案例教學在高分子化學課程中的探索與實踐

＊薛丹 張笑 史俊 吳亞 趙益霏

（西安石油大學化學化工學院 陜西 710065）

引言

《高分子化學》是高校材料化學類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，是高分子學科的入門課程，該課程主要解決聚合物的結(jié)構(gòu)性能、分子設(shè)計、聚合機理及動力學等問題。在高分子化學研究過程中，以實際工業(yè)生產(chǎn)問題為導向，注重理論與實踐的有機融合，強調(diào)化學基礎(chǔ)與數(shù)理理論的交叉運用，因此又是一門理論性強、內(nèi)容抽象的課程。

為了達到特定的教育目的和學習指定的教學內(nèi)容，以科學研究或?qū)嶋H生產(chǎn)過程的案例為基本教學材料，通過剖析案例中存在的實際問題，將學習者引入教育實踐的情境中，引導其參與分析、討論與表達，從而使學習者在面對復雜教育情境時，具有快速科學的決策能力和執(zhí)行能力，這一系列教學方式的總和稱為案例教學[1-2]。在大力倡導發(fā)展工科教育及提高本科教學整體水平的背景下，案例教學獨特的運行模式和綜合優(yōu)勢頗受關(guān)注[3]，也正在成為工科人才能力培養(yǎng)的有效手段和工科類課程的基本教學法之一。

在學校支持下，近幾年一直開展高分子化學課程教學改革與創(chuàng)新。在教學環(huán)節(jié)中，有針對性地引入科研案例，讓學生積極思考、主動探索，老師及時反饋案例相關(guān)技術(shù)的理論依據(jù)、解決問題思路、具有可操作性的實施方法，幫助學生將抽象的書本理論轉(zhuǎn)化為解決實際問題的具體方法，逐步提高學生思考和解決問題的能力。

1.可實施科研案例的建立

在講授高分子反應(yīng)相關(guān)內(nèi)容時，由于聚合反應(yīng)是微觀的隨機過程，動力學推導需借助微積分、數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學工具，聚合物分子設(shè)計又需要逆向思維[4]，內(nèi)容抽象而且復雜。引入與專業(yè)相近的科研案例，可以讓學生在學習高分子理論知識的同時對專業(yè)有具象化認識。但科研成果未必能很好地將基本理論與物質(zhì)構(gòu)效關(guān)系有機結(jié)合，因此，建立完整的科研案例是十分必要的[5-6]，課程組到油田企業(yè)、相關(guān)技術(shù)院所等單位進行調(diào)查研究，著力職業(yè)崗位分析，將現(xiàn)階段油田用高分子類產(chǎn)品的種類與特點，融入課程教學內(nèi)容，設(shè)計并建立了油田化學專業(yè)特色案例—兩性離子鉆井液體系的構(gòu)建與評價，涵蓋抑制劑的結(jié)構(gòu)特點—分子設(shè)計—反應(yīng)單體的選擇—聚合方法選擇—結(jié)構(gòu)分析及表征的全過程，該案例成功入選陜西省第一批研究生案例教學庫，通過“教師為主導、學生為主體”的課堂形式，培養(yǎng)學生全面分析問題、創(chuàng)新解決問題的能力[7]。

2.案例教學法的應(yīng)用探索

選定案例之后需要對案例進行梳理，要考慮案例中包含的知識點，有針對地設(shè)置問題，有條理地展開問題，有深度地總結(jié)問題（圖1）。加工案例既要注重實踐中的現(xiàn)實問題，又要提升凝練其中隱含的科學理論。通過案例分析推進理論的革新，探索解決現(xiàn)實問題的方法。

圖1 案例教學的實施路徑圖

在教學過程中拿出56個學時中的6個學時進行案例教學法嘗試，以某科學探井地質(zhì)構(gòu)造復雜，漏失現(xiàn)象突出等“卡脖子”問題引出案例，對該井進行鉆井液技術(shù)研究，建立適合該地區(qū)地層特點的鉆井液體系。為了突顯學生的主體地位，呈現(xiàn)高質(zhì)量的判斷和討論環(huán)節(jié)，教師提前告知學生案例的核心內(nèi)容，即鉆井液用高聚物的性能要求、聚合物鉆井液關(guān)鍵劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計、單體選擇、共聚方式等，將學生分成4個小組，每組6～10人圍繞一個主題查閱文獻，教師對學生所選內(nèi)容做介紹，重點強調(diào)應(yīng)包括的課程知識點。

（1）鉆井液用高聚物的性能要求。鉆井液需要具備良好性能以滿足安全快速的鉆進，同時也要具備良好的封堵能力和承壓能力來防止漏失，防止并應(yīng)對井下“噴、漏、卡、塌”復雜情況發(fā)生，同時還要滿足保護儲層、保護環(huán)境的需求，主要體現(xiàn)在以下四個方面：

