高分子化學實驗教學初探范文

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《高分子通報雜志》2016年第10期

摘要：

實驗教學是培養復合型創新人才的重要實踐環節，《高分子化學綜合實驗》是高分子材料科學與工程專業本科生的專業基礎課之一。本文針對目前高分子化學實驗教學體系中存在的問題探討了教學改革的途徑：通過開展多層次的教學內容，引入綜合型、設計型和趣味型實驗，結合現代教育技術，靈活應用互動式教學模式，引導學生對高分子科學的科研興趣，發揮學生的主觀能動性，并樹立嚴謹的科學態度，培養其獨立的思辨能力和創新能力。

關鍵詞：

高分子化學實驗；教學改革；創新能力

高分子化學是高分子學科的重要領域之一，是以實驗為基礎的自然學科［1，2］。《高分子化學綜合實驗》是我校《高分子化學》精品課程建設中重要的實踐性教學環節，是高分子材料科學與工程專業和材料化學專業本科生的專業基礎課之一。實驗教學的目的是促進學生理解和掌握高分子化學理論知識并將其應用于實踐，從而增強動手能力以及分析問題、解決問題的能力［3～6］。我校的《高分子化學綜合實驗》課程已開展多年，課程中開設了一系列具有代表性的實驗，但在實踐過程中也逐漸暴露出了一些問題，譬如，實驗教學體系還不夠系統，實驗課內容中的驗證型實驗較多，難以提高學生的思辨能力和創新能力，教學方法和手段還不夠多樣化，不利于提高學生的學習積極性和增強教學效果。為提高教學質量，培養具有創新意識和創造能力的復合型人才，推進廣東省精品開放課程———《高分子化學》的建設，對《高分子化學綜合實驗》教學體系進行改革勢在必行。改革后的《高分子化學綜合實驗》除了能使學生在有限的實踐過程中有效鞏固本學科的理論知識，掌握基本實驗技能，還應提高其自身軟實力，通過實驗課的開展引導學生對科研探索產生興趣，發揮其主觀能動性形成創新思維，同時增強其發現問題和解決問題的能力。為建立這樣一套科學的《高分子化學綜合實驗》教學體系，應始終貫徹以學生為本的教學理念，從教學內容、教學方式、教學模式三方面系統開展教學改革。

1教學內容層次化：合理配置驗證型、趣味型、綜合型、設計型實驗

傳統的高分子化學實驗教學項目以驗證型實驗為主，實驗教材中寫明實驗目的、實驗原理、實驗注意事項等，教師在課前進行講解，課堂上學生依據講義中的操作流程進行實驗，并通過實驗結果驗證高分子化學的理論知識。目前，《高分子化學綜合實驗》中已開展的驗證型實驗包括引發劑分解速率的測定、膨脹計法測定自由基聚合動力學。盡管在進行驗證型實驗的過程中學生的基本操作技能得到了訓練，但是因為實驗結果是明確的，實驗留給學生思考和發揮創造力的余地非常有限［7，8］。為提高學生的工程素養和創新能力，應以充分調動學生主觀能動性為突破口，調整高分子化學實驗課的內容，引入設計型、綜合型、趣味型實驗項目，使教學內容更加層次化、系統化。

（1）設計型實驗的實施過程中，教師預先給定學生實驗設計要求，學生據此查閱相關文獻和資料，自主設計實驗方案并獨立完成實驗，通過觀察實驗現象分析實驗成功和失敗的原因以及影響實驗結果的各種因素，由此讓學生得到科學的思維訓練。例如，苯乙烯的懸浮聚合可以作為驗證型實驗，預先給定實驗條件，讓學生“照方抓藥”地進行實驗，也可以作為設計型實驗開展，不設定實驗條件，只提出實驗產物的設計要求———制備顆粒均勻、大小適中的聚苯乙烯粒子，讓學生從配方（包括分散劑類型與用量、單體和水的比例等）、反應溫度和攪拌策略等方面入手設計實驗方案，最終獨立完成實驗并評價產品是否達到要求。讓學生們始終帶著“如何實現設計要求”的問題，進行“調研→設計→實驗→分析→總結”的訓練過程，通過這種鍛煉能夠充分發揮他們的主觀能動性，大大提高其分析問題和解決問題的能力。下圖是兩組學生采用懸浮聚合所制備出的聚苯乙烯粒子，圖1（a）顯示顆粒直徑在1．5mm～4mm之間，若增加有機分散劑聚乙烯醇的使用量還可以制備直徑更小、粒徑分布更均勻的聚苯乙烯粒子，如圖1（b）所示。

