在課堂教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力
——以功能高分子課程為例

楊 文 郝文濤 殷 俊 汪 瑾 張大偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 在高等教育階段培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力是時(shí)代的要求

歷史的經(jīng)驗(yàn)表明，科技創(chuàng)新是大國崛起的基礎(chǔ)[1,2]。自工業(yè)革命以來，世界范圍內(nèi)英、德、美、日等國的崛起，無一不是依靠強(qiáng)大的科技創(chuàng)新能力作為支撐。當(dāng)前，我國正處于重新崛起的偉大歷史復(fù)興進(jìn)程中，科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的根本。無論是基礎(chǔ)科學(xué)研究，還是應(yīng)用技術(shù)研究，都需要大量的具備科技創(chuàng)新能力的人才。高等院校是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的搖籃，在教學(xué)過程中著力培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力是當(dāng)今時(shí)代迫切的要求。

2 科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的幾個(gè)要素

2.1 能夠融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論

在當(dāng)今國情條件下，科技創(chuàng)新能力是科技人員面對(duì)科學(xué)或技術(shù)上的現(xiàn)實(shí)問題，提出新的解決辦法的能力。要具備這種能力，必須能夠融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論，才能熟練運(yùn)用基礎(chǔ)理論去指導(dǎo)科學(xué)或技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)。但是，低年級(jí)大學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往還沿用了高中階段的學(xué)習(xí)方法，即孤立地學(xué)習(xí)每一門功課，包括重要的基礎(chǔ)課程，比如高分子材料專業(yè)大綱要求的“有機(jī)化學(xué)”和“物理化學(xué)”等。甚至在高年級(jí)學(xué)習(xí)過程中，對(duì)于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，包括“高分子化學(xué)”和“高分子物理”，也依然存在彼此割裂的狀態(tài)。這種學(xué)習(xí)方式，不利于科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。僅僅掌握高分子化學(xué)合成方法，不懂得運(yùn)用高分子物理知識(shí)，不能有效地根據(jù)性能需要設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而合成新聚合物；僅僅了解高分子物理課程中講述的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，不會(huì)運(yùn)用高分子化學(xué)合成方法，也不能創(chuàng)造新的聚合物材料。因此，在大學(xué)里有必要開設(shè)新課程，比如“功能高分子”，提供融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論的平臺(tái)，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中改變學(xué)習(xí)方式，以增強(qiáng)其科技創(chuàng)新能力。

2.2 具備開闊的視野

在經(jīng)濟(jì)與科技全球化的大背景下，科技創(chuàng)新不是閉門造車，而是充分運(yùn)用國內(nèi)外已報(bào)道的科學(xué)原理和技術(shù)方法，結(jié)合本領(lǐng)域、本單位的實(shí)際需求，實(shí)施漸進(jìn)性改造、乃至突破性創(chuàng)造的科研活動(dòng)。無論是繼續(xù)讀研、讀博還是畢業(yè)后進(jìn)入企業(yè)，高年級(jí)的大學(xué)生們都將很快走向科研工作的第一線。因此，在校期間就要著力開闊視野，了解本專業(yè)在國際上的科技發(fā)展前沿，并深入了解國家科技發(fā)展的實(shí)際需求。在專業(yè)課程，如“高分子化學(xué)”和“高分子物理”的授課過程中，合肥工業(yè)大學(xué)教師已經(jīng)適當(dāng)?shù)貙W(xué)科發(fā)展的最新報(bào)道融入到了課堂教學(xué)中去[3]。但是，往往由于受到總課時(shí)限制而無法系統(tǒng)地對(duì)國際科技發(fā)展前沿做更廣泛的介紹，也無法對(duì)國家科技發(fā)展需求做細(xì)致、展開的分析。另一方面，上述專業(yè)課程是學(xué)生奠定專業(yè)基礎(chǔ)的關(guān)鍵課程，需要講深、講透，不宜過分強(qiáng)調(diào)前沿性。因此，有必要在“功能高分子”等課程的授課過程中，廣泛地介紹國際上科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，國家、地方、行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。

2.3 掌握發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的要領(lǐng)

科技創(chuàng)新能力的最終體現(xiàn)，是創(chuàng)造性地解決科學(xué)研究或技術(shù)開發(fā)中的實(shí)際問題。在具備融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論以及具備開闊視野的基礎(chǔ)上，還需要教給學(xué)生基本的科研方法，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。目前，許多高校已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程、大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目等不同角度、不同層面為提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力做出了努力。比如，在合肥工業(yè)大學(xué)2019版教學(xué)大綱修訂過程中，突出強(qiáng)調(diào)加大開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例；近兩年的大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)過程中，涌現(xiàn)出一大批高水平、挑戰(zhàn)性項(xiàng)目，包括“健康環(huán)保高彈性儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)與電化學(xué)性能研究”等。但是，目前的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程多以驗(yàn)證為主，對(duì)提高學(xué)生創(chuàng)新能力作用有限。通過參與大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，雖然能夠較好地提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，但是不能覆蓋所有學(xué)生，作用也有限度。如果能夠在課堂教學(xué)過程中，給予學(xué)生系統(tǒng)性的科研方法指導(dǎo)，能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)以及大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的不足。由于在專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中，重在夯實(shí)基礎(chǔ)，因此科研方法訓(xùn)練不可避免地就要落實(shí)到“功能高分子”等課程中。

