基于應用型人才培養(yǎng)的高分子化學案例教學實踐活動

張妍，張世國

(湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近年來，隨著社會的快速發(fā)展和科技的不斷進步，高分子化學作為一門重要的學科，對于推動材料科學、能源開發(fā)、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。然而，傳統(tǒng)的高分子化學教學往往注重理論知識的傳授，忽視了學生的實踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，難以滿足社會對高分子化學應用型人才的需求[1-3]?；趹眯腿瞬排囵B(yǎng)的教學方法強調(diào)學生的主動參與和實踐能力的培養(yǎng)，有利于通過將理論知識與實際問題相結(jié)合，幫助學生理解高分子化學的基本原理和應用，培養(yǎng)學生的實驗操作能力、科學研究能力和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，提高學生的綜合素質(zhì)。

然而，目前對于基于應用型人才培養(yǎng)的高分子化學案例教學實踐的研究還相對較少。因此，有必要進行相關(guān)研究，探索如何將應用型人才培養(yǎng)的教學方法應用于高分子化學教學中，并評估其對學生實踐能力和創(chuàng)新思維的影響。

1 案例型教學

1.1 案例來源及積累

案例教學通常來源于生活用品或經(jīng)典案例，例如生活中常見的“免釘膠”“微波專用飯盒”“裝飾畫”“車載內(nèi)飾”“仿真皮衣”“建筑工棚的箱式板房”“醋酸緞面衣服”“兒童變色衣服”以及“光敏膠”等。在2020 年新冠疫情爆發(fā)之際，防止病毒擴散蔓延并徹底消滅病毒的最佳辦法是隔斷傳染，口罩可以阻隔呼吸道飛沫傳播?？谡种凶钪匾墓δ懿牧鲜侵虚g層PP 熔噴無紡布(M層)，它的基礎(chǔ)材質(zhì)就是常說的四大塑料之一的聚丙烯(PP)，它也是可用于制作微波爐內(nèi)加熱器皿的熱塑性材料，無毒、耐高溫。另外一種日常使用的塑料聚乙烯(PE)，可以作為食物保鮮膜。那么問題就來了，這兩種材料是如何合成的？合成機理是什么？誰為此作出了重大貢獻，因此獲得了諾貝爾化學獎？此外，發(fā)生火災后發(fā)現(xiàn)電源插座盒除了變黑，發(fā)現(xiàn)并沒有變形，這屬于熱固性材料還是熱塑性材料？經(jīng)?？吹交厥盏V泉水瓶和飲料瓶，又屬于哪一類熱塑性材料？高分子材料已經(jīng)滲透到生活的各個方面，在日常生活中收集和積累相關(guān)問題，可以根據(jù)案例所涉及的問題和解決途徑進行分類，建立案例庫[4]，有助于幫助學生更深入地理解書本知識。

1.2 案例選擇

在教學活動中，選擇適當?shù)陌咐谴_保教學順利進行的前提。這些案例應該能夠融合學生所學課程的理論基礎(chǔ)，同時結(jié)合實驗室條件和學生的實際情況。綜合以上因素，對功能高分子材料教學，可以選用502 膠水、固體膠、免釘膠等作為教學案例。該案例內(nèi)容包括了功能高分子材料的理解以及如何在生活中應用進行擴展等內(nèi)容。人們對“膠水”這個詞不陌生，其實就是膠黏劑。在我國3 000 年前的夏商周時期，人們用泥漿、石灰、黏土、糯米等原料得到天然膠黏劑，但這種膠黏劑對黏附基材普適性差。1910 年，以酚醛樹脂為代表的合成膠黏劑的出現(xiàn)，標志著膠黏劑的發(fā)展進入化學品時期，黏結(jié)劑在化學合成聚合物中僅次于塑料、橡膠、纖維和涂料。在生活中，常見的膠黏劑包括哥倆好、固體膠以及近年來出現(xiàn)的免釘膠。這些膠黏劑在市場上廣泛應用，尤其是免釘膠能夠承重大，免去了鉆墻打孔的操作。隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的仿生功能被應用于現(xiàn)代技術(shù)中。如果仔細觀察過海洋中的海龜和鯨魚，其身上到處都是藤壺、貽貝，這些生物會產(chǎn)生黏附蛋白的黏合劑[5]，有利于其黏附在巖石中。據(jù)了解，很多人造黏合劑能夠在空氣環(huán)境下將各材料牢固粘接在一起，然而卻無法在水中或海洋環(huán)境下使用。

