《功能高分子》課程中講透高分子物理的基本原理

楊 文 郝文濤 唐龍祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院高分子材料與工程系，安徽 合肥 230009)

1 在《功能高分子》課程中講透高分子物理基本原理的必要性

功能高分子，比如超疏水性高分子和自修復(fù)高分子等等都是當(dāng)前高分子科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1,2]。此外，高分子分離膜、阻燃高分子材料等功能性高分子材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。因此，《功能高分子》不是一門(mén)科普課程，而是引領(lǐng)學(xué)生獨(dú)立思考、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的必經(jīng)之路。

功能高分子是以功能為導(dǎo)向的材料設(shè)計(jì)、合成與制備的結(jié)果，集中體現(xiàn)了高分子化學(xué)、高分子物理的科學(xué)原理及其巧妙應(yīng)用。材料功能的實(shí)現(xiàn)取決于結(jié)構(gòu)，只有深刻理解功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，才能有效地設(shè)計(jì)和制備功能高分子。但是，在功能高分子課程教學(xué)過(guò)程中，往往會(huì)偏向于高分子化學(xué)，即詳細(xì)描述功能高分子的合成路徑。為了更好地培養(yǎng)創(chuàng)新人才，服務(wù)于社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)，有必要在功能高分子課程教學(xué)過(guò)程中講透高分子物理的基本原理。

2 教學(xué)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)涌現(xiàn)出不少功能高分子教學(xué)研究的相關(guān)報(bào)道，歸納起來(lái)，主要進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的教學(xué)研究。

(1) 教學(xué)內(nèi)容：張澤等人[3]提出，要針對(duì)地方高校學(xué)生特點(diǎn)，有選擇性地講授幾大類功能高分子，要緊跟科學(xué)前沿不斷完善和更新教學(xué)內(nèi)容，要緊密聯(lián)系行業(yè)格局與地方經(jīng)濟(jì)突出重點(diǎn)。

(2) 教學(xué)方法：肖谷清等人[4]對(duì)課堂提問(wèn)的增長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的分析，指出在新舊知識(shí)的“聯(lián)系處”提問(wèn)，在概念和原理的“關(guān)鍵處”提問(wèn)等七種提問(wèn)增長(zhǎng)點(diǎn)。李曉東等人[5]探討了在功能高分子課程教學(xué)過(guò)程中實(shí)施研究型教學(xué)的可行性。

(3) 考核方式：楊榮等人[6]探討了基于過(guò)程導(dǎo)向的功能高分子材料課程考核方式改革策略，新的考核方式由出勤、課堂作業(yè)、課后作業(yè)、PPT 演講、綜述小論文等構(gòu)成。

以上教學(xué)改革措施都較好地實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深了學(xué)生對(duì)于功能高分子材料設(shè)計(jì)、合成和制備的理解。但是，目前還沒(méi)有專項(xiàng)研究，討論如何在功能高分子課程教學(xué)過(guò)程中講透高分子物理的基本原理。

3 教學(xué)改革設(shè)想

3.1 教學(xué)內(nèi)容

3.1.1 認(rèn)真設(shè)計(jì)授課內(nèi)容

3.1.2 精心選擇學(xué)生報(bào)告用學(xué)術(shù)論文

功能高分子研究是高分子科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，除需要在課堂上由教師對(duì)常見(jiàn)功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系加以闡述之外，還需要學(xué)生閱讀分析最新的研究報(bào)告，從中體會(huì)功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。功能高分子報(bào)告涵蓋研究范圍廣泛、學(xué)科交叉特色明顯，并非所有報(bào)告都清晰地闡述了功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。因此需要教師精心地選擇學(xué)生報(bào)告用學(xué)術(shù)論文。在近幾年的功能高分子課程中，我們根據(jù)授課內(nèi)容范圍選擇了有關(guān)高吸水性高分子材料、高分子分離膜、仿生功能自修復(fù)高分子材料以及刺激響應(yīng)型高分子材料等方面的SCI論文。以2019年的課程為例，我們分別選擇了 “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting (2019，Adv. Mater)”[8]，“Key-and-lock commodity self-healing copolymers (2018, Science)”[9]，“Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles (2019, Adv. Func. Mater.)”[10]等研究論文。這些研究論文充分體現(xiàn)了功能-結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系，便于學(xué)生在講報(bào)告和聽(tīng)報(bào)告的過(guò)程中體會(huì)。