①需要滿足循環(huán)使用的要求。

②密度適當且穩(wěn)定，保證鉆進全過程中井底及井壁壓力平衡。

③濾失量小且對地層中黏土的水化作用弱、泥餅薄而韌、固相含量適當?shù)取?/p>

④保護環(huán)境和生態(tài)，無害、無毒。

（2）關(guān)鍵劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計。鉆井液中常采用共聚物作為抑制劑，共聚物具有以下結(jié)構(gòu)特點（圖2）。

圖2 共聚物抑制劑的結(jié)構(gòu)特點

（3）反應(yīng)單體的選擇。根據(jù)上述分子設(shè)計可知，所選單體均應(yīng)含有不飽和雙鍵以滿足共聚需要，同時-C-C-鍵鍵能極高，可提供優(yōu)良的抗溫性能。親水基團大致可分為三類：陽離子類（季銨基團）、陰離子類（-SO32-、-COOH等）和極性非離子類（-OH、-O-、-CONH2等）。含酰胺基、羧基、胺基等的物質(zhì)易降解。

（4）聚合方法選擇。一般烯類單體聚合機理的選擇原則如圖3所示。

圖3 烯類單體聚合機理的選擇原則

學生分成4組準備教學內(nèi)容，查閱資料，了解與案例內(nèi)容相關(guān)的背景知識。案例內(nèi)容準備完成后，每組學生推選1～3名組員上臺講述。指導教師通過啟發(fā)設(shè)問等調(diào)動大家積極性，共同參與討論以提升他們的溝通能力并及時記錄學生討論中的不足，總結(jié)案例所蘊含的聚合理論及構(gòu)效規(guī)律，使學生獲取全面系統(tǒng)的理論認知和實踐認知，具體流程如圖4所示。

圖4 具體案例流程圖

經(jīng)過同學討論、老師反饋，大家一致形成以下案例結(jié)論：以二甲基二烯丙基氯化銨、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮三種單體，通過自由基聚合方式制備抗高溫抑制劑[8]。根據(jù)烯類單體聚合方法選擇原則，三種單體共聚可采用陰離子或自由基聚合的任一種方式，從反應(yīng)條件的經(jīng)濟性角度考慮，陰離子聚合需要在無氧無水環(huán)境下進行，反應(yīng)條件較為苛刻，故本案例選用自由基聚合來進行聚合物的合成。

3.案例教學法的反饋

案例教學可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的敏銳性，提高學生理論聯(lián)系實際、解決問題的能力。案例教學在高分子化學教學中已經(jīng)實施了3年，學生學習興趣濃厚，課堂氣氛活躍，期末平均成績連年增加，優(yōu)秀率也從原來的18%提升到了40%以上。尤其教學過程采取“設(shè)疑（提出問題）—假想（設(shè)計解決問題方案）—釋疑（講解案例解決的技術(shù)途徑）”模式，極大地激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，學生獨立思考解決問題的能力也有顯著提升。

案例教學模式的實施結(jié)果表明，在基礎(chǔ)理論知識講授中穿插相關(guān)的應(yīng)用性案例是一種非常有效的教學方式[9]。教學過程中的積極互動與高效反饋，增強了學生的自學能力，激發(fā)了學生積極思考、主動參與、深入探索的欲望，學生積極參加各種化學實驗競賽，均取得不俗的成績，如全國大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽的參賽作品“聚苯乙烯多孔微球的乳液聚合及其驅(qū)油性能研究”，將高分子化學中分散聚合理論和油田化學實驗單元操作整合；“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作品“改性石墨烯凈化空氣裝置”利用高分子理論完成材料的功能改性，并設(shè)計裝置進行空氣凈化，將所學知識兼容貫通來解決實際問題，中國大學生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的參賽作品“CO2響應(yīng)凝膠驅(qū)油實驗研究”是將智能材料引入油田作業(yè)，獲取優(yōu)異的驅(qū)油性能，學生參賽的同時授權(quán)發(fā)明專利一項。

4.結(jié)語

將案例教學與理論教學有機結(jié)合，形成了獨特視角提出問題、溝通合作分析問題、高效反饋解決問題的授課模式。案例教學的實施不但可以調(diào)動學生主動探索的內(nèi)在動力，也可有效提升授課教師理論聯(lián)系實際的基本功和科研反哺教學的能力,在以后的教學實踐中,還需根據(jù)最新研究成果不斷豐富完善案例庫，契合工科教育不斷創(chuàng)新的實踐需要。