食品包裝工程專業(yè)《高分子化學(xué)與物理》課程教學(xué)初探

杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

食品包裝工程專業(yè)《高分子化學(xué)與物理》課程教學(xué)初探

杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

高分子科學(xué)已滲透于各個領(lǐng)域與學(xué)科，形成了一個無法替代的交叉學(xué)科，因此，除化學(xué)或材料專業(yè)外，相關(guān)專業(yè)紛紛開設(shè)高分子相關(guān)課程。高分子化學(xué)與物理作為北京農(nóng)學(xué)院食品包裝專業(yè)的專業(yè)主干課之一，向?qū)W生講解高分子化學(xué)和高分子物理，其中高分子化學(xué)部分側(cè)重高分子化學(xué)的基本理論知識，高分子物理部分則側(cè)重于高分子的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。本文基于食品包裝工程專業(yè)的需求，分析了高分子化學(xué)與物理的課程授課特點，總結(jié)了在有限學(xué)時的情況下課堂教學(xué)中如何采取的行之有效的措施和教學(xué)嘗試來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強教學(xué)效果。

CAI教學(xué)；高分子化學(xué)與物理；實例教學(xué)；教學(xué)改革

隨著高分子科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，高分子科學(xué)已滲透于各個領(lǐng)域與學(xué)科，形成了一個無法替代的交叉學(xué)科[1]。對于與高分子相關(guān)的專業(yè)，專業(yè)課程一般設(shè)置高分子化學(xué)與高分子物理兩門課，其中高分子化學(xué)側(cè)重聚合反應(yīng)機理的學(xué)習(xí)，高分子物理從分子運動的觀點出發(fā)重點介紹高聚物的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。對于食品科學(xué)與工程學(xué)院的包裝工程專業(yè)的學(xué)生一般將這兩門課揉合在一起，開設(shè)高分子化學(xué)與物理，課程48～72學(xué)時之間，要求掌握有關(guān)高分子的基本理論知識和應(yīng)用技能。

對于在食品學(xué)院中的包裝工程專業(yè)，結(jié)合北京農(nóng)學(xué)院的辦學(xué)定位和服務(wù)對象，學(xué)校專業(yè)定位在食品包裝技術(shù)以及與包裝相關(guān)的食品質(zhì)量安全與控制[2]。要培養(yǎng)學(xué)生這兩個方面的能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容必須涵蓋包裝中食品接觸材料生產(chǎn)、監(jiān)管、檢測和風(fēng)險評估等與衛(wèi)生安全質(zhì)量相關(guān)的各個方面。而講述這些內(nèi)容的前提是掌握高分子化學(xué)與物理以及包裝材料學(xué)中關(guān)于食品接觸材料的各種知識點。我們只有在介紹高分子食品接觸材料的特性、用途、生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，才能讓學(xué)生懂得食品接觸材料安全衛(wèi)生相關(guān)的質(zhì)量控制和管理要素，培養(yǎng)學(xué)生對食品接觸材料安全衛(wèi)生相關(guān)的質(zhì)量控制能力，以及準確合理地選擇包裝材料進行食品產(chǎn)品包裝設(shè)計的能力。所以，高分子化學(xué)與物理是我們食品包裝專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

在學(xué)?！?+1”的教學(xué)模式[3]影響下，高分子化學(xué)與物理課程的學(xué)時數(shù)壓縮為56學(xué)時。在這樣少的學(xué)時條件下，要使那些對于高分子完全陌生的學(xué)生理解并掌握高分子的基本概念與原理，授課內(nèi)容的選擇及講授方式是非常重要的。通過幾年不斷地嘗試和教學(xué)實踐，作者結(jié)合非高分子專業(yè)學(xué)生的特點，積極進行教學(xué)改革探索，積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗，取得了比較滿意的教學(xué)效果。本文結(jié)合我校高分子化學(xué)與高分子物理課程教學(xué)改革與探索的實際，就教學(xué)內(nèi)容的選擇、完善以及教學(xué)方式與多媒體課件的研制方面提出一些自己的見解。

一、理論聯(lián)系實際，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，加強實例教學(xué)