3.1.3 闡述結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

高分子物理的基本原理告訴我們，實(shí)現(xiàn)高分子功能的根本在于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即近程結(jié)構(gòu)。但是，高分子材料的最終性能不僅取決于化學(xué)結(jié)構(gòu)，還取決于凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。因此，十分有必要在課堂上分別講述清楚功能高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)是如何影響其最終的功能。以《導(dǎo)電高分子材料》章節(jié)為例，本征型導(dǎo)電高分子包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等，它們都具有長(zhǎng)而連續(xù)的共軛結(jié)構(gòu)。而共混型導(dǎo)電高分子包括炭黑、金屬顆粒填充的高分子材料，它們的導(dǎo)電性依賴于導(dǎo)電填料在聚合物基體中形成的逾滲網(wǎng)絡(luò)，即聚合物復(fù)合材料的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。高分子的分子運(yùn)動(dòng)，在決定材料性能方面也有著重要的作用。潘才元老師[11]的研究論文表明，當(dāng)叔胺基團(tuán)被固定在超支化高分子的支化點(diǎn)上，松弛受到限制時(shí)，具有最強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度；當(dāng)叔胺基團(tuán)被連接在線型高分子上時(shí)，分子松弛相對(duì)自由，發(fā)光強(qiáng)度就變得很低。通過(guò)從化學(xué)結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)以及分子運(yùn)動(dòng)角度去闡述功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，有效地鞏固了高分子物理課程中所闡述過(guò)的基本原理，并且為學(xué)生今后從事功能高分子研究工作點(diǎn)亮了一盞明燈。

3.2 教學(xué)方法

3.2.1 案例式教學(xué)法

案例教學(xué)是功能高分子課程的經(jīng)典教學(xué)方法[12]。不講案例，只講原理，相當(dāng)于給學(xué)生搭起了一個(gè)空中樓閣。既不能充分引起學(xué)生共鳴，也不能有效地闡明功能高分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的科學(xué)原理。通過(guò)案例教學(xué)，在上課過(guò)程中列舉大量具體實(shí)例，則能夠很好地將結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系融會(huì)貫通。

在教學(xué)過(guò)程中，首先要從總體上說(shuō)明結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系在《功能高分子課程》中的重要性。結(jié)構(gòu)決定功能，這是高分子物理的基本原理，在各類功能高分子材料中都得到了充分體現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)層次，可以將功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系分為如下幾類：(1)官能團(tuán)的影響；(2)鏈結(jié)構(gòu)的影響；(3)聚集態(tài)的影響；(4)宏觀結(jié)構(gòu)的影響。在各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系上，經(jīng)典案例比比皆是，例如聚丙烯酸帶有大量羧基，能夠與三價(jià)鋁離子形成絡(luò)合，從而能夠構(gòu)成自修復(fù)水凝膠[13]。通過(guò)案例法教學(xué)，在《功能高分子》第一課就能夠引導(dǎo)同學(xué)們運(yùn)用高分子物理基本原理去分析不同類型功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。

其次，在講述每大類功能高分子的過(guò)程中，列舉1～2個(gè)具體實(shí)例，結(jié)合材料性能特點(diǎn)說(shuō)明結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。依據(jù)功能高分子材料的功能分類，大致可以將功能高分子分為：吸附與分離功能高分子、光學(xué)功能高分子、導(dǎo)電高分子、形狀記憶高分子、生物醫(yī)用功能高分子和仿生功能高分子等。在授課過(guò)程中，通過(guò)具體實(shí)例能夠充分說(shuō)明功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。

第三，既要從教材中尋找經(jīng)典案例，也要從最新文獻(xiàn)中尋找合適的案例。優(yōu)秀的功能高分子教材近年來(lái)不斷涌現(xiàn)[14-17]，其中都列舉了大量的實(shí)例，是上課過(guò)程中必不可少的經(jīng)典案例。通過(guò)對(duì)經(jīng)典案例的剖析，能夠使學(xué)生快速把握功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系要點(diǎn)。由于功能高分子的研究是高分子科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，優(yōu)秀的學(xué)術(shù)論文不斷涌現(xiàn)。因此，還十分有必要在《功能高分子》課程教學(xué)過(guò)程中引入最新的研究成果，分析結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)原理的理解。在我們的教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)典案例在第一個(gè)模塊，教師分類別講述功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系中運(yùn)用；而最新案例在第二個(gè)模塊，學(xué)生讀文獻(xiàn)、做報(bào)告、課堂討論過(guò)程中運(yùn)用。

