設(shè)計性、研究性實驗教學(xué)探索與實踐

俞麗珍，寧春花，左曉兵，朱亞輝

(常熟理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

設(shè)計性、研究性實驗教學(xué)探索與實踐

俞麗珍，寧春花，左曉兵，朱亞輝

(常熟理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

高分子材料合成綜合實訓(xùn)課程是培養(yǎng)高分子材料專業(yè)人才的重要實踐環(huán)節(jié)。該文以高分子材料合成綜合實訓(xùn)課程中的一個設(shè)計性、研究性實驗(高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析)為例，介紹了高分子材料專業(yè)開設(shè)設(shè)計性、研究性實驗的必要性、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、教學(xué)效果。實踐證明，通過開展設(shè)計性、研究性實驗，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

綜合實訓(xùn)；設(shè)計性實驗；研究性實驗；高分子材料

作為一所應(yīng)用型本科院校，人才的培養(yǎng)目標(biāo)是面向區(qū)域經(jīng)濟和地方經(jīng)濟，以培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展，能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)及管理、建設(shè)、服務(wù)等第一線崗位的需要，掌握生產(chǎn)技術(shù)并能夠熟練應(yīng)用的應(yīng)用型人才[1]。為了適應(yīng)培養(yǎng)高分子材料專業(yè)方面技術(shù)人才的需要，突出實訓(xùn)課程的特色，對高分子材料合成綜合實訓(xùn)課程的實驗教學(xué)進行了有益的探索，本文就高分子材料合成綜合實訓(xùn)課程開設(shè)的一個設(shè)計性、研究性實驗(高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析)進行探索與實踐[2]。

1 開展設(shè)計性、研究性實驗

1.1 實驗理論知識

高分子材料專業(yè)材料合成綜合實訓(xùn)課程開設(shè)在大二第二學(xué)期期末階段，學(xué)生已學(xué)過無機化學(xué)、有機化學(xué)、高分子化學(xué)、文獻檢索等相關(guān)基礎(chǔ)知識，也完成了無機及分析實驗、有機化學(xué)實驗和高分子化學(xué)實驗等，掌握了實驗基本操作和常規(guī)的高分子化學(xué)合成實驗，并具備了文獻的檢索和閱讀能力，為開展設(shè)計性、研究性實驗提供了理論保證和實踐保證。

1.2 實驗項目的選擇

聚丙烯酸鈉是一種功能性的吸水材料，能吸收大量的水，而且保水性能優(yōu)良。如果環(huán)境干燥，它會釋放水，如果環(huán)境潮濕，它會吸收水，干燥后還可重復(fù)使用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、園藝、建筑、衛(wèi)生等領(lǐng)域[3-6]。該實驗項目高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析為貼近生活實際的應(yīng)用型實驗項目，開設(shè)這樣的項目有利于激發(fā)學(xué)生對高分子材料專業(yè)實驗的興趣，同時提高學(xué)生進行實驗的積極性。通過該實訓(xùn)，不僅可使學(xué)生了解目前吸水樹脂的發(fā)展前景，掌握吸水樹脂的合成方法及性能測試，而且可增強學(xué)生利用專業(yè)知識和技術(shù)解決復(fù)雜實際問題的能力，并提高動手能力，使學(xué)生能夠在聚合物合成工藝和物性表征方法方面得到較為系統(tǒng)的基本訓(xùn)練，從而達到培養(yǎng)他們的綜合能力，使實踐教學(xué)切實成為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效途徑[7]。

1.3 與傳統(tǒng)實驗相比的特色

以往學(xué)生進行的高分子化學(xué)實驗大都為驗證實驗，整個教學(xué)過程為：實驗前，老師公布實驗教學(xué)安排進度表，學(xué)生事先預(yù)習(xí)實驗講義并撰寫實驗預(yù)習(xí)報告；進實驗室，實驗老師講解實驗原理，并講解實驗操作關(guān)鍵步驟和注意點，學(xué)生搭建裝置進行實驗；實驗中，學(xué)生按老師講解的步驟按部就班地進行，實驗中遇到問題時依賴于老師幫助解決。不可否認，這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，給學(xué)生有了動手的機會，有了感性認識，對所學(xué)的理論知識有了驗證和加深理解的機會。但從培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的角度來看，專業(yè)綜合實驗再按這樣的模式進行，沒有什么成效。因為這種模式缺乏對學(xué)生獨立思考能力的培養(yǎng)，難以提高學(xué)生豐富想象力及創(chuàng)新意識，并且很難教會學(xué)生如何綜合運用多科知識來解決實際問題，因而存在很多弊端[8]。

