新工科背景下“高分子化學(xué)”課程教學(xué)改革探索

李瑞琦，王玉丹，宮琳丹

（哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

“高分子化學(xué)”是研究高分子化合物合成和反應(yīng)的一門科學(xué)，是化工和材料類專業(yè)學(xué)生在具備了必要的有機化學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)知識之后，必修的專業(yè)主干課。該課程為高分子材料的制備和功能化提供重要的專業(yè)基礎(chǔ)知識，是學(xué)生將來從事高分子材料研發(fā)和生產(chǎn)必備的理論基礎(chǔ)，在專業(yè)課程體系中起著關(guān)鍵性作用。然而，由于該課程知識點繁瑣，涉及概念、原理抽象，學(xué)生普遍反映難以理解，學(xué)習(xí)效果不佳，而且，在新工科背景下，傳統(tǒng)的理工科已不足以應(yīng)對社會發(fā)展，需要重構(gòu)一些核心知識，重新整合課程體系，以實現(xiàn)更新的教育理念、更好的教學(xué)模式、更高的教育質(zhì)量，滿足大學(xué)畢業(yè)生創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的需求，使畢業(yè)生能支撐新興產(chǎn)業(yè)，甚至創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域。

按照新工科的要求，本文根據(jù)“高分子化學(xué)”等工科專業(yè)的特點，結(jié)合以往教學(xué)授課經(jīng)驗，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實踐性教學(xué)方法等方面進行了一系列的探索，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出滿足新工科建設(shè)要求的綜合型高分子材料類專業(yè)人才。

1 “高分子化學(xué)”課程的內(nèi)容和特點

“高分子化學(xué)”主要是學(xué)習(xí)如何以小分子原料合成高分子化合物的原理和方法，通過學(xué)習(xí)縮聚與逐步聚合、自由基聚合、自由基共聚合、離子聚合、配位聚合、開環(huán)聚合和聚合物化學(xué)反應(yīng)等內(nèi)容[1]，使學(xué)生掌握高分子合成的原理和方法，明確如何尋找合適的單體和引發(fā)劑及合適的反應(yīng)條件，以合成預(yù)定結(jié)構(gòu)的聚合物。

“高分子化學(xué)”課程涉及基本概念繁多，學(xué)生記憶有困難[2]。以第一章內(nèi)容為例，高分子的基本組成就涉及到重復(fù)單元（鏈節(jié)）、結(jié)構(gòu)單元和單體單元；談到高分子的分子量，聚合物往往是同系聚合物的混合物，因此具有分散性，測得的分子量為平均分子量，又分為數(shù)均分子量、重均分子量、Z 均分子量、粘均分子量，分別對應(yīng)不同的測試方法；聚合物命名也有多種方法，僅習(xí)慣命名法就有中文和英文俗名，諸如PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物）等需要識記。另外，“高分子化學(xué)”課程中有些原理抽象，難以理解。諸如自由基聚合反應(yīng)和離子聚合反應(yīng)以及配位聚合反應(yīng)和開環(huán)聚合反應(yīng)的反應(yīng)機理，單體結(jié)構(gòu)對反應(yīng)類型的選擇和判定，聚合反應(yīng)過程中影響聚合物分子量的鏈轉(zhuǎn)移因素等。高分子的立體異構(gòu)也是一個抽象而不好掌握的難點，學(xué)生往往將構(gòu)型和構(gòu)象混淆。構(gòu)型是分子中由化學(xué)鍵所固定的原子在空間的幾何排列，這種排列是穩(wěn)定的，要改變構(gòu)型需經(jīng)過化學(xué)鍵的斷裂和重組；構(gòu)象是由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)，由于熱運動，分子的構(gòu)象是可以改變的，因此高分子鏈的構(gòu)象是統(tǒng)計性的。

2 “高分子化學(xué)”課程教學(xué)改革的幾點探索

2.1 抓住經(jīng)、緯線，有效梳理知識結(jié)構(gòu)

盡管“高分子化學(xué)”課程所涉及知識點浩繁，貌似雜亂無章難以梳理，學(xué)生覺得難學(xué)，老師覺得難教，其實不然。經(jīng)過細心總結(jié)，你會發(fā)現(xiàn)這門課程各章節(jié)知識點之間有著很強的規(guī)律性。正如“高分子化學(xué)”教材作者潘祖仁老先生在書序中指出，“以聚合反應(yīng)和聚合物化學(xué)反應(yīng)作主經(jīng)線，以聚合物品種作副緯線，相互交織深化”。