（2）綜合型實驗的內容和過程較為復雜，涵蓋了不同的知識點，開展此類實驗能夠鍛煉學生綜合運用所學知識和實驗技術的能力，并有利于學生建立正確的科研思維和培養嚴謹的科研態度。譬如，以苯乙烯懸浮聚合為核心內容，可以從產品設計的角度出發，采用“原料精制→單體聚合→產品性能檢測”的思路將其擴展為綜合實驗內容。在苯乙烯懸浮聚合之前引入“苯乙烯單體和引發劑的精制”的實驗內容，可以使學生鞏固洗滌、萃取、蒸餾、結晶等基本實驗操作。將苯乙烯懸浮聚合延伸到聚合物的下游應用，如交聯聚苯乙烯粒子（聚苯乙烯離子交換樹脂骨架）的制備與性能的研究，可以使學生體驗一個較為完整的功能高分子材料合成的全過程。考慮到實驗的難度和復雜度，該實驗著重考察交聯劑的用量對交聯密度的影響。由于交聯劑／單體摩爾比對產物的交聯密度有影響，粒子最終會表現出不同的溶脹性。通過測定其在良溶劑中的溶脹度，學生可以非常直觀地獲得配方設計對聚合產物性能影響的相關知識。以苯乙烯懸浮聚合為核心內容，經過一系列擴展后建立的綜合型實驗涉及原料的提純、聚合反應、聚合物的改性以及性能評價的內容，該綜合實驗具有很好的系統性和延續性，既能全面提升學生的實驗技能又能培養學生全局思考實驗問題的能力，具有重要的教學實踐意義。

（3）興趣是最好的教師，采用有趣的與日常生活密切相關的實驗項目，做到趣味性與知識性、實用性結合，寓教于樂激發學生們的興趣，可以顯著提高教學成效。例如，在高分子化學實驗內容中引入甲基丙烯酸甲酯的本體聚合（有機玻璃的制備）實驗，學生可以自制有機玻璃相框或有機玻璃墜，將心愛的相片、小掛件、干花鑲嵌在自己合成出的有機玻璃中。為了讓有機玻璃制品更美觀，還可以加入不同的著色劑，制備顏色各異的有機玻璃制品，實驗過程因此而變得充滿樂趣。學生們對該實驗表現出了極大的興趣。為了制備出合乎自己心意的“作品”，學生們會自發對反應條件進行優化，密切觀察實驗現象，防止聚合時產生氣泡或溫度失控發生爆聚而制備出失敗的產品。在后期的熱處理過程中，有部分學生很急切地盼望看到“作品”，在課余時間也會來實驗室查看熱處理過程是否已經完成。由于上課人數較多，實驗課都是分批次進行的，通過對比可以發現后批次進行該實驗的學生會比第一批學生準備更充分，制備出更多美觀和特別的“作品”，這也反映了學生們對實驗有濃厚的興趣，融入了更多的設計理念，有助于激發學生的創新意識。圖2展示的是學生通過本體聚合制作的成功、失敗或有缺陷的有機玻璃制品。

2教學方式多樣化：應用多媒體、虛擬化、網絡教學等現代教育技術

高分子化學實驗的教學普遍采用的是“言傳身教”的方式，學生需要在有限的學時內掌握實驗要領，這種單一的教學方式會限制教學質量的提升。借力于現代教育技術，普及視頻教學、虛擬化教學、教學網站的應用能豐富教學方式，提高學生們的學習興趣與學習效率，強化教學效果。

（1）視頻教學：相對于文字講義、口頭講解的方式，視頻演示的優勢在于能夠使學生對高分子化學實驗有一個初步的感性認識，預先從心理層面接受實驗內容和掌握實驗方法，提高實驗成功率，增加教學質量。譬如，根據高分子化學實驗教學大綱，可以將甲基丙烯酸甲酯本體聚合、發泡聚氨酯的制備等教學內容拍攝成教學錄像，向學生演示基本實驗流程，突出實驗操作中的要點、難點、注意事項等，讓學生對實驗流程和儀器設備的使用方法獲得直觀地認識。須注意的是，教學視頻雖然能再現實驗過程，但不能替代學生親自動手操作的環節，所謂“會看不一定會做”，只有實踐才能讓學生真正掌握實驗技巧。