3.2.2 啟發(fā)式教學(xué)

為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的新時(shí)代人才，啟發(fā)式教學(xué)必不可少。通過(guò)啟發(fā)學(xué)生思考教學(xué)案例中功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，達(dá)到訓(xùn)練創(chuàng)新思維、培養(yǎng)突破性思考能力的目的。設(shè)問(wèn)和提問(wèn)，是啟發(fā)式教學(xué)的兩種常見(jiàn)形式。由于《功能高分子》課程具有知識(shí)領(lǐng)域廣泛、學(xué)科交叉明顯的特點(diǎn)，因而十分便于設(shè)置問(wèn)題。設(shè)問(wèn)與提問(wèn)一方面活躍了課堂氣氛，另一方面也有效地提升了學(xué)習(xí)積極性。

在關(guān)鍵點(diǎn)上設(shè)置問(wèn)題對(duì)于《功能高分子》課程教學(xué)十分重要，比如要實(shí)現(xiàn)某種功能，高分子應(yīng)當(dāng)具有怎樣的分子結(jié)構(gòu)？為什么這樣一種組裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)特定的功能？要多問(wèn)幾個(gè)“為什么”。設(shè)問(wèn)后，不用急于給出答案，而是通過(guò)提示，來(lái)引導(dǎo)同學(xué)們積極思考，進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效果。提問(wèn)，并非簡(jiǎn)單地隨機(jī)選擇學(xué)生，而是有意識(shí)地選擇那些已經(jīng)有了初步思考結(jié)果的學(xué)生，或者鼓勵(lì)那些稍許靦腆的學(xué)生來(lái)回答問(wèn)題。教師是教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)者，也是知識(shí)殿堂的引路人。因此，教師必須要在教學(xué)過(guò)程中熟練運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)。

3.2.3 研討式教學(xué)

研討式教學(xué)是《功能高分子》課程中另一個(gè)必不可少的教學(xué)方式[18]。所謂研討，是師生一同研究與討論。在學(xué)生報(bào)告模塊，一般按照每小組4-5人的規(guī)模對(duì)全體學(xué)生進(jìn)行分組，每小組負(fù)責(zé)匯報(bào)一篇近兩年內(nèi)發(fā)表的高水平SCI論文。在學(xué)生報(bào)告后，留下充裕的時(shí)間給其他小組的同學(xué)和任課老師來(lái)提問(wèn)，共同探討報(bào)告中有關(guān)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系的問(wèn)題。這里的提問(wèn)，就不再是以教師為主導(dǎo)，而是以廣大的學(xué)生為主導(dǎo)。每位提問(wèn)的學(xué)生都能從不同的視角和不同的結(jié)構(gòu)層次去提出有關(guān)功能高分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的問(wèn)題。甚至，還能從中發(fā)現(xiàn)報(bào)告論文中的不足之處。不僅能加深學(xué)生對(duì)高分子物理原理在設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)功能高分子中作用的理解，而且還能提升學(xué)生的學(xué)術(shù)鑒賞力。研討式教學(xué)有著非常重要的意義。

在研討式教學(xué)過(guò)程中，教師的作用在于適時(shí)引導(dǎo)和及時(shí)糾正。被提問(wèn)的學(xué)生報(bào)告人有可能較好地回答問(wèn)題，也有可能只能部分地回答問(wèn)題或者不能準(zhǔn)確回答問(wèn)題。這時(shí)候就需要教師及時(shí)出面，引導(dǎo)全體同學(xué)思考，共同回答。

3.2.4 課上課下混合式教學(xué)