類似這樣具有獨特功能和行為的案例還有哪些？學生在課后歸納整理，進行案例引入，可以對目前簡單應用的高分子材料有更深入的認識。在選擇案例時，應該考慮難易程度適當、可操作性強等特點。這樣可以兼顧成績不同的學生，也可以為成績上游的學生提供挑戰(zhàn)空間，激發(fā)他們解決問題的積極性。

1.3 案例深入和小組討論

案例引入是一種教學方法，旨在實現(xiàn)教學目標。該方法的目的是讓學生以理解知識問題為核心，圍繞這些問題進行思考和討論，從而深入理解知識的關(guān)鍵點。然而，如果僅僅停留在這個階段，學生只能掌握表面知識，難以深入理解。下面，仍選取高分子材料膠黏劑為例進行討論。

膠黏劑是一類非常常見的以合成聚合物為基礎(chǔ)材料制作的化學品，其種類與化學特性與塑料、橡膠、纖維和涂料等傳統(tǒng)意義上的聚合物既有相同性也有差異性。在我國，膠黏劑的產(chǎn)量占全球市場的1/3。針對“膠黏劑的種類”，指導老師可以提出一系列問題，例如“在日常生活中，有哪些物品屬于膠黏劑”通過這些問題，可以引發(fā)學生的興趣和關(guān)注，促使他們自主進行查閱。通過學生的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，膠黏劑可以應用在很多領(lǐng)域，例如黏鞋膠、固體膠、免釘膠、家具顆粒板黏合膠、傷口黏合劑、牙科補牙硬組織膠黏劑、密封膠等。為了更加深入地理解膠黏劑，可以將參與調(diào)查的學生分成三組，擴展調(diào)查內(nèi)容。

第一組調(diào)查住宅裝修?，F(xiàn)在人們普遍都關(guān)注新房的裝修污染，早期的油漆和家具顆粒板粘合膠存在有害氣體甲醛釋放的問題隱患，現(xiàn)在三醛膠(酚醛樹脂膠黏劑；脲醛樹脂膠黏劑；三聚氰胺甲醛樹脂膠黏劑)[6]逐漸被生物質(zhì)基膠黏劑取代。請學生收集一些常用的生物質(zhì)基膠黏劑，并把它們的原理成分列出來。第二組可調(diào)查牙醫(yī)診所。牙醫(yī)在處置牙齒缺損的時候會使用一種光敏膠，請學生調(diào)查目前可以使用的生物質(zhì)基醫(yī)用無毒膠黏劑有哪些[6]，各有什么用途。第三組可調(diào)查免釘膠(又稱液體釘)[7]的使用。這種建筑用膠黏劑可以代替釘子，實現(xiàn)無釘孔黏接。免釘膠具有固化速度快、粘接強度高、被廣泛應用于裝飾裝修、家具制造、工藝品制作等行業(yè)，請同學們把它們的合成方法列出來。

在學生查閱資料一周后，每個小組負責一種材料的整理工作，包括物理性質(zhì)、特性、合成方法及用途等方面內(nèi)容。在課堂上，他們可使用自己制作的PPT 進行講解，內(nèi)容豐富，圖文清楚，便于充分展示同學們的調(diào)查分析成果，然后可由教師進行點評。通過方案設(shè)計中的討論，每個小組已經(jīng)基本掌握了所選材料的性能，同時也讓其他小組的同學們學習到了新知識。此外，這種活動還能夠培養(yǎng)學生的動手能力和團隊合作精神。經(jīng)過實踐證明，案例型教學法在激發(fā)學生的探索欲望和提高學生學習興趣方面發(fā)揮了積極的作用。同時，通過分析和解決問題的過程，學生們的綜合素質(zhì)得到逐漸充實和培育。