在傳統(tǒng)高分子專業(yè)的高分子化學(xué)課程中，高分子化學(xué)涉及的概念公式繁多，而且復(fù)雜難懂，要想完全靠死記硬背記住這些公式是比較困難的，而將這些公式熟練應(yīng)用則更加困難[4，5]。對于食品包裝工程系的學(xué)生學(xué)習(xí)高分子化學(xué)對聚合物的化學(xué)反應(yīng)部分應(yīng)當有目的地選擇高分子包裝材料所涉及的化學(xué)反應(yīng)進行講授，對于復(fù)雜的聚合反應(yīng)速率方程的推導(dǎo)可以不學(xué)?？芍攸c學(xué)習(xí)各種包裝材料如：聚乙烯，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚乙烯醇，聚對二苯甲酸乙二醇酯等現(xiàn)實經(jīng)濟生活中常用高分子材料的合成方法，重點講述他們的化學(xué)合成方法，催化，以及包裝材料中單體與催化劑的殘留造成的健康風(fēng)險。在充分體現(xiàn)學(xué)科特點的前提下，適當削減了與專業(yè)關(guān)系不大的聚合反應(yīng)機理部分的內(nèi)容，如配位聚合反應(yīng)的機理。在“聚合物的化學(xué)反應(yīng)”章節(jié)中，增添了與專業(yè)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。

比如講述聚苯乙烯（PS）合成時，應(yīng)當結(jié)合包裝專業(yè)特點來舉例聚苯乙烯合成過程對其在包裝工業(yè)上的應(yīng)用具有深刻的影響，如聚苯乙烯發(fā)泡餐盒白色污染的風(fēng)波[6]。向?qū)W生解釋為何2013年2月，國家發(fā)改委“21號令”，將被稱做白色污染且長久被認為有毒的一次性聚苯乙烯發(fā)泡餐具解禁。解禁依據(jù)是什么？通過聯(lián)系實際，同學(xué)們都急切想從專業(yè)角度得到解答。10年前國家禁止聚乙烯發(fā)泡餐盒的應(yīng)用是基于以下考慮。

1.PS泡沫塑料餐具帶來白色污染的問題。

2.PS泡沫塑料餐具受熱65℃時或燃燒時會產(chǎn)生“二噁英”強致癌物的問題。

3.PS泡沫塑料餐具中含有殘存單體苯乙烯或在65℃以上使用會釋放出單體致毒的問題。

4.PS泡沫塑料餐具遇熱會釋放出二聚體、三聚體等危害人體物質(zhì)的問題。

5.PS泡沫塑料餐具含雙酚類，導(dǎo)致生殖機能失常的問題。

6.PS泡沫塑料餐具難以回收利用。

7.PS泡沫塑料餐具不能耐高溫，高溫變形，不能在微波爐里使用。

從向?qū)W生介紹高分子化學(xué)中聚苯乙烯的分子構(gòu)造，聚合機理，聚合方法以及化學(xué)反應(yīng)后處理，我們就能解釋第2、3、4、5問題。從高分子化學(xué)專業(yè)的角度向?qū)W生講述“白色污染”的成因是管理不善及隨意丟棄垃圾的人，而不屬聚苯乙烯材料本身，PS泡沫塑料餐具≠“白色污染”，更不是造成“白色污染”的元兇。PS的生產(chǎn)過程是苯乙烯單體在高溫高壓和催化劑作用下，在密封的反應(yīng)釡內(nèi)，無氯條件下進行聚合反應(yīng)，從而無產(chǎn)生二噁英的條件。PS泡沫塑料飯盒是直接采用食品級的PS材料，加入滑石粉、硬脂肪酸鈣、丁烷等，通過擠出、發(fā)泡制得，生產(chǎn)過程全部為物理混合過程，無化學(xué)反應(yīng)，不具備產(chǎn)生二噁英的條件。如果我們工業(yè)界使用符合國家標準的食品級聚苯乙烯原料來制造一次性泡沫發(fā)泡飯盒，最終產(chǎn)品很難在單體殘留量上超標。而且，國外公布相關(guān)報告研究結(jié)果，明確澄清有關(guān)二聚體、三聚體環(huán)境荷爾蒙的問題，它們不屬所謂攏亂內(nèi)分泌的化學(xué)物質(zhì)。食品級PS材料中并沒有雙酚A，在加工過程中也不可能產(chǎn)生雙酚A副產(chǎn)物等。以上解釋都需要我們高分子化學(xué)的知識，通過理論聯(lián)系實際，我們能讓學(xué)生們對學(xué)習(xí)高分子化學(xué)對包裝材料的認識加深印象。

再如，講解聚碳酸酯（PC）[7]的逐步縮聚合成過程中，為了加深學(xué)生的理解，引入聚碳酸酯“雙酚A風(fēng)波”。生產(chǎn)聚碳酸酯用到雙酚A，在材料與食品相接觸后，殘留雙酚A單體遷移進食品，造成一定的健康風(fēng)險。從高分子化學(xué)角度，向?qū)W生解析為何2011年在歐盟和加拿大，雙酚A被列為有毒物質(zhì)，被禁止用于生產(chǎn)嬰兒奶瓶。在PC實例中，通過聚合機理，單體結(jié)構(gòu)，聚合單體殘留等高分子化學(xué)方面的知識向?qū)W生們展示PC食品接觸材料的優(yōu)缺點。

