功能高分子材料課程的教學(xué)實(shí)踐與探索

宇文力輝

【摘 要】功能高分子材料是高分子專(zhuān)業(yè)主要的專(zhuān)業(yè)課程，它建立在高分子物理、高分子化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)上，與化工、環(huán)境、信息、物理、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科存在廣泛的交叉融合，是當(dāng)前高分子學(xué)科中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。功能高分子材料具有種類(lèi)繁多、知識(shí)體系復(fù)雜、知識(shí)更新快等特點(diǎn)，對(duì)課堂教學(xué)提出了較高的要求。筆者根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)探討如何較好地開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐并采取相應(yīng)的教學(xué)改革措施。

【關(guān)鍵詞】功能高分子材料;結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系;多媒體;教學(xué)實(shí)踐

Teaching Practice and Exploration of the Course “Functional Polymer Materials”

YUWEN Li-hui

（School of Material Science and Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing Jiangsu 210023， China）

【Abstract】As a main specialized course for undergraduate students majored in polymer， “Functional Polymer Materials” is based on polymer chemistry， polymer physics and other relative courses and intersects with chemical engineering， environmental， information， physics， medicine， biology and other subjects. “Functional Polymer Materials” is one of the most rapidly developing subjects in polymer science field. Due to the numerous kinds of functional polymer materials， complicated knowledge system and rapidly updated novel knowledge， proper classroom teaching pattern for this course should be used. In this manuscript， I will discuss the teaching practice and teaching reforms for this course based on my teaching experience.

【Key words】Functional polymer material; Structure property relationship; Multimedia; Teaching practice

自從20世紀(jì)以來(lái)，高分子學(xué)科發(fā)展迅猛，各種新材料、新理論、新模型、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，在傳統(tǒng)的高分子化學(xué)與高分子物理的基礎(chǔ)上發(fā)展出功能高分子材料這一重要分支。功能高分子材料是本科高分子材料專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課，也是化學(xué)、材料等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課程。功能高分子材料課程教學(xué)內(nèi)容較多，主要包括反應(yīng)型高分子、導(dǎo)電高分子、電活性高分子、液晶高分子、吸附型高分子、光敏高分子、高分子功能膜、醫(yī)用高分子等內(nèi)容。該課程通過(guò)系統(tǒng)地總結(jié)功能高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用和研究方法，使學(xué)生掌握功能高分子的基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、設(shè)計(jì)方法和制備策略，了解功能高分子研究的方法和應(yīng)用領(lǐng)域，從而對(duì)功能高分子材料具有全面的認(rèn)識(shí)和深入的理解。

1 貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)

目前合成纖維、合成橡膠、塑料、涂料、高分子粘合劑等高分子材料的應(yīng)用十分廣泛，然而該類(lèi)材料分子內(nèi)缺乏反應(yīng)基團(tuán)，化學(xué)與物理性質(zhì)較為單一，屬于常規(guī)高分子材料。相對(duì)而言，功能高分子材料則具有光、電、力、熱、磁、化學(xué)、生物等性能，在化工、環(huán)保、能源、信息、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。功能高分子材料之所以具有不同于常規(guī)高分子材料的獨(dú)特性能，主要與其結(jié)構(gòu)具有直接關(guān)系。功能高分子材料學(xué)科的主要任務(wù)是研究影響材料性能的因素，尤其是結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)與人們生活所需的各種新型功能材料。因而結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系在功能高分子材料課程中具有重要地位，它不僅是學(xué)生理解材料性能的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)新型功能材料的所遵循的規(guī)律。因而，在課堂教學(xué)過(guò)程中需要貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)，使學(xué)生能夠利用結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系來(lái)理解每一類(lèi)功能高分子的性質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)有能力學(xué)習(xí)并設(shè)計(jì)新型功能高分子材料。

盡管材料學(xué)科中結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究已經(jīng)很多，但是功能高分子材料有其自身特點(diǎn)，即存在分子、超分子、微觀、宏觀等不同層次的結(jié)構(gòu)。層次不同的結(jié)構(gòu)對(duì)于材料性能具有不同的影響，因而功能高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是學(xué)生最難掌握的內(nèi)容，既是教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。對(duì)此，在課堂教學(xué)過(guò)程中不僅需要在課程的概述部分重點(diǎn)講述不同層次結(jié)構(gòu)對(duì)于材料性能的影響規(guī)律，而且需要在每一章結(jié)合實(shí)例具體講解不同類(lèi)型高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，從而使學(xué)生能夠深入理解并掌握該重要規(guī)律。

