“高分子化學(xué)”課程教學(xué)與核心素養(yǎng)的融合

侯桂香 尚宏周 石 強(qiáng) 閆 莉

(華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

高等教育是學(xué)生步入社會(huì)前的最后一環(huán),高等教育的任務(wù)是從社會(huì)發(fā)展需求出發(fā),培養(yǎng)學(xué)生具有與之相適應(yīng)的必備品格和關(guān)鍵能力[1,2]。2016年,教育部頒布《學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》,指出學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與三個(gè)方面,綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)[3]。課程是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)的重要載體,高等學(xué)校課程教學(xué)應(yīng)將核心素養(yǎng)融入教學(xué)過(guò)程的始終,將核心素養(yǎng)與已有課程體系、知識(shí)內(nèi)容相聯(lián)系、融合[4],利用好課程教學(xué)這個(gè)重要環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力與素養(yǎng)的合體。

“高分子化學(xué)”課程是高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)的必修課,課程主要內(nèi)容涉及高分子化合物的合成反應(yīng)原理、規(guī)律特征[5]。通過(guò)課程學(xué)習(xí)提高學(xué)生對(duì)高分子科學(xué)的興趣,使之具有合成預(yù)定高分子材料以及解決合成過(guò)程問(wèn)題的工程能力,形成環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展的理念,具備自主和繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力。因此,在核心素養(yǎng)理念指引下,挖掘課程知識(shí)所蘊(yùn)含的人文、社會(huì)、科研等素養(yǎng)理念,將抽象的理論知識(shí)與素質(zhì)提高、成長(zhǎng)發(fā)展相結(jié)合,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,樹(shù)立專(zhuān)業(yè)信心,以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和素質(zhì)培養(yǎng)的雙效達(dá)成。作者在“高分子化學(xué)”課程教學(xué)過(guò)程中,嘗試將核心素養(yǎng)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)相融合,對(duì)課程中蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)進(jìn)行了分析。

1 了解高分子材料的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生專(zhuān)業(yè)認(rèn)同,努力學(xué)習(xí),爭(zhēng)做棟梁

課程從列舉高分子材料制品入手,使學(xué)生了解高分子材料的應(yīng)用已從人們的衣食住行擴(kuò)展到了智能材料、航空航天和軍事等高精尖領(lǐng)域,高分子材料對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生了無(wú)法估量的影響。通過(guò)實(shí)例讓同學(xué)們真切地感受到高分子材料在社會(huì)發(fā)展中的重要地位和作用,以此激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與熱情,樹(shù)立專(zhuān)業(yè)自豪感和自信心。

高分子材料按照用途可分為塑料、橡膠、纖維、涂料、膠黏劑和功能高分子六大類(lèi),不同用途的產(chǎn)品具有不同的結(jié)構(gòu)組成、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布(內(nèi)因),三大高分子合成材料的平均相對(duì)分子質(zhì)量大小及其分布寬度是:橡膠>塑料>纖維。橡膠的高彈性來(lái)源于其相對(duì)分子質(zhì)量大,構(gòu)象多。纖維的高模量來(lái)源于本身的極性結(jié)構(gòu)和相對(duì)規(guī)整的分子鏈的分布。控制不同的制備條件和成型過(guò)程(外因),可以獲得不同性能的制品。學(xué)生的成長(zhǎng)與發(fā)展也與自身因素和成長(zhǎng)經(jīng)歷有關(guān),要結(jié)合自身的“個(gè)性”全方位地提高、塑造、磨煉自己,使自己成為社會(huì)的可用之才?！皩殑︿h從磨礪出,梅花香自苦寒來(lái)”,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生努力學(xué)習(xí)、歷經(jīng)磨礪的核心素養(yǎng)。

2 講好科學(xué)家的故事,培養(yǎng)科學(xué)精神

高分子學(xué)科發(fā)展到今天,凝聚了無(wú)數(shù)中外科學(xué)家的智慧。借助案例融入科學(xué)家的故事[6],培養(yǎng)學(xué)生的科研思維、探索創(chuàng)新等核心素養(yǎng)。如講授高分子材料發(fā)展史時(shí),引入不隨波逐流的高分子化學(xué)之父施陶丁格的故事。他在首次提出長(zhǎng)鏈大分子的觀點(diǎn)時(shí),遭到了當(dāng)時(shí)權(quán)威膠體論者的激烈反對(duì)和諷刺質(zhì)疑,但是他沒(méi)有退卻,堅(jiān)信自己的理論是正確的,更認(rèn)真地開(kāi)展深入研究,與膠體論者展開(kāi)了面對(duì)面的辯論。后來(lái),在事實(shí)面前,人們接受了高分子的概念,一個(gè)學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。這個(gè)故事可以融入“堅(jiān)持科學(xué)理性,不畏權(quán)威,勇于探索,持之以恒”的科研精神。