功能高分子課程不僅內(nèi)容多、范圍廣，而且前沿性強(qiáng)、理論深度大，因此有限的課時(shí)不能滿足高質(zhì)量的授課要求。課上課下混合式教學(xué)是一個(gè)非常理想的解決途徑。所謂課上，是在教師講授模塊中，由教師提綱挈領(lǐng)地對(duì)功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能原理進(jìn)行講述；所謂課下，是在學(xué)生報(bào)告模塊，由學(xué)生自主閱讀文獻(xiàn)，自主思考，自主歸納總結(jié)，完成報(bào)告。課下教學(xué)還有另一層含義，是指教師與學(xué)生通過(guò)課程QQ群互動(dòng)、研討。

目前，課上課下混合式教學(xué)將逐步發(fā)展為線上線下混合式金課。其主要特點(diǎn)是把記憶、理解、事實(shí)性、概念性知識(shí)的低階學(xué)習(xí)放在課前的線上學(xué)習(xí)，線下課堂教學(xué)重在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造類的高階認(rèn)知訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)高階性教學(xué)目標(biāo)。線上線下混合式金課十分適用于《功能高分子》課程教學(xué)。

3.3 考核方式

3.3.1 提出有效問(wèn)題

如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠提出有效問(wèn)題，就反映了他們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了思考。這里，有效問(wèn)題是指那些并非顯而易見(jiàn)的問(wèn)題，而是需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)思考后才能回答的問(wèn)題。在教師講授模塊和學(xué)生報(bào)告模塊，我們都非常鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)。每人至少提出一個(gè)有效問(wèn)題，并以此為依據(jù)作為基準(zhǔn)評(píng)定成績(jī)，提問(wèn)多的同學(xué)有加分。

3.3.2 學(xué)生報(bào)告

學(xué)生報(bào)告用文獻(xiàn)由教師從高水平期刊選取，選擇那些發(fā)表在近1～2年內(nèi)的最新文獻(xiàn)。文獻(xiàn)通過(guò)競(jìng)標(biāo)方式分發(fā)，由學(xué)生自發(fā)報(bào)名選擇文獻(xiàn)后聯(lián)系同學(xué)成立小組。學(xué)生報(bào)告由小組集體完成，小組成員分別完成閱讀、翻譯、制作PPT和報(bào)告。報(bào)告人通常為競(jìng)標(biāo)人和小組長(zhǎng)。由于需要協(xié)調(diào)組織并且需要對(duì)報(bào)告內(nèi)容有全面和深入的理解，因此報(bào)告人有加分項(xiàng)。學(xué)生報(bào)告結(jié)束，會(huì)有提問(wèn)環(huán)節(jié)，報(bào)告人與小組成員共同回答問(wèn)題。

3.3.3 開(kāi)卷考試

功能高分子課程設(shè)置的意義在于開(kāi)拓視野、引發(fā)思考、提高能力，因此考試形式不用拘泥于傳統(tǒng)的閉卷方式。通過(guò)開(kāi)卷考試，設(shè)計(jì)開(kāi)放性思考題，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)原理理解和運(yùn)用的能力?？荚噧?nèi)容一般由兩部分組成，第一部分為基礎(chǔ)問(wèn)題，考察學(xué)生對(duì)教師授課內(nèi)容和學(xué)生報(bào)告中有關(guān)結(jié)構(gòu)與性能基本原理的理解程度，占比85%左右；第二部分為提高問(wèn)題，考察學(xué)生對(duì)基本原理的運(yùn)用能力，占比15%左右。

4 結(jié)論與展望

功能高分子課程是一門(mén)建立在高分子化學(xué)、高分子物理課程基礎(chǔ)上的專業(yè)選修課，教學(xué)內(nèi)容集中體現(xiàn)了對(duì)于高分子科學(xué)原理的運(yùn)用，學(xué)習(xí)功能高分子課程是學(xué)生走向科研之路的起點(diǎn)。因此，它既是一個(gè)匯集點(diǎn)，也是一個(gè)發(fā)散點(diǎn)。要想上好這門(mén)課，需要教師從兩個(gè)方面持續(xù)努力：第一，要在功能高分子研究上不斷創(chuàng)新，做出高水平的研究工作；第二，要在教學(xué)過(guò)程中不斷思考，持續(xù)修訂教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合新技術(shù)，比如雨課堂，改進(jìn)教學(xué)方法。在點(diǎn)滴間傳遞科學(xué)的思想，讓自己化作一根火柴去點(diǎn)燃學(xué)生心中的智慧之火。