本實驗與以往傳統(tǒng)實驗有所不同，學(xué)生根據(jù)老師給定的實驗項目和要求進行查閱相關(guān)文獻資料，并對查找的文獻資料進行歸納總結(jié)，然后設(shè)計實驗方案并進行討論，再設(shè)計不同的實驗條件進行實驗。每組同學(xué)所做的實驗條件都不相同，研究不同實驗因素對產(chǎn)品性能的影響，最后老師組織學(xué)生對實驗結(jié)果進行討論并總結(jié)。學(xué)生通過這樣的訓(xùn)練以后，可以初步掌握聚合物合成工藝方案的設(shè)計以及性能分析，為學(xué)生將來做畢業(yè)論文和以后從事科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，同時也可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和獨立思考問題的能力，從而提高他們的創(chuàng)新意識。

2 實驗教學(xué)內(nèi)容

高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的制備方法主要有水溶液聚合、反相懸浮聚合及反相乳液聚合等。本實驗采用反相懸浮方法制備聚丙烯酸鈉樹脂，并研究中和度、引發(fā)劑加入量、交聯(lián)劑加入量、反應(yīng)時間對聚丙烯酸鈉樹脂吸水率的影響。

2.1 高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉的制備

用四口燒瓶、冷凝管、攪拌器及溫度計搭接反應(yīng)裝置，在四口燒瓶中加入一定量的分散劑(Span-60)和環(huán)己烷，開動攪拌器并加熱到45 ℃，攪拌約30 min使分散劑充分溶解。在小燒杯中稱取一定量丙烯酸，向其中滴加氫氧化鈉溶液(濃度為7.5 mol/L)中和丙烯酸(根據(jù)不同的中和度計算氫氧化鈉溶液加入量)，邊加邊用玻璃棒攪拌，待溶液冷卻后依次加入一定量的引發(fā)劑(過硫酸鉀)和交聯(lián)劑(N,N-亞甲基雙丙烯酰胺)，攪拌均勻，完全溶解后再慢慢加入到四口瓶中，升溫至70℃攪拌、回流反應(yīng)一定時間(2 h左右)，然后升溫至100 ℃回流(用分水器把環(huán)己烷蒸出)，即可得聚丙烯酸鈉水凝膠，將其真空干燥[9]。

2.2 吸水率的測定

稱取干燥的聚丙烯酸鈉樹脂0.5 g放入1 L的大燒杯中， 在燒杯中加入500 mL蒸餾水，使聚丙烯酸鈉樹脂吸水，吸水1 h后，用紗布濾去未被吸收的水, 然后稱濾液重量[10]。

將所得數(shù)據(jù)代入公式計算，便得出吸水率。

3 教學(xué)方法和手段

3.1 教學(xué)設(shè)計的總體思路

教學(xué)設(shè)計的總體思路如圖1所示。

3.2 實施過程

材料合成綜合實訓(xùn)與以往高分子化學(xué)實驗有所不同，這類實驗是設(shè)計性、研究性實驗，以學(xué)生學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，主要分以下7個步驟來實施。

1)教師布置教學(xué)任務(wù)

實驗前教師首先公布實驗項目名稱，明確教學(xué)要求。

2)學(xué)生查閱文獻

學(xué)生查閱相關(guān)文獻資料，并進行文獻綜述。

3)學(xué)生設(shè)計實驗方案

學(xué)生對文獻資料進行歸納總結(jié)并設(shè)計實驗方案。

4)師生討論

教師組織學(xué)生進行討論，討論實驗方案和實驗條件的可行性，并根據(jù)實驗條件進行分組，以保證每組同學(xué)所做的實驗條件都不同，以研究不同實驗條件對實驗結(jié)果的影響。本實驗按一個班級40人進行分組，先分4個大組，每個大組又分5個小組，每小組為2人。每一個大組討論一個實驗因素，每個因素又設(shè)定5個水平，4個大組分別進行下列實驗研究。

圖1 教學(xué)設(shè)計總體思路

④反應(yīng)時間對產(chǎn)物吸水率的影響：交聯(lián)劑為0.06 g，引發(fā)劑為0.05 g，反應(yīng)時間分別為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h時，總結(jié)出反應(yīng)時間對單位產(chǎn)品(g)的吸水率變化曲線。

5)學(xué)生完成實驗

學(xué)生獨立操作，完成實驗并獲得實驗結(jié)果。

6)師生討論

每組同學(xué)都要把實驗數(shù)據(jù)整理出來并寫到黑板上，教師組織學(xué)生討論實驗結(jié)果并進行總結(jié)，以獲得本實驗的最佳實驗條件，從而提高產(chǎn)品性能。

7)學(xué)生提交實驗報告

學(xué)生完成實驗后，書寫實驗報告，實驗報告內(nèi)容包括實驗?zāi)康呐c要求、實驗原理、實驗藥品及儀器、實驗操作過程、關(guān)鍵技術(shù)分析(注意事項)、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果討論、實驗總結(jié)、參考資料，要求重點突出對實驗結(jié)果的分析與討論和實驗總結(jié)。