支撐聚合機(jī)理和動(dòng)力學(xué)的“等活性”理論,即反應(yīng)活性中心(包括自由基、陰陽(yáng)離子、官能團(tuán))的活性和鏈的長(zhǎng)短沒(méi)有關(guān)系,使得復(fù)雜的高分子合成反應(yīng)可以遵循一定的規(guī)律,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的建構(gòu)。這個(gè)理論由Flory先生提出。他花了一生時(shí)間,從僅有的少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉出高分子合成理論。這項(xiàng)偉業(yè)對(duì)于高分子工業(yè)而言,就如同點(diǎn)亮了一盞燈,讓工業(yè)操作變得有章可依。此案例可以讓學(xué)生領(lǐng)悟到其中“利用科學(xué)假設(shè)建立模型”的科研思維方法和“甘于奉獻(xiàn)、孜孜不倦、探究真理”的科研精神。

在學(xué)習(xí)Carothers法預(yù)測(cè)凝膠點(diǎn)時(shí),引入對(duì)縮聚反應(yīng)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家Carothers發(fā)明尼龍的小故事。Carothers在未清洗干凈的玻璃棒上發(fā)現(xiàn)了幾縷乳白色的細(xì)絲,這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)促使了尼龍的研究和合成。這項(xiàng)合成技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),為社會(huì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。通過(guò)這個(gè)故事讓學(xué)生體會(huì)到“敏銳的洞察力,細(xì)微的觀察力”在科研實(shí)驗(yàn)中的重要性,啟迪創(chuàng)造性思維,培養(yǎng)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的分析能力。

3 剖析高分子化合物的合成原理,感悟人文素養(yǎng),培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)生活習(xí)慣

高分子是由原子或原子團(tuán)以共價(jià)鍵的形式連接而成的同系混合物,具有很多優(yōu)異的性能,如質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、高彈等。單個(gè)小分子是不具有這些性質(zhì)的,大分子的結(jié)構(gòu)與材料性能體現(xiàn)出了個(gè)體只有將自己的力量與集體融合在一起,才能發(fā)揮作用,物盡其用。一滴水只有放進(jìn)大海里才永遠(yuǎn)不會(huì)干涸,最偉大的力量就是團(tuán)結(jié)。就像這次新冠肺炎疫情一樣,每個(gè)人從自身做好防護(hù)和隔離,在力所能及的范圍內(nèi)去貢獻(xiàn),全國(guó)人民萬(wàn)眾一心,就一定能戰(zhàn)勝疫情,“篝火能把嚴(yán)寒驅(qū)散,團(tuán)結(jié)能把困難趕跑”。

高分子合成原理包括逐步聚合和連鎖聚合,逐步聚合機(jī)理特征:逐步、可逆,相對(duì)分子質(zhì)量逐漸增加,反應(yīng)后期才有高分子,反應(yīng)歷程如圖1所示。

圖1 逐步聚合機(jī)理示意圖

連鎖聚合分成鏈引發(fā)、增長(zhǎng)、終止等基元反應(yīng),相對(duì)分子質(zhì)量瞬間變大,即一旦有單體被引發(fā),大分子迅速生成。自由基聚合反應(yīng)歷程如圖2所示。

圖2 自由基聚合反應(yīng)歷程

運(yùn)用豐富的想象力和聯(lián)想能力,讓抽象的高分子合成理論和微觀結(jié)構(gòu)形象化。逐步聚合過(guò)程就像接繩子,由短(小分子)匯成長(zhǎng)(預(yù)聚物),再到更長(zhǎng)(大分子)。分子鏈的增長(zhǎng)需要時(shí)間的積累,就如同學(xué)生將來(lái)的成就需要每天堅(jiān)持不懈的努力與付出,不積跬步無(wú)以至千里,不積小流無(wú)以成江海,融入“腳踏實(shí)地、惜時(shí)、進(jìn)取”的思想。連鎖聚合則需要活性中心,只要具備了這個(gè)小的誘因,聚合過(guò)程就像被觸動(dòng)了的“多米諾骨牌”,瞬間完成高分子的形成。從中給我們啟示:一個(gè)微小的力量能夠引起的或許只是察覺(jué)不到的改變,但是它所引發(fā)的卻可能是翻天覆地的變化,亡羊補(bǔ)牢不如防患于未然。我們做人、做事要謹(jǐn)記不以惡小而為之,要謙虛謹(jǐn)慎、防微杜漸、未雨綢繆。

配位聚合由過(guò)渡金屬鹵化物與有機(jī)金屬化合物組成的絡(luò)合型催化劑體系催化,產(chǎn)物具有立體規(guī)整性。如TiCl4與Al(C2H5)2Cl催化乙烯聚合可以獲得高密度聚乙烯。同樣的單體乙烯如采用自由基聚合,在高溫、高壓的苛刻條件下才能聚合成低密度聚乙烯。TiCl3與Al(C2H5)2Cl催化丙烯聚合可以獲得全同聚丙烯,而采用自由基聚合只能得到低分子預(yù)聚物。這是由其特殊的催化體系造成的,催化機(jī)理如圖3所示。

