生根據(jù)自己對實驗的分析、總結(jié)及理解獨立完成實驗報告。

2.4 實驗反思

學(xué)生完成實驗報告，將實驗結(jié)果與分析上傳至校內(nèi)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(xiàn)象和結(jié)果？其關(guān)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(jié)教訓(xùn)、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(xiàn)膠凍？一旦出現(xiàn)膠凍，應(yīng)該如何補救？在什么實驗條件下得到的產(chǎn)物是高醇解，什么條件下得到的產(chǎn)物是低醇解？聚乙烯醇的高醇解產(chǎn)品和低醇解產(chǎn)品的外觀、性質(zhì)有何區(qū)別？溶液溫度對化學(xué)反應(yīng)有什么影響？學(xué)生通過參考文獻資料并結(jié)合實驗驗證，就不難回答以上問題。通過總結(jié)反思，學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生的實踐、分析和解決實際問題的能力[9]。

3 PBL教學(xué)法的考核評價和教學(xué)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(xiàn)、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(xué)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(xué)生的實際能力。而科學(xué)的評價方式可以更加全面準確地反映教學(xué)效果和學(xué)生具備的能力，而且能夠有效激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[10]。教師在PBL教學(xué)模式中，分組討論設(shè)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(xué)生的匯報與數(shù)據(jù)共享，得出實驗結(jié)果與分析。每個組的結(jié)論都不一樣，杜絕了學(xué)生的抄襲現(xiàn)象。通過學(xué)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(xué)模式不僅限于教師評價學(xué)生，還包括學(xué)生的相互評價和學(xué)生對教師的評價。實驗過程中，教師對學(xué)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(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)環(huán)保意識和創(chuàng)新思維。此外，教師評價學(xué)生還包括文獻綜述能力、解決實際問題的能力、實驗結(jié)果總結(jié)分析能力及實驗反思能力。學(xué)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(xué)生評價教師包括教學(xué)方法、公正性以及是否積極引導(dǎo)學(xué)生。通過這些多方位的綜合評價，其可以調(diào)動學(xué)生參與的積極性[11,12]。之后，本研究進行了問卷調(diào)查，來了解學(xué)生對“聚合物改性”實驗中PBL教學(xué)方法的接受程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超過90%的學(xué)生對PBL教學(xué)模式持歡迎態(tài)度，學(xué)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(xué)習(xí)自主性。此外，這種模式也有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)效果。

4 結(jié)語

本研究以聚乙酸乙烯酯的化學(xué)改性為例，深入探討了PBL教學(xué)法在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)法，這種教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和科研熱情，發(fā)展學(xué)生的發(fā)散性思維和批判性思維，同時提高學(xué)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(xué)生的發(fā)展，可將PBL法與啟發(fā)式、反轉(zhuǎn)課堂、SPOC模式、案例式等其他教學(xué)模式進行有機結(jié)合，不斷吸取經(jīng)驗，最終建立一整套適合“聚合物改性”實驗課程的教學(xué)方法。