4 教學(xué)效果

4.1 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性

設(shè)計性、研究性實驗需要學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，主張以學(xué)生學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，這就促使他們?nèi)ゲ殚喯嚓P(guān)的文獻資料，了解前人的研究方法，探究實驗原理，從而能有效調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

4.2 了解并實踐科研過程

學(xué)生通過查閱文獻資料、設(shè)計實驗方案、具體操作實驗、分析討論實驗結(jié)果等，每一個環(huán)節(jié)都需要認真考慮，從而培養(yǎng)他們進行科學(xué)研究的方法和思路。

4.3 提高團隊合作能力

設(shè)計性、研究性實驗分小組進行實驗，各小組實驗條件都不相同，每小組由2名學(xué)生共同完成實驗，因此，分工與合作對于實驗的順利完成至關(guān)重要。從實驗前的準備、裝置的搭建、實驗過程的控制、數(shù)據(jù)處理等，都需要每個學(xué)生的團結(jié)協(xié)作。實驗結(jié)束后，每組同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)都需要共享，依此討論各實驗因素對實驗結(jié)果的影響，從中找出實驗的最佳條件。所以實驗的成功與否離不開每組同學(xué)的共同努力與密切配合，從而培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作研發(fā)意識。

4.4 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)

整個項目的實施從培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻、整理資料、實驗操作、結(jié)果分析到全部完成，都強調(diào)學(xué)生在整個過程中的主體地位，加強了學(xué)生獨立思考和解決實際具體問題的能力，能充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，提高他們的創(chuàng)新意識。

5 結(jié)束語

實踐證明，開設(shè)設(shè)計性、研究性實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生進行實驗的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思路和解決實際問題的能力，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的能力，也是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效途徑。

[1] 柳友榮，汪志國，韓志才，等.以生為本 以用為先——池州學(xué)院應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的探索與思考[J].池州學(xué)院學(xué)報，2010，24(4)：123-125.

[2]龔建良，羅衛(wèi)華，吳宇雄，等.高分子材料加工工藝課程中一例綜合設(shè)計性實驗的探討[J].高校實驗室工作研究，2008，98(4)：3-4.

[3]孫伯平，石紅錦，趙偉，等.聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2004，32(9)：9-12.

[4]陳立貴.溶液法制備聚丙烯酸(鈉)高吸水樹脂及其影響因素分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(12)：4813-4814，4931.

[5]胡國文,童向陽.聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的制備與吸水率的影響因素[J].膠體與聚合物，2009，27(2):30-32，43.

[6]馬長捷.聚丙烯酸鈉吸水樹脂聚合方法探索[J].科技風(fēng)，2014，(12):32-33.

[7]程捷，羅云杰，閆紅強.《高分子化學(xué)實驗》課程的教學(xué)改革與學(xué)生實踐能力培養(yǎng)[J].高分子通報，2012(1)：117-119.

[8]朱亞輝，蔡文溪，俞麗珍，等.一例經(jīng)典高分子化學(xué)實的綜合化與創(chuàng)新化[J].化工高等教育，2012(2)：55-58，69.

[9] CHOUDHARY M S.Inverse suspension polymerization of partially neutralized and lightly cross-linked acrylic acid effect of reaction parameters[J].Macromol Symp，2009，277(1)：171-176.

[10]李東芳，李璇，張燕青.聚丙烯酸鈉高吸水樹脂的新工藝合成研究[J].山西大學(xué)學(xué)報，2014，37(3)：98-202.

Exploration and Practice on Design and Research Experiment Teaching

YU Lizhen，NING Chunhua，ZUO Xiaobing，ZHU Yahui

(School of Chemistry and Material Engineering，Changshu Technical Institute，Changshu 215500，China)

Polymer synthesis integrated practical training course is an important practical link in culturing professional talents of polymer materials.This paper takes a design and research experiment in polymer synthesis integrated practical training course (Super absorbent resins—Synthesis and performance analysis of sodium polyacrylate)as an example to introduce the necessity of establishing design and research experiments, teaching content, teaching methods and means, teaching effect.The practical results show that, through the development of design and research experimentation,both the comprehensive analysis ability, problem-solving ability and the innovation ability of student are cultured, thus the overall quality of students are enhanced.

comprehensive practical training；designing experiment；fesearch experiment ；polymer materials

2015-08-16；修改日期:2017-01-09

江蘇省高等教育教改研究項目(2015JSJG556)；常熟理工學(xué)院設(shè)計性、研究性實驗(訓(xùn))項目(2015)。

俞麗珍(1966-)，女，碩士，高級工程師，主要從事高分子材料合成方面的研究和實驗實踐教學(xué)工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.034