1.4 案例擴展

將科研項目引入具體的課程教學中是一種新的智能型人才培養(yǎng)途徑，也是將書本知識擴展到實際應用的有效方法[8]。在前面的案例中，介紹了許多人造黏合劑，它們能夠快速牢固地粘結(jié)金屬、石頭(陶瓷)、玻璃、塑料等材料，具有非常高的粘結(jié)強度。然而，大多數(shù)品種的黏合劑無法在水中和海洋中使用。在日常生活和生產(chǎn)實踐中，不可避免地會遇到有水的環(huán)境，而在海洋環(huán)境中，船舶和海洋工程也必須面對海水的侵蝕。因此，研發(fā)適用于海水中使用的黏合劑勢在必行，這對于傳統(tǒng)黏合劑學科而言是新興的和需要重點發(fā)展的一個領(lǐng)域。將相關(guān)的科研項目融入到該課程的教學中，可以激發(fā)學生的學習興趣，提高他們查閱文獻資料的能力，并積極引導他們參與科研活動。通過這種方式，學生可以將理論知識應用于實踐中，學會如何解決實際問題。這種方法不僅可以幫助學生掌握知識，還可以培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和實踐能力。

通過學生對資料查閱，可以了解到科學家已采用“相鄰共聚法”，制備了一種陽離子位點與芳香環(huán)相鄰排列的高分子化合物。該化合物在海水中具有較強的吸附性能，能夠牢固地黏附在玻璃等材質(zhì)上。為了進一步探索其應用潛力，將該化合物交聯(lián)并固化，得到了一種具有伸縮性的凝膠狀黏合劑。這種黏合劑與被粘物(玻璃) 在海水環(huán)境中按壓5 s 后便能夠牢牢粘結(jié)。雖然粘結(jié)面積不及一元硬幣的1/4，但該黏合劑仍可以反復剝離和重新粘結(jié)，展現(xiàn)出出色的耐久性和可重復性。通過調(diào)研資料，學生可以更深入地了解該高分子化學物的結(jié)構(gòu)、合成方法和應用。

1.5 三個具體案例

作為一名從事高分子化學教學科研工作的教師，將自己的研究成果與課程相結(jié)合，可以有效地激發(fā)學生的學習興趣。在此，筆者整理了三個具體的研究案例，介紹給讀者。

一是提出了一種聚離子液體膠黏劑的制備方法。以N-乙烯基咪唑為原料逐步進行季銨化反應、自由基聚合反應、陰離子交換反應，最終得到所需的聚離子液體膠黏劑。烷氧基聚離子液體對各種基材如玻璃、陶瓷、不銹鋼、鋁合金和聚合物等都具有很強的黏附作用。利用聚離子液體與多壁碳納米管或銀納米纖維等材料間的高相容性，還制備出了光響應型和導電復合膠黏劑。有趣的是，PIL-2-TFSI 膠黏劑表現(xiàn)出了對外界電場獨特的可逆響應，在外界電場作用下，宏觀黏接強度可提升35%左右。

二是開展一種新型黏結(jié)劑的研究。為了解決鋰硫電池中硫正極在循環(huán)過程中的體積膨脹和多硫化物穿梭等問題，通過聚丙烯酸(PAA) 和小分子乙醇胺(EA)之間的簡單中和反應制備了一種低成本的水溶性、3D 交聯(lián)聚離子液體黏結(jié)劑(D-PAA/C-EA)。在PAA 中引入交聯(lián)劑可以將聚合物從線性分子轉(zhuǎn)化為連續(xù)、穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡，提升其黏附強度。EA 使PAA去質(zhì)子化，將-COOH 變?yōu)閹ж撾姷?COO-，得到聚離子液體黏結(jié)劑。由于引入了更多的氫鍵受體和供體(-NH2和-OH)，增強了分子鏈的氫鍵作用，使得聚離子液體中呈現(xiàn)出離子交聯(lián)和氫鍵交聯(lián)的三維網(wǎng)絡。因此其粘結(jié)強度和Li+傳輸相較于電中性的PAA 均有顯著提高。該研究通過簡單的混合即可制備高性能的鋰硫電池黏結(jié)劑，并且價格低廉，環(huán)保，容易量產(chǎn)，對新型電池黏結(jié)劑的設(shè)計和開發(fā)具有重要意義。