3 “功能高分子課程”是肩負(fù)培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力重任的課程

功能高分子是具有特殊結(jié)構(gòu)和性能以及特殊用途的高分子材料，設(shè)計(jì)和合成功能高分子需要有扎實(shí)的高分子化學(xué)和高分子物理理論知識(shí)作為基礎(chǔ)，并且需要熟練運(yùn)用高分子化學(xué)合成技巧和高分子物理理論指導(dǎo)合成過程、分析結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。比如，為了闡明一類特殊的非共軛類型的脂肪族超支化聚合物的熒光性質(zhì)，就要運(yùn)用高分子化學(xué)知識(shí)合成具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物；在合成之后，還要依據(jù)高分子物理中有關(guān)聚合物結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基本原理，對(duì)聚合物的熒光性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系加以分析。上述討論過程中所提到的非共軛熒光超支化聚合物是一類典型的功能高分子——光致發(fā)光高分子[4]。可以看出，“功能高分子課程”能夠提供這樣一個(gè)平臺(tái)，能夠使學(xué)生更加深刻地理解高分子科學(xué)的基本原理，并且能促進(jìn)其融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論。

功能高分子研究是當(dāng)前高分子材料研究的熱點(diǎn)和前沿，國際頂級(jí)期刊，包括Nature，Science上發(fā)表的有關(guān)高分子材料研究的成果無一不與功能高分子相關(guān)。在近二十年內(nèi)，中國學(xué)者在功能高分子研究領(lǐng)域緊緊貼合國家科技發(fā)展戰(zhàn)略，在新興的柔性導(dǎo)電材料領(lǐng)域、自修復(fù)材料領(lǐng)域、超疏水/超疏油表界面領(lǐng)域等各個(gè)方面做出了突出的貢獻(xiàn)。比如，合肥工業(yè)大學(xué)的從懷萍教授連續(xù)在Nature子刊上發(fā)表研究論文，報(bào)道了具有自修復(fù)功能和導(dǎo)電功能的高分子水凝膠[5,6]。這些自修復(fù)導(dǎo)電材料在不久的將來有可能用于可穿戴電子設(shè)備、柔性電子電路，對(duì)于提高生活質(zhì)量、提升健康監(jiān)測水平以及服務(wù)國防事業(yè)都有著重要的貢獻(xiàn)。再比如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的俞書宏教授在Nature Nanotechnology上報(bào)道了基于三聚氰胺海綿的具有焦耳效應(yīng)且能夠連續(xù)吸收高粘度原油的油水分離材料[7]。這種材料在防治海上原油泄漏、清理工業(yè)廢水污染以及處理餐廚垃圾等諸多方面都有重要的應(yīng)用，對(duì)于我國的海洋石油開采、遠(yuǎn)洋石油運(yùn)輸以及環(huán)境保護(hù)方面都有著重要的價(jià)值?！肮δ芨叻肿印闭n程能夠充分地向?qū)W生展現(xiàn)國際上最新的科技成果，極大地開闊學(xué)生的視野，使學(xué)生清晰地了解國家科技發(fā)展的實(shí)際需求。