（2）虛擬化教學：對于一些受限于實驗條件難以開展的實驗教學項目（如原子轉移自由基聚合）或具有一定危險性的實驗項目（如高溫、高壓聚合等）可以應用虛擬化教學方式，通過模擬仿真實驗過程，演示實驗現象，穿插操作要點和注意事項等，讓學生開拓眼界，學習更多的實驗技術和研究方法。原子轉移自由基聚合是“活性”自由基聚合的一種，因為具有巨大的應用前景而受到廣發關注，引入“ATRP的動力學研究”的實驗內容有助于學生們掌握“活性”自由基聚合的原理和特點。盡管如此，在本科實驗教學過程中開展ATRP實驗項目難度很大。ATRP通常以亞銅／胺絡合物作為催化組分，由于聚合所采用的催化劑量很少，即使存在微量的氧氣就能大大降低催化劑的活性，導致聚合難以進行。因而，除氧的效率對于聚合的成敗十分關鍵。首先，聚合之前須對反應溶液以及反應釜預先除氧，加料和取樣時也應避免引入空氣，這對學生們的操作技術要求很高，相對于普通自由基聚合，該聚合方法的成功率大大降低，實踐教學效果難以收到理想效果。其次，通入反應體系中的惰性氣體須預先經過除氧柱才能使用，并且該除氧柱中的填料事先必須活化（用H2或CO還原），該活化過程危險性極高，存在潛在的安全隱患，因而“ATRP的動力學研究”不適合納入本科生的實踐教學。采用仿真技術將“ATRP的動力學研究”制作成虛擬的演示實驗，則能有效地化解以上問題。根據實驗流程可以將“ATRP的動力學研究”的演示實驗分解為惰性氣體凈化、反應器和反應混合物的除氧、聚合反應（包括引發、增長、終止）、取樣和干燥稱量等步驟，可有效促進學生們對ATRP原理的理解。此外，聚合過程中ATRP催化劑的顏色會發生變化，因而該仿真實驗具有良好的指示性和演示度。

（3）實驗教學網站：建設專門的實驗教學網站，上傳課件、講義和教學視頻，方便學生有效利用課余時間進行預習，有助于提高學習效率。此外，還可以通過網站開辟答疑專區，促進教師和學生們之間或者不同班級、不同專業的學生們之間的交流，營造良好的學習氣氛，互相促進和互相提高。總之，一切教學方式都應以提高學生自主學習效率，激發學生學習興趣，提高教學效果為宗旨。

3教學模式人性化：靈活應用互動式教學

傳統的高分子化學實驗課主要采用教師預先講授繼而學生動手實踐的教學模式，無法達到現代教育以樹立學生創新意識和培養學生創新能力為宗旨的教學要求，而采用互動式教學模式能活躍課堂氣氛和促進師生之間的交流，是適應當代教學需求的一種教學模式。例如，在實驗課堂中，授課教師可以隨機抽取平時已經做過的實驗考察學生的掌握情況。問題歸納法也是互動式教學方式的一種。在批改完實驗報告之后，教師可組織學生們進行歸納和總結，分析各個實驗成功和失敗的原因，讓他們對實驗現象和結果分析得更為透徹，提升學習積極性。互動式教學過程中師生互為主體，學生發言可以幫助自己整理思路，強化對實驗項目所涉及知識要點的理解以及對實驗技術的掌握。若遇到學生對實驗結果存在疑問，想通過再一次的實踐驗證自己推斷的情況，授課教師應預留時間和提供實驗場所、試劑、器材等，有效組織二次課堂的方式，用開放和包容的心態為學生開啟探求真理的大門。

4小結

高分子化學實驗教學改革是一項系統工程，應始終以學生為本，從教學內容、教學方式、教學模式三方面進行，改革后的高分子化學實驗教學除了應該促進學生掌握基礎知識，提高實驗技能之外，更要發揮學生的主觀能動性，引導其產生科研興趣，樹立創新意識和培養創新能力。改革過程中教育者應明確改革目標，不斷修正或改變教學方法，為培養高層次的創新人才不斷努力。

參考文獻：

［1］潘祖仁．高分子化學（第五版）．北京：化學工業出版社，2011．

［2］何衛東，高分子化學實驗，中國科學技術大學出版社，2003．

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［4］殷勤儉，周歌，何波兵，陳弦，陳民助，江波．高分子通報，2007，（7）：65～68．

［5］程捷，羅云杰，閆紅強．高分子通報，2012，（1）：117～119．

［6］王小丹，潘育方，劉寧，李田．化工高等教育，2013，30（5）：65～67．

［7］王麗梅．實驗技術與管理，2014，31（1）：19～21．

［8］袁偉忠，王國建．科技創新導報，2013（35）：171～171．

作者:趙穎 羅美香 蔣智杰 姜蕾 張安強 吳水珠 單位:華南理工大學材料科學與工程學院