同理，我們在講解聚氯乙烯（PVC）時[8]，從分子結(jié)構(gòu)的特點引入“塑化劑風(fēng)波”，講述聚氯乙烯由于分子的剛性需要塑化劑才能加工成型，這與食品相接觸后必然造成有毒塑化劑的遷移。我們在講解各種包裝材料的高分子合成化學(xué)時，就應(yīng)該通過現(xiàn)實生活的同學(xué)們已經(jīng)有所耳聞、鮮活的例子來幫助學(xué)生對知識點的理解與記憶，提升他們對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

二、加強《高分子化學(xué)及物理》與《包裝材料學(xué)》的有機聯(lián)系

高分子物理部分以分子運動的觀點來聚合物的轉(zhuǎn)變與松弛，聚合物的粘彈性，聚合物的力學(xué)性能等內(nèi)容。因為《高分子化學(xué)及物理》是為《包裝材料學(xué)》服務(wù)的，應(yīng)讓學(xué)生重點掌握高分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。高分子物理部分是教學(xué)重點，在講解基本概念時，同時注意結(jié)合《包裝材料學(xué)》所涉及的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，使《包裝材料學(xué)》與《高分子化學(xué)及物理》真正有機地融合起來。比如，在講解聚苯乙烯發(fā)泡餐盒的時候，我們還是可以通過餐盒禁止與解禁來講解其分子的構(gòu)效關(guān)系與應(yīng)用。以前禁用一次性聚苯乙烯泡沫飯盒，存在很多知識的誤區(qū)，比如對毒性的誤解與使用方法的不當。當加熱至聚苯乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（80～90℃）以上，PS轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，且保持這種狀態(tài)在較寬的范圍內(nèi)，PS開始熱變形，熔融溫度為240℃，PS在高真空和330～380℃下劇烈降解。由于其分子結(jié)構(gòu)的特性，一次性聚苯乙烯飯盒不能在70度以上或微波爐的情況下使用，這和聚丙烯餐盒使用是有很大差異的。由于知識普及不到位，許多人把一次性聚苯乙烯泡沫飯盒在高溫下加熱，在微波爐使用，造成飯盒溶化變形，并伴有刺激性氣味。如果我們知道使用說明，一次性聚苯乙烯餐盒在一定條件下使用是無毒，綠色，安全且價廉，比如，在外就餐，我們可以用價廉的一次性聚乙烯發(fā)泡餐盒打包你的冷卻后的剩飯剩菜而無需采用價格昂貴的替代產(chǎn)品。我們在講解聚苯乙烯高分子分子運動時，就應(yīng)該把分子運動的特點引導(dǎo)到聚苯乙烯作為現(xiàn)實包裝材料由于分子運動的特點所帶來的優(yōu)缺點。同理，我們講解聚氯乙烯分子[8]時，就需要結(jié)合高分子物理中分子運動的特點來講解的塑化劑溶出。講解聚乙烯醇（PVA）時，就應(yīng)該把高聚物的結(jié)晶與分子之間的氫鍵作用引入到結(jié)晶與分子材料透氣透氧之間的關(guān)系上。

三、改進了教學(xué)手段，有效利用多媒體資源和化學(xué)作圖軟件，運用多種方法加深學(xué)生的理解

高分子化學(xué)與物理的基本概念繁多，有些概念很容易混淆，還有些概念很抽象，難于理解。針對抽象的概念，我們可以有效利用多媒體資源和化學(xué)作圖軟件，使基本概念的理解變得容易，大大增強了記憶的效果，避免了死記硬背。比如，高分子應(yīng)力松弛與蠕變講述。對于蠕變，只是通過經(jīng)典的教科書上的舉例，“如在懸掛的軟質(zhì)PVC絲下面勾住一段一定質(zhì)量的砝碼，軟絲會慢慢伸長，撤銷砝碼后，軟絲會慢慢地回縮”這種書本講解，筆者覺得不足以讓學(xué)生加深印象。而是應(yīng)該通過形象的多媒體實驗演示或現(xiàn)實實驗來講解。由于實驗課時有限，筆者在課前對實驗進行錄像，然后在課堂上進行視頻演示，能很好地幫助學(xué)生理解。利用實驗?zāi)茏寣W(xué)生充分理解高分子聚合物的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

例如，結(jié)晶概念的詮釋，是比較難比喻生動而且易懂的。高聚物結(jié)晶分子的排列在書中被用很小的部分來講述，但是高分子結(jié)晶對高分子薄膜材料物理性質(zhì)影響顯著，對于食品包裝的學(xué)生，急切需要知道結(jié)晶度與透氣性的構(gòu)效關(guān)系，但是如此小的篇幅根本不能讓學(xué)生掌握高分子結(jié)晶的知識點。書本上的高分子晶體圖學(xué)生很難理解，這就需要我們教師去尋找更好的化學(xué)物質(zhì)單晶圖，我們可以找剛性的芳香有機物的單晶圖來闡述分子間的各種力造成的分子有序堆積。通過這種舉例，可以讓學(xué)生更好的理解高分子鏈之間相互作用力造成的部分鏈段的有序堆積?？梢姡鷦拥呐e例對于抽象概念的理解是有很大幫助的。

