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面向“卓越計(jì)劃”的高分子化學(xué)教學(xué)改革研究
面向“卓越計(jì)劃”的高分子化學(xué)教學(xué)改革研究
羅建新，張春燕，丁茜，劉勇，蔣美麗
�。ê瞎W(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421002）
摘要：本文闡述了高分子化學(xué)課程教學(xué)的特點(diǎn)，分析了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合多年的課程教學(xué)實(shí)踐，開展了面向卓越計(jì)劃的高分子化學(xué)課程教學(xué)改革研究。結(jié)果表明，案例教學(xué)法、綜合性開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、互動(dòng)—探究式教學(xué)法、形象化教學(xué)法結(jié)合多媒體教學(xué)等傳統(tǒng)教學(xué)方式，可以達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)、理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果，為材料化工類卓越工程師的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：高分子化學(xué)；卓越計(jì)劃；教學(xué)方法
我校是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”高校，培養(yǎng)“重基礎(chǔ)、重技術(shù)、重能力、高素質(zhì)”（三重一高）的應(yīng)用型人才是我校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。人才培養(yǎng)主要體現(xiàn)于專業(yè)課程的教學(xué)。因此，面向卓越計(jì)劃的課程教學(xué)改革是我校教學(xué)改革的重點(diǎn)。高分子化學(xué)是我校高分子材料與工程、化學(xué)工程與工藝等材料化工類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)高分子材料、高分子合成工藝學(xué)、聚合反應(yīng)工程等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。因此，面向工程應(yīng)用的高分子化學(xué)課程教學(xué)改革研究是材料化工類相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)卓越工程師的基礎(chǔ)。
一、高分子化學(xué)課程教學(xué)特點(diǎn)
高分子化學(xué)課程主要包括高分子合成和高分子化學(xué)反應(yīng)等內(nèi)容，重點(diǎn)涉及了聚合反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)、聚合方法、高分子化學(xué)反應(yīng)規(guī)律等重難點(diǎn)問(wèn)題，該課程具有內(nèi)容多、概念多、理論新、理解難度大、難以具體感知等特點(diǎn)；同時(shí)，高分子化學(xué)的許多理論尚不成熟，新方法和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)[1]。因此許多學(xué)生反映這門課程所涉及的許多內(nèi)容較難掌握，學(xué)習(xí)興趣較低。我們?cè)诜治龈叻肿踊瘜W(xué)課程教學(xué)中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，積極探索高分子化學(xué)在教學(xué)上的新模式已勢(shì)在必行。
二、在高分子化學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題在高分子化學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題[2]。
1.教材內(nèi)容不能充分滿足教學(xué)要求。目前國(guó)內(nèi)出版的高分子化學(xué)教材有許多種，但其內(nèi)容大同小異，其中浙江大學(xué)潘祖仁主編的《高分子化學(xué)》內(nèi)容較全面，實(shí)踐性強(qiáng)，比較適合理工科院校進(jìn)行教學(xué)，因此被國(guó)內(nèi)廣大理工科院校所選用。但是，教材中的理論講解和公式推導(dǎo)相對(duì)詳細(xì)，實(shí)用性的案例分析相對(duì)較少，不太適合工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
2.實(shí)驗(yàn)類型單一、與工程實(shí)踐脫節(jié)且缺乏特色。高分子化學(xué)課程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。有效的實(shí)驗(yàn)不但可以驗(yàn)證理論課所學(xué)的知識(shí)，而且可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。但在傳統(tǒng)的《高分子化學(xué)》實(shí)驗(yàn)課上只開設(shè)了少數(shù)幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少“三性”實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，與工程實(shí)踐脫節(jié)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全照搬現(xiàn)有教材，缺乏特色。
3.教學(xué)方式單調(diào)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在高分子化學(xué)教學(xué)上，主要以“填鴨式”教學(xué)為主，即主要是以教師在講臺(tái)上講為主。即使有的教師使用了多媒體教學(xué)也主要是以文字為主，沒(méi)有多少圖片和動(dòng)畫。而在機(jī)理推導(dǎo)中主要是向?qū)W生介紹結(jié)果，沒(méi)有與學(xué)生互動(dòng)式的推導(dǎo)過(guò)程，因此教師可能會(huì)費(fèi)很多力氣但卻收效甚微。
三、高分子化學(xué)課程教學(xué)改革
1.案例教學(xué)法———將課堂內(nèi)容與生活實(shí)際、工程實(shí)踐相結(jié)合。在教學(xué)過(guò)程中，要不時(shí)地將課堂內(nèi)容與生活實(shí)際、工程實(shí)踐相聯(lián)系。比如講聚合物的命名，內(nèi)容枯燥單調(diào)，如果平鋪直敘未必能引起學(xué)生的注意，教學(xué)效果也很一般�？梢酝ㄟ^(guò)觀察衣服的標(biāo)簽、礦泉水瓶底部的標(biāo)注，讓學(xué)生結(jié)合生活中直接接觸到的高分子材料（如衣服面料、礦泉水瓶等材料），從而認(rèn)識(shí)高分子材料，掌握高分子材料的命名、英文代號(hào)、單體和用途。由于課堂時(shí)間有限，還可以讓學(xué)生利用課余時(shí)間去超市、商場(chǎng)和建材市場(chǎng)等，收集所見到的高分子材料的名稱及用途，并了解它們的化學(xué)組成。讓教學(xué)內(nèi)容貼近生活，使學(xué)生覺(jué)得學(xué)有所用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