功能高分子研究不僅著眼于實(shí)際需求，而且也面向未來人類社會(huì)發(fā)展的需要，是科學(xué)與技術(shù)研究的前沿。與功能高分子材料相關(guān)研究報(bào)道不僅體現(xiàn)了先進(jìn)的科研思想，也體現(xiàn)了科學(xué)的研究方法。2012年潘才元老師等人在JACS上發(fā)表了有關(guān)含三級(jí)胺基團(tuán)的熒光超支化聚合物的研究論文[8]。在這個(gè)研究充分體現(xiàn)了科研方法所包含的三個(gè)主要方面：(1)發(fā)現(xiàn)問題(含三級(jí)胺的分子在氣態(tài)下能夠發(fā)生熒光，但是在液態(tài)下卻不發(fā)光，三級(jí)胺的碰撞松弛可能是導(dǎo)致其熒光淬滅的重要原因)；(2)指出解決問題的可能思路(通過將三級(jí)胺限制在支化點(diǎn)上，抑制碰撞松弛，有可能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的熒光發(fā)射，從而在一定程度上闡明三級(jí)胺的發(fā)光機(jī)理)；(3)提出解決問題的方案(設(shè)計(jì)合成含三級(jí)胺的超支化聚合物，并設(shè)計(jì)合成含主鏈三級(jí)胺的線型聚合物和含側(cè)基三級(jí)胺的線型聚合物進(jìn)行對(duì)比)。研究結(jié)果表明：超支化聚合物的熒光強(qiáng)度最高，而其他兩種聚合物的熒光強(qiáng)度很弱；這一結(jié)果充分驗(yàn)證了通過限制三級(jí)胺的碰撞松弛能夠獲得強(qiáng)的熒光發(fā)射。2019年余桂華等人在Adv. Mater.上報(bào)道了一種能夠高效吸收空氣中水分的聚合物材料，這種材料將能夠用于解決干旱地區(qū)人們的飲用水問題[9]。同樣的，這篇報(bào)道中也充分體現(xiàn)了科研方法所包含的三個(gè)主要方面：(1)發(fā)現(xiàn)問題(現(xiàn)有吸收空氣中水分的材料多為超吸濕材料，吸水能力強(qiáng)，但是卻因此無法將所吸收的水分釋放出來)；(2)指出解決問題的可能思路(通過將溫敏性聚合物與超強(qiáng)吸濕聚合物結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用溫敏性聚合物受熱體積相變的原理，在太陽光照射升溫后將超強(qiáng)吸濕聚合物所吸收的水分?jǐn)D壓釋放出來)；(3)提出解決問題的方案(設(shè)計(jì)并合成聚N-異丙基丙烯酰胺與聚吡咯的互穿網(wǎng)絡(luò)，研究互穿網(wǎng)絡(luò)的吸水與鎖水機(jī)理，研究在機(jī)械擠壓以及受熱相變過程中的水分釋放過程，等)。通過對(duì)功能高分子研究領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)報(bào)道的分析可以發(fā)現(xiàn)，在“功能高分子”課程授課過程中適當(dāng)?shù)剡x取典型性的實(shí)例并細(xì)致分析，能夠給予學(xué)生以系統(tǒng)性的科研方法指導(dǎo)，配合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課程以及大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，利于培養(yǎng)和提升學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

4 “功能高分子”課程主講人、授課內(nèi)容、授課方式是培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的關(guān)鍵

在教學(xué)大綱中設(shè)置“功能高分子”課程是提升大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的充分條件，不斷提升“功能高分子”課程主講人的科學(xué)素養(yǎng)、合理選擇授課內(nèi)容、優(yōu)化授課方式則是培養(yǎng)和提升大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的必要條件。作為“功能高分子”課程的主講人，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)過國家級(jí)自然科學(xué)基金項(xiàng)目或省部級(jí)課題，并且能夠連續(xù)在功能高分子研究領(lǐng)域發(fā)表高水平論文。只有在科學(xué)研究過程中，不斷深化對(duì)功能高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系認(rèn)識(shí)，才能在教學(xué)實(shí)踐中將這種認(rèn)識(shí)融入到每堂課的教學(xué)過程里。功能高分子的研究范圍很廣，因此傳統(tǒng)的功能高分子的授課內(nèi)容包括“吸附、分離功能高分子材料”、“導(dǎo)電高分子材料”、“生物醫(yī)用高分子材料”、“光功能高分子材料”等諸多方面。在授課過程中，合理選擇廣度與范圍是一個(gè)重要的問題。功能高分子的研究可以做到非常深入。比如在2018年Science上發(fā)表的論文“Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking”就深入地分析了聚合物材料的自修復(fù)機(jī)理，提出了不規(guī)則氫鍵概念以及醚鍵在分子間氫鍵交換過程中起到了臨時(shí)受體作用等關(guān)鍵點(diǎn)[10]。這種研究深度能夠?yàn)楸究齐A段的學(xué)生所理解和掌握？“功能高分子”課程的授課深度也是一個(gè)重要的問題?？傮w來說，合理選擇授課內(nèi)容非?？简?yàn)授課教師對(duì)課程的把握能力。授人以魚不如授人以漁，要上好“功能高分子”課程，不能僅僅依賴教師的上課講授。每個(gè)人創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升，從來都不是課堂灌輸?shù)慕Y(jié)果，而是思考與實(shí)踐的結(jié)果。在“功能高分子”教學(xué)過程中，要充分發(fā)揮同學(xué)們的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)他們閱讀最新的科技文獻(xiàn)，在課堂上作報(bào)告。引導(dǎo)他們在閱讀文獻(xiàn)過程中有意識(shí)地思考三個(gè)方面的問題：“為什么？做什么？怎么做？”從發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)定方案三個(gè)方面去剖析文獻(xiàn)，在讀文獻(xiàn)的過程中領(lǐng)會(huì)科研的要領(lǐng)，培養(yǎng)與提升創(chuàng)新能力。

5 結(jié)束語

“功能高分子”課程能夠有效促使學(xué)生融會(huì)貫通基礎(chǔ)理論，具備開闊的科研視野，掌握發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的方法。為此，“功能高分子”課程主講人必須提高自己的科研能力，合理設(shè)定授課內(nèi)容的廣度與深度，并不斷優(yōu)化授課方式?！肮δ芨叻肿印闭n堂教學(xué)要持續(xù)深化改革，通過緊密配合其他教改措施，為培養(yǎng)和提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力做出積極的貢獻(xiàn)。