使用多媒體可以將枯燥乏味的理論知識直觀和形象化，可以將教學(xué)過程生動地展示給學(xué)生，使學(xué)生更容易理解所學(xué)內(nèi)容。對于高分子化學(xué)與物理中一些概念的講述，我們需要CAI教學(xué)[9]，多利用化學(xué)分子結(jié)構(gòu)軟件制作課件。通過化學(xué)軟件制作三維空間構(gòu)型，再結(jié)合三維動畫，動態(tài)演示分子骨架旋轉(zhuǎn)，能輕松地帶學(xué)生進入微觀的分子世界，讓抽象的分子結(jié)構(gòu)與概念形象化，有利我們教學(xué)。比如高分子鏈的柔性是由于分子內(nèi)各個化學(xué)鍵和原子在不停地轉(zhuǎn)動或振動，高分子鏈的形狀時刻在變化著而造成的。如果我們制作動態(tài)三維的大分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)圖，讓學(xué)生親眼目睹這個“動”，才能更好促進學(xué)生對分子動態(tài)旋轉(zhuǎn)以及高分子柔性的理解。

四、創(chuàng)設(shè)開放性的交流空間，鼓勵學(xué)生主動參與教學(xué)活動

在課程教學(xué)過程中，除老師引入實例教學(xué)、有效利用多媒體資源等教學(xué)措施以外，有時引申話題，創(chuàng)設(shè)開放性的交流空間，鼓勵學(xué)生主動參與教學(xué)活動也是非常重要的[10]。采取讓學(xué)生分組討論，查找文獻，撰寫小報告的形式拓展學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。如，高分子聚合的教學(xué)中，結(jié)合聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等分子的結(jié)構(gòu)特點說明其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出問題：“為什么限制聚氯乙烯在食品包裝保鮮膜上的應(yīng)用？”“為什么限制聚碳酸酯在嬰兒奶瓶上的應(yīng)用？”“為何聚苯乙烯餐盒只能在70度以下使用？”以及“為何聚乙烯醇容易結(jié)晶以及吸水，這些性質(zhì)會給作為包裝材料的它帶來哪些優(yōu)缺點？”然后學(xué)生分組從聚合物分子結(jié)構(gòu)、柔韌性等角度討論，積極參與到教學(xué)活動中。每一個問題都與高分子的基礎(chǔ)知識息息相關(guān)，都是從一些實際現(xiàn)象引出問題，再通過理論分析加以解釋、歸納；這樣不僅可以引起學(xué)生興趣，重要的是可以加深學(xué)生對基本理論知識的理解和掌握，達到事半功倍的效果。

五、結(jié)語

高分子化學(xué)與物理是一門理論性強、概念抽象難懂且較難掌握的課程，作為包裝工程專業(yè)，特別是偏重食品包裝技術(shù)的學(xué)生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生需要在有限的學(xué)時里掌握高分子的基本概念和理論，教師則需要不斷地探索教學(xué)方法，采用多種手段提高教學(xué)的交互性和生動性，以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，才能取得令人滿意的教學(xué)效果。

[1]吳其曄，馮鶯.高分子材料概論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

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[3]李堯，余五新，左治江.應(yīng)用型高?！?+1”人才培養(yǎng)模式的實踐探索[J].教育與職業(yè)，2010，（26）：24.

[4]潘祖仁.高分子化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]何曼君，張紅東，陳維孝等.高分子物理[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

[6]http：//news.xinhuanet.com/fortune/2013-03/24/c_115137969. htm.

[7]Cao，X.-L.；Corriveau，J.；Popovic，S.J.Agric.Food Chem. 2009，57，1307.

[8]http：//info.china.alibaba.com/detail/1116419090.html.

[9]夏云波.淺談多媒體課件在物理教學(xué)中的使用[J].物理通報，2005，（9）：47.

[10]支俊格，鄭傳明.高分子化學(xué)與物理課程體系協(xié)同式教學(xué)初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，（28）：155.

G642.0

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1674-9324（2014）20-0268-03

杜斌（1980-），男，浙江衢州人，就職于北京農(nóng)學(xué)院，博士，中級二級，主要從事《高分子化學(xué)及物理》、《包裝材料學(xué)》等課程的教學(xué)工作，研究方向為功能性包裝材料以及果蔬保鮮。