圖3 配位聚合催化機(jī)理

通過(guò)剖析這些高分子合成機(jī)理,感悟一定的人文哲學(xué)和健康生活、學(xué)習(xí)的理念,進(jìn)而形成一種長(zhǎng)久、健康發(fā)展的精神動(dòng)力和精神支撐。

4 聚焦高分子合成前沿,自強(qiáng)自信,勇于創(chuàng)新

活性可控聚合、配位聚合等內(nèi)容均屬于高分子合成理論的前沿。目前關(guān)于配位聚合的反應(yīng)機(jī)理及催化劑的問(wèn)題仍是高分子合成領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。過(guò)去我國(guó)只能購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的催化劑,價(jià)格高昂,受壟斷的限制。我國(guó)學(xué)者在烯烴配位聚合的應(yīng)用研究領(lǐng)域做了大量工作。如,中國(guó)科學(xué)院的研究員設(shè)計(jì)了新型單中心聚烯烴催化劑,為聚乙烯多樣性鏈結(jié)構(gòu)的選擇性合成提供了高效的途徑。這些內(nèi)容以專(zhuān)題講解、案例分析的形式引入課堂。使同學(xué)們了解到科研學(xué)者們不畏艱難、持之以恒的堅(jiān)持,最終取得了一些世界矚目的成就。同時(shí)看到我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然面臨許多問(wèn)題,高端產(chǎn)品依然依賴(lài)進(jìn)口。這在對(duì)我國(guó)高分子合成基礎(chǔ)研究提出巨大挑戰(zhàn)的同時(shí),也提供了巨大的機(jī)遇。激勵(lì)學(xué)生勤奮刻苦學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí),培養(yǎng)創(chuàng)新精神和責(zé)任擔(dān)當(dāng),勇挑重?fù)?dān),攀登科學(xué)技術(shù)難題。

5 認(rèn)識(shí)高分子化學(xué)發(fā)展面臨的制約,形成具有責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)

縱觀高分子材料的發(fā)展史,從出現(xiàn)到大規(guī)模使用,直至現(xiàn)在人們的生活已經(jīng)無(wú)法離開(kāi)高分子。但同時(shí)高分子也有危害人體健康、破壞自然環(huán)境、加劇資源枯竭的負(fù)面效應(yīng),如白色污染、有毒奶瓶、裝修污染等。我們正在經(jīng)歷的例子:一次性口罩的主要原料熔噴布,主要由聚丙烯纖維熱黏合制備,疫情出現(xiàn)以來(lái)被大量使用。熔噴布具有通氣性好,過(guò)濾細(xì)菌和有毒氣體,伸縮性、彈性好,價(jià)格比較低等優(yōu)點(diǎn)。但因其纖維的排列具有一定的方向,所以也比較容易被撕開(kāi),使用周期短。大量廢棄的一次性口罩給環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān),廢棄的高分子如何處理對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約具有重要的意義。

學(xué)習(xí)高分子的降解和老化這一部分內(nèi)容時(shí),明確高分子難降解的原因、降解的機(jī)理,老化的特征、影響因素及老化原理;認(rèn)識(shí)降解和老化對(duì)環(huán)境的意義,了解廢棄高分子材料的處理方法及其與環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約之間的關(guān)系;利用不同種類(lèi)高分子降解與回收再利用的原理,為資源的循環(huán)利用找到依據(jù);利用聚合物降解與老化的原理,實(shí)現(xiàn)高分子材料使用壽命的延長(zhǎng)和廢棄高分子材料的回收再利用;并能在以后的學(xué)習(xí)和工作中,時(shí)刻以“綠水青山和藍(lán)天白云的可持續(xù)發(fā)展思想”為引領(lǐng),有意識(shí)地加強(qiáng)廢棄高分子的快速降解的研究與實(shí)踐。以此培養(yǎng)學(xué)生具有責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)。

6 理論與實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)以致用,實(shí)踐創(chuàng)新

合成高分子的原理涉及縮聚反應(yīng)、自由基聚合、離子聚合,理論性強(qiáng)、公式多、難度大,因此教學(xué)過(guò)程要貫穿 “理論與實(shí)踐相結(jié)合”的思想。將抽象的公式與工廠實(shí)際生產(chǎn)相聯(lián)系。采用創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、案例分析等教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生思考聚合物合成過(guò)程的實(shí)際問(wèn)題,產(chǎn)生對(duì)枯燥知識(shí)探索學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。如學(xué)習(xí)自由基聚合度的公式:

7 結(jié)語(yǔ)

在專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)中貫徹核心素養(yǎng)的教育理念,將專(zhuān)業(yè)知識(shí)與人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)相聯(lián)系,使枯燥、抽象的專(zhuān)業(yè)知識(shí)變得生動(dòng)、豐滿(mǎn),提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性,促使學(xué)生在獲取知識(shí)的過(guò)程中增長(zhǎng)能力、明確事理,提高人格素養(yǎng)、綜合素質(zhì)和對(duì)社會(huì)的適應(yīng)能力。