三是采用低分子量膠黏劑巧妙規(guī)避聚合物膠黏劑原料聚合步驟帶來的系列問題。這些問題包括：聚合過程耗時長、聚合物分子量不易控制、單體種類受限、引發(fā)劑易殘留等。在本工作通過在咪唑陽離子/雙三氟甲基磺酰亞胺陰離子型的離子液體三聚體結(jié)構(gòu)中引入脲基，使獨立的離子液體單元之間能夠通過局部氫鍵組裝形成動態(tài)物理交聯(lián)的三維網(wǎng)絡。所得低分子量的離子液體膠黏劑在宏觀黏接性能測試中能夠表現(xiàn)出極強的黏附性，定量測試表明其剪切強度高達12.20 MPa。并且，將其與碳納米管結(jié)合可以進一步制備出具有一定導電性、自愈合行為和電控黏附性的復合型膠黏劑。

在這些案例教研活動中，采用將理論與實際相結(jié)合的教學方法，可以激發(fā)學生的科學家意識，讓他們認識到通過努力具備改變生活的能力。這種學習過程旨在培養(yǎng)學生積極向上的態(tài)度，使他們能夠根據(jù)個人興趣自主選擇課題，積極參與科研項目和競賽，并培養(yǎng)他們在未來的學習和工作中發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計解決方案、實施方案、討論結(jié)果以及擴展問題的能力。

2 走進實驗室，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

選取一個感觀性強、容易操作、易于入門的開放性實驗課題，并招募同學參加大學生創(chuàng)新訓練項目。該課題仍以膠黏劑為研究對象，重點研究了光響應偶氮苯離子液體的黏附性能調(diào)控。在介紹當前研究進展的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)了學生獨立查閱文獻資料和設(shè)計開展實驗的能力。由于合成和純化是實驗的難點，因此在實驗過程中，積極引導學生并經(jīng)常討論總結(jié)，幫助他們克服這些困難。

在進行黏結(jié)劑紫外光性能測試時，學生們發(fā)現(xiàn)光響應偶氮苯離子液體黏附性能具有可控調(diào)節(jié)的能力，能夠輕松實現(xiàn)黏附和剝離的可控性能，創(chuàng)新訓練小組獲得了巨大的鼓舞，學生自主整理研究成果并成功申報大學生創(chuàng)新訓練項目。小組獲得了“國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目”支持，學生們非常有成就感。這種案例教學改革帶著學生走出了傳統(tǒng)的“課本—課堂—實驗室”的教學模式，提高了現(xiàn)有實驗室的開放性，并培養(yǎng)了學生的專業(yè)技能和創(chuàng)新意識。

在教學實踐中，學校積極推動教師實驗室、研究生實驗室以及校企聯(lián)合研發(fā)中心的開放，便于帶領(lǐng)學生到工廠實習，深入了解社會需求。這種教學機制不僅提高了學生的實踐能力和科研水平，也使學生更好地了解社會和行業(yè)需求，更好地適應未來的職業(yè)生涯。

3 結(jié)語

綜上所述，基于應用型人才培養(yǎng)的高分子化學案例教學實踐活動取得了初步的成功。在以上的案例式教學法實施過程中，學生的學習主動性得到很大提高，他們積極利用周末和暑假積極進入實驗室，不斷嘗試解決問題，最終取得了良好的實驗成果。此外，同學們也主動地參與申報科研項目，展示不斷提升的科研創(chuàng)新能力，成功激發(fā)了同學們的學術(shù)探索欲和專業(yè)自信心，體驗成就感、獲得感。在教師的指導下，通過小組合作，學生逐漸掌握解決問題的方法，培養(yǎng)了解決問題的能力，團隊協(xié)作精神得到了鍛煉。這種將案例引入課堂教學，并延伸至實際應用的教學模式，推動了專業(yè)教育的不斷改進，提升了教育質(zhì)量，真正體現(xiàn)了“成果導向”和“以學生為中心”的工程教育專業(yè)認證理念，有利于高分子應用型人才的培養(yǎng)。