功能高分子材料的結(jié)構(gòu)具有元素組成、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、高分子鏈段結(jié)構(gòu)、高分子微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)、材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)、材料的宏觀結(jié)構(gòu)等不同的層次，依次包括原子、原子團(tuán)、鏈段、分子、超分子的微觀尺度結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)，其中官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和分子鏈結(jié)構(gòu)是兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，前者決定了分子的大部分化學(xué)性質(zhì)，而后者主要影響材料的物理化學(xué)性質(zhì)。例如，高分子還原劑的還原能力來(lái)源于分子中包含的有機(jī)錫、硫醇等還原性基團(tuán)，而高分子骨架主要使還原劑的分子量增大、溶解度降低，從而在保持小分子還原劑的還原能力的同時(shí)具有不溶性，從而使產(chǎn)物的分離純化工藝大大簡(jiǎn)化。

2 通過(guò)前沿進(jìn)展專(zhuān)題補(bǔ)充知識(shí)結(jié)構(gòu)

功能高分子材料是一門(mén)交叉學(xué)科，涉及化工、電子、信息、生命、醫(yī)學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域，并與相關(guān)學(xué)科存在深入而廣泛的交叉融合，因而功能高分子材料的知識(shí)結(jié)構(gòu)也在隨著其它學(xué)科的發(fā)展而迅速變化。為了適應(yīng)功能高分子材料知識(shí)更新快的特點(diǎn)，不僅需要在課堂教學(xué)中介紹完整的知識(shí)體系，而且要補(bǔ)充相關(guān)領(lǐng)域不斷產(chǎn)生的最新進(jìn)展。然而由于教材的版本更新相對(duì)較慢，所以需要在課堂教學(xué)過(guò)程中針對(duì)每一章節(jié)加入前沿進(jìn)展專(zhuān)題，以補(bǔ)充相關(guān)的最新知識(shí)。

例如，近年來(lái)納米科技發(fā)展迅猛，新型的高分子-納米復(fù)合功能材料成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，各種新穎的研究成果不斷涌現(xiàn)，極大豐富了功能高分子材料的構(gòu)成與應(yīng)用。根據(jù)這些變化，教學(xué)中增加了高分子光電功能納米材料的專(zhuān)題，重點(diǎn)介紹共軛高分子與富勒烯、量子點(diǎn)等復(fù)合材料在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用進(jìn)展;在醫(yī)用高分子材料一章，針對(duì)當(dāng)前高分子在藥物輸運(yùn)與控制釋放方面的研究進(jìn)展，歸納了響應(yīng)性高分子載藥專(zhuān)題，列舉對(duì)于化學(xué)、光、熱、磁等外界刺激信號(hào)具有響應(yīng)能力的高分子載藥體系。由于相關(guān)領(lǐng)域在腫瘤治療中具有重要應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)載藥體系往往具有有趣的控制釋放機(jī)理，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也補(bǔ)充了教材在相關(guān)內(nèi)容上的不足。

3 利用多媒體增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力

功能高分子材料課程的知識(shí)點(diǎn)較多，信息量很大，而教材中的圖形較少，大多為文字內(nèi)容。心理學(xué)的研究表明，人們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中依靠單一的文字閱讀獲得知識(shí)時(shí)容易疲勞，記憶與理解的效率也會(huì)降低;相對(duì)而言，人們對(duì)于形象信息的感知速度更快，記憶能力更強(qiáng)。為此，授課過(guò)程中需要借助PowerPoint（PPT）的多媒體功能對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行圖形化。首先，需要對(duì)教材的內(nèi)容進(jìn)行提煉，總結(jié)出主要知識(shí)點(diǎn)，利用關(guān)系圖構(gòu)建知識(shí)框架，將文字內(nèi)容形象化、條理化;細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行列表，有利于歸納和比較;重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行色彩處理，從而提高了可讀性。其次，功能高分子材料的應(yīng)用性較強(qiáng)，與工業(yè)生產(chǎn)與生活關(guān)系緊密，受限于篇幅和印刷用紙的材質(zhì)，教材中多無(wú)相關(guān)的圖形，尤其是彩圖。在準(zhǔn)備PPT課件時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜集相關(guān)資料并利用PPT的圖形制作能力，補(bǔ)充相關(guān)的示意圖、示例圖，使得相關(guān)的功能高分子材料從應(yīng)用背景、化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能原理、器件結(jié)構(gòu)等均做到“有圖有真相”，顯著提升了學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣，使得抽象的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系更容易理解，同時(shí)也使得學(xué)生能夠聯(lián)系到實(shí)際生活，感受到功能高分子材料的應(yīng)用價(jià)值。