高分子合成的聚合反應(yīng)按照聚合機理可以分為由活性中心引發(fā)單體聚合的連鎖聚合反應(yīng)，和無活性中心，單體通過官能團間相互反應(yīng)而發(fā)生的逐步聚合反應(yīng)。大部分縮聚反應(yīng)屬于逐步聚合機理，對應(yīng)于教材中第二章內(nèi)容：縮聚和逐步聚合，介紹縮聚反應(yīng)，縮聚反應(yīng)的機理，縮聚動力學(xué)，縮聚物聚合度及其分布，這是清晰的經(jīng)線（縱向），接下來聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺等典型縮聚物的介紹就是緯線（橫向），將抽象的機理、動力學(xué)等知識通過具體例子進行闡述說明。再來看由活性中心引發(fā)的連鎖聚合反應(yīng)，當活性中心是自由基時，對應(yīng)第三章內(nèi)容：自由基聚合，介紹自由基聚合反應(yīng)特點和自由基產(chǎn)生體系，自由基聚合機理，聚合動力學(xué)，聚合物的聚合度及其分布，講解說明過程中引用乙烯、氯乙烯、苯乙烯等單體聚合的典型例子。接下來討論了聚合單體為兩種不同結(jié)構(gòu)單體時的聚合反應(yīng)規(guī)律，對應(yīng)第四章內(nèi)容：自由基共聚合。自由基聚合反應(yīng)的具體實施工藝，對應(yīng)第五章內(nèi)容：聚合方法，分別為本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合。當活性中心為離子時，對應(yīng)的是第六章內(nèi)容：離子聚合。活性中心為陰離子，對應(yīng)的陰離子聚合，活性中心為陽離子時，對應(yīng)的為陽離子聚合，具體授課內(nèi)容為反應(yīng)體系、聚合機理和聚合反應(yīng)動力學(xué)。第七章的配位聚合是陰離子聚合性質(zhì)，第八章的開環(huán)聚合反應(yīng)屬于離子聚合性質(zhì)，均遵循陰、陽離子聚合反應(yīng)原理。前八章介紹了高分子的合成反應(yīng)特點（高分子生成），第九章介紹高分子之間所能發(fā)生的反應(yīng)及其衍生出的功能高分子，為另一門課程“功能高分子”奠定了基礎(chǔ)。

2.2 講述科學(xué)故事，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生在大量專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程中常常會覺得枯燥乏味，我們可以講講自然規(guī)律、科學(xué)原理發(fā)現(xiàn)背后的科學(xué)故事，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對高分子科學(xué)的熱愛。比如，緒論部分關(guān)于高分子科學(xué)的形成和發(fā)展就蘊藏著一段科學(xué)故事。什么是高分子呢？追溯高分子的發(fā)展歷史，人們對高分子的認識和發(fā)展經(jīng)歷了一段曲折的過程。1861 年，英國化學(xué)家格雷阿姆認為高分子是由小的結(jié)晶分子形成，提出了高分子的膠體理論。在一定程度上解釋了某些高分子的特性，得到許多化學(xué)家的認可。直到1922 年，德國化學(xué)家施陶丁格在研究天然橡膠加氫過程中得出高分子是由長鏈大分子構(gòu)成的觀點。這一觀點一經(jīng)提出，就遭到膠體論者的強烈反對和譏諷。但施陶丁格仍然堅持開展相關(guān)課題的深入研究，直到1926 年瑞典化學(xué)家斯維德貝格測量出蛋白質(zhì)的分子量，從而證明了施陶丁格大分子理論的正確性。通過講述科學(xué)故事，不僅激發(fā)了學(xué)生對高分子學(xué)科的興趣和熱愛，還培養(yǎng)了學(xué)生敢于質(zhì)疑權(quán)威、維護真理的求是科學(xué)精神。在高分子學(xué)科，這樣的科學(xué)巨匠不勝枚舉，美國化學(xué)家Flory 也是其中之一。他通過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)聚合物增長鏈的活性與它的末端結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與高分子鏈的長度無關(guān)，并采用統(tǒng)計學(xué)方法推導(dǎo)出高分子分子量的數(shù)學(xué)表達式，稱為“弗洛里分布”。專業(yè)教師在課堂上講述這些科學(xué)故事的同時，要引導(dǎo)學(xué)生在國家新工科發(fā)展理念下，追求精益求精的“工匠精神”。

2.3 研討性教學(xué)，變被動學(xué)為主動學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師講，學(xué)生聽，學(xué)生一開始還能精神飽滿，漸感枯燥后可能會跟不上教師思路，于是思想和精神也開小差去了，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果差。為了更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，我們教學(xué)團隊在傳統(tǒng)教學(xué)模式中融入研討式教學(xué)方法[3]。每次課上根據(jù)當次授課內(nèi)容為學(xué)生布置課下討論問題，于下次課上進行研討，可采取主動發(fā)言或隨機抽查的方式來進行，以便學(xué)生對授課內(nèi)容有更好的理解。另外還可根據(jù)授課內(nèi)容安排一到二次學(xué)生的報告機會，鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生課下查閱文獻，培養(yǎng)學(xué)生主動獲取知識的自學(xué)能力。比如，在講授第五章聚合方法時，伴隨乳液聚合技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出種子乳液聚合、核殼乳液聚合、微乳液聚合等一系列新的乳液聚合技術(shù)。教師講授了經(jīng)典乳液聚合的基本概念、機理和動力學(xué)，可以讓學(xué)生根據(jù)聚合速率、微結(jié)構(gòu)、分子量及其分布等控制目標，結(jié)合乳膠粒度和粒度分布、顆粒結(jié)構(gòu)和形貌、表面積等影響因素，講述對新的乳液聚合方法的認識并列舉實例。