在講解理論公式之后，精心選取、設(shè)計(jì)一些工程應(yīng)用中的實(shí)例進(jìn)行講解輔助教學(xué)。在講基團(tuán)數(shù)比對(duì)聚合度的影響時(shí)，可設(shè)計(jì)實(shí)例通過(guò)對(duì)聚合度的要求來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)合成高分子材料所需原料的配比。如生產(chǎn)尼龍-66，想獲得Mn=13500的產(chǎn)品，采用己二酸過(guò)量的辦法，若使反應(yīng)程度P=0.994，試求己二胺和己二酸的配料比。首先給學(xué)生講明本題是根據(jù)產(chǎn)品分子量的要求來(lái)設(shè)計(jì)原料的配比，是樹脂合成工程師必備的基本技能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，一開始就提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后引導(dǎo)學(xué)生畫出尼龍-66的分子結(jié)構(gòu)式，找出結(jié)構(gòu)單元和重復(fù)單元，算出結(jié)構(gòu)單元的平均分子量，進(jìn)而計(jì)算得到題目所要求的聚合度Xn，再根據(jù)聚合度Xn和基團(tuán)數(shù)比r、反應(yīng)程度P的關(guān)系式計(jì)算出基團(tuán)數(shù)比r，最后根據(jù)基團(tuán)數(shù)比r算出己二胺和己二酸的兩種單體的原料配比。
2.綜合性開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。高分子化學(xué)課程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，是有效實(shí)驗(yàn)必不可少的。但傳統(tǒng)的《高分子化學(xué)》實(shí)驗(yàn)課只開設(shè)了少數(shù)幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)（如：甲基丙烯酸甲酯的本體聚合、醋酸乙烯酯的溶液聚合、苯乙烯的懸浮聚合等），缺少“三性”實(shí)驗(yàn)，與工程實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，并缺乏自身特色。因此，在開設(shè)《高分子化學(xué)》課程的同時(shí)，開設(shè)《涂料化學(xué)與配方設(shè)計(jì)原理》等專業(yè)課程，再采用綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，將樹脂合成、涂料或膠黏劑配制等企業(yè)研發(fā)內(nèi)容引入高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成配方設(shè)計(jì)、樹脂合成及性能檢測(cè)、涂料（或膠黏劑）配制及其性能檢測(cè)。綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表1所示。
綜合實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比，實(shí)驗(yàn)工作量較大，需要的課時(shí)較多。而高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，因此可采用課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。即由學(xué)生選修一定量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在教師的指導(dǎo)下采取自主實(shí)驗(yàn)的方式按要求完成。
3.互動(dòng)—探究式教學(xué)[3]�；�(dòng)—探究式教學(xué)是根據(jù)授課計(jì)劃，適時(shí)選擇一些章節(jié)的知識(shí)（例如重要縮聚物和其他逐步聚合物、可控“/ 活性”自由基聚合、乳液聚合技術(shù)進(jìn)展等知識(shí)點(diǎn)），要求學(xué)生組成課程小組，通過(guò)課外查閱文獻(xiàn)資料，寫出小論文并制作PPT，各組選派代表在課堂上進(jìn)行匯報(bào)和討論。通過(guò)這種教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生收集資料、分析、歸納、總結(jié)和匯報(bào)的能力。針對(duì)聚合方法這一章內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)特性，還可采用實(shí)驗(yàn)—互動(dòng)—探究式教學(xué)相結(jié)合的方式。在理論課講解之前，可布置這樣的任務(wù)：比較自由基聚合四種實(shí)施方法（本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合）的配方組成、聚合場(chǎng)所、聚合機(jī)理、生產(chǎn)特征和產(chǎn)物特性的異同。讓學(xué)生以5個(gè)人為一組，通過(guò)查閱相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料，開展乙烯基單體（如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等）的本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)總結(jié)歸納得到該問(wèn)題的答案。相對(duì)于平鋪直述的介紹，這種通過(guò)實(shí)驗(yàn)—互動(dòng)—探究式教學(xué)相結(jié)合的方式獲取的知識(shí)更牢固。
4.形象化教學(xué)[4]。高分子化學(xué)的一些理論和概念比較抽象，形象化的語(yǔ)言可以幫助學(xué)生理解抽象的理論。高分子的分子量分布具有多分散性，這一概念往往難以理解，但可以從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)解釋。比如用兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的平均年齡來(lái)比喻平均分子量，即使兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的平均年齡相同，其年齡段分布也不一定相同。在講解數(shù)均分子量和重均分子量的時(shí)候，可以用小學(xué)數(shù)學(xué)中的數(shù)量百分?jǐn)?shù)和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來(lái)講解它們的區(qū)別。還可以將活性陰離子聚合比喻為“共同富裕”（所有活性鏈同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)增長(zhǎng)），將自由基聚合比喻為“有條件的先富裕（形成高分子鏈），最后達(dá)到共同富裕（所有活性種基本都形成高分子鏈）。在比較逐步聚合和連鎖聚合的時(shí)候，可將引發(fā)劑的作用比作爆竹的引信，一旦引信被點(diǎn)燃，爆竹會(huì)在引信燃盡后爆炸。只要引發(fā)劑一分解產(chǎn)生活性種，烯烴的聚合反應(yīng)也會(huì)在瞬間進(jìn)行，生成一個(gè)聚合物分子。通過(guò)形象化的比喻，可使學(xué)生加深對(duì)高分子概念的理解。
不同的課程或同一課程的不同內(nèi)容，特點(diǎn)不同，教學(xué)方法就不一樣[5]。以上所講述的案例教學(xué)法、綜合性開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、互動(dòng)—探究式教學(xué)法、形象化教學(xué)法等不是孤立的，而是相互聯(lián)系的，將它們結(jié)合多媒體教學(xué)等傳統(tǒng)教學(xué)方式，綜合應(yīng)用到高分子化學(xué)各個(gè)部分的教學(xué)中，將達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)、理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果，為材料化工類“卓越工程師”的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。
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