例如，在電活性高分子材料一章中，高分子電致發(fā)光材料與器件是其中的重要內(nèi)容，相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化并展示出良好的發(fā)展前景，但是相關(guān)的器件工作原理較為復(fù)雜，對(duì)于高分子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生具有一定的難度。為此，在實(shí)際授課過(guò)程中，首先將當(dāng)前某著名品牌的手機(jī)顯示屏作為實(shí)例，介紹相關(guān)材料的成分與結(jié)構(gòu)，并借助立體的器件結(jié)構(gòu)示意圖解釋器件的工作機(jī)理與高分子材料在其中的作用，使得學(xué)生可以通過(guò)直觀的方式學(xué)習(xí)抽象的知識(shí)。在高分子功能膜材料一章中，膜分離機(jī)制是重點(diǎn)內(nèi)容，而其中過(guò)篩分離是最常見(jiàn)的一種機(jī)制。為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于該原理的認(rèn)識(shí)，PPT課件中使用了動(dòng)畫(huà)示意圖，將不同尺寸的粒子依次通過(guò)不同孔徑的篩網(wǎng)而被截留的過(guò)程直觀表現(xiàn)出來(lái)，使抽象的分離機(jī)理一目了然。

4 借助課外科研實(shí)踐提升學(xué)生創(chuàng)新能力

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)高分子學(xué)科人才的要求不斷提高，高素質(zhì)的人才不僅需要具有良好的知識(shí)基礎(chǔ)，而且需要具有創(chuàng)新能力。受到課堂教學(xué)課時(shí)與形式的限制，高分子材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生僅能夠接觸到基本的合成與表征實(shí)驗(yàn)，而功能高分子材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少，缺乏相關(guān)的實(shí)踐訓(xùn)練和能力培養(yǎng)過(guò)程。為增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立的研究與開(kāi)發(fā)能力，我們向?qū)W生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置與功能高分子材料課程內(nèi)容相關(guān)的科研課題，吸引有興趣的學(xué)生，尤其是打算畢業(yè)后讀研究生或從事研發(fā)工作的同學(xué)，在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與功能高分子合成、結(jié)構(gòu)與成分表征。近兩年來(lái)已有超過(guò)十名同學(xué)參與了課外科研實(shí)踐，申請(qǐng)并獲得多項(xiàng)學(xué)校本科生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的支持，掌握了原子自由基轉(zhuǎn)移聚合等高分子可控合成技術(shù)，制備了多種嵌段高分子材料并用于調(diào)控納米粒子的組裝，制備了一系列具有優(yōu)異光電性能的新型高分子納米復(fù)合材料。課外科研實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生探索未知的興趣，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，拓展了他們的知識(shí)面，培養(yǎng)了新型功能高分子材料的設(shè)計(jì)能力，有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的個(gè)性化培養(yǎng)。

5 課程的考核方式

功能高分子材料課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握功能高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、制備方法、表征手段及應(yīng)用的知識(shí)，初步具備新型功能高分子材料的設(shè)計(jì)能力。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)模式注重學(xué)生對(duì)于知識(shí)掌握的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，主要采用閉卷考試的方式，然而本課程具有知識(shí)系統(tǒng)復(fù)雜、知識(shí)量大、知識(shí)更新快等特點(diǎn)，所以閉卷考試的考核方式容易導(dǎo)致學(xué)生采用死記硬背的方式學(xué)習(xí);另一方面，當(dāng)前大力提倡素質(zhì)教育，更為注重學(xué)生創(chuàng)新能力，因而在課程的考核評(píng)價(jià)模式需要相應(yīng)調(diào)整。課程的總評(píng)成績(jī)由期末成績(jī)和平時(shí)成績(jī)組成，期末成績(jī)占總評(píng)的70%，采用開(kāi)卷考試方式，平時(shí)成績(jī)占總評(píng)的30%。首先，采用開(kāi)卷考試可以弱化知識(shí)記憶在評(píng)估中的比例，通過(guò)設(shè)計(jì)較多的綜合題以突出學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力的考核，減少學(xué)生突擊復(fù)習(xí)應(yīng)付考試的現(xiàn)象，也有助于減少學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān);另一方面，平時(shí)成績(jī)主要用于考察學(xué)生上課時(shí)回答提問(wèn)與課程討論的情況，對(duì)于評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)掌握與運(yùn)用能力具有重要參考價(jià)值，不僅是考試的重要補(bǔ)充部分，還可以提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)功能高分材料課程的特點(diǎn)及其在高分子專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的重要地位，在課堂教學(xué)中堅(jiān)持貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)，補(bǔ)充相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展專(zhuān)題以豐富課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，充分利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的形象性和生動(dòng)性，提供課外科研見(jiàn)習(xí)課題供學(xué)生進(jìn)行科研實(shí)踐，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，發(fā)展出有效的教學(xué)模式和評(píng)價(jià)方法。

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[責(zé)任編輯：湯靜]