有效的師生互動有助于提高學(xué)生在“高分子化學(xué)”學(xué)習(xí)過程中對知識的理解與掌握，形成正確的“高分子化學(xué)”學(xué)習(xí)方法和思維模式[7]。教師在研討式互動過程中完成了“教”的任務(wù)，同時也和學(xué)生一起延伸“學(xué)”的活動。討論過程方便教師及時準確地發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)上存在的問題，不斷地對教學(xué)內(nèi)容進行必要恰當?shù)母?。傳統(tǒng)的課堂線下教學(xué)教師和學(xué)生可以問答互動，討論研究。即使疫情期間的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教師與學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺如雨課堂中的彈幕互動、騰訊會議教學(xué)模式中的小窗口對話來進行高效高質(zhì)的師生活動。

2.4 結(jié)合實驗、實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生科研實踐能力

為使學(xué)生加深認識和理解高分子科學(xué)理論，有必要配套開設(shè)“高分子化學(xué)實驗”課程，讓學(xué)生自己動手進行高分子合成。在學(xué)習(xí)自由基聚合時，許多單體聚合至10%轉(zhuǎn)化率后，都出現(xiàn)明顯自動加速現(xiàn)象，即凝膠效應(yīng)。以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為例，進行本體聚合時，轉(zhuǎn)化率低于10%，聚合體系從流動液體轉(zhuǎn)變成粘滯狀，轉(zhuǎn)化率為10%~50%，體系從粘滯狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，加速明顯，直至80%轉(zhuǎn)化率才減速終止。出現(xiàn)凝膠效應(yīng)的原因，鏈自由基的終止反應(yīng)包括鏈自由基的平移、鏈段重排和雙基化學(xué)反應(yīng)。隨著反應(yīng)進行，體系粘度增加，鏈段重排受阻，鏈終止速率常數(shù)kt下降；40%轉(zhuǎn)化率時，kt降低上百倍而kp變化不大，導(dǎo)致聚合反應(yīng)加速。甲基丙烯酸甲酯本體聚合體系的微觀動力學(xué)變化可以體現(xiàn)宏觀體系特征，從實驗現(xiàn)象可以明顯觀察到自由基聚合的凝膠效應(yīng)，因此強調(diào)學(xué)生的實驗課程效果，有助于深入理解“高分子化學(xué)”課程的理論知識。

另外，新工科背景下，需要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，可通過推行“本科生導(dǎo)師”制，為學(xué)生創(chuàng)造科研工作機會[4]。教師可根據(jù)自己的研究方向給學(xué)生提出研究導(dǎo)向，指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻資料，制定實驗方案，并開展實驗、測試以及數(shù)據(jù)分析和整理。這些過程不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新能力，為以后的科研活動打下堅實基礎(chǔ)[5-6]。比如，高分子材料因為所具有的緩釋、控釋和靶向作用而廣泛作為藥物基因載體應(yīng)用，不僅可以提高藥物療效，還能提高藥物的安全性、合理性和精密性。其中，對藥物起到保護和運輸功能的載體就是通過兩親嵌段共聚物組裝而形成的具有疏水性的核和親水性的殼（“核-殼”）結(jié)構(gòu)的膠束。嵌段共聚物聚乳酸聚丙烯酸是通過陰離子開環(huán)聚合和RAFT 聚合相結(jié)合的方法合成的。學(xué)生在實驗過程中反復(fù)熟練課堂學(xué)習(xí)的陰離子開環(huán)聚合原理知識，真正做到活學(xué)活用。而且，應(yīng)用到的RAFT聚合是可控自由基聚合技術(shù)中的一種，讓學(xué)生在實際操作中體會“引入自由基控制劑，實現(xiàn)快引發(fā)、慢增長、無鏈轉(zhuǎn)移和無鏈終止的活性自由基聚合技術(shù)”，不僅使學(xué)生對所學(xué)知識領(lǐng)悟深刻，還能培養(yǎng)學(xué)生的開拓鉆研精神。

此外，教師還可以鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)和團隊合作精神，開闊視野，拓寬未來發(fā)展平臺。用科研和科創(chuàng)活動促進學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識，有利于學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際，并且將理論和實踐有機結(jié)合，有效避免了課堂灌輸?shù)目菰锓ξ叮⒔逃谘?，更好地發(fā)揮科學(xué)育人的目的。

3 結(jié)束語

為應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命，將培養(yǎng)具有競爭力的科技創(chuàng)新型人才作為新工科培養(yǎng)目標，本文在這種大背景下對“高分子化學(xué)”課程的教學(xué)改革進行了探索。提出以經(jīng)、緯線編織知識網(wǎng)，建立知識體系內(nèi)部框架；挖掘科學(xué)知識背后的故事，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)科學(xué)精神；采用研討性教學(xué)模式，變學(xué)生被動式學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)；緊密結(jié)合科學(xué)實驗和科研實踐，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。通過以上舉措，在教學(xué)科研結(jié)合的氛圍中實現(xiàn)師生互動，專業(yè)課堂才能成為培育科技型創(chuàng)新人才的重要途徑。