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功能高分子材料課程的教學(xué)實(shí)踐與探索論文
自從20世紀以來(lái)，高分子學(xué)科發(fā)展迅猛，各種新材料、新理論、新模型、新應用不斷涌現，在傳統的高分子化學(xué)與高分子物理的基礎上發(fā)展出功能高分子材料這一重要分支。功能高分子材料是本科高分子材料專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課，也是化學(xué)、材料等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課程。功能高分子材料課程教學(xué)內容較多，主要包括反應型高分子、導電高分子、電活性高分子、液晶高分子、吸附型高分子、光敏高分子、高分子功能膜、醫用高分子等內容。該課程通過(guò)系統地總結功能高分子材料的合成、結構、性能、應用和研究方法，使學(xué)生掌握功能高分子的基本性質(zhì)、結構-性能關(guān)系、設計方法和制備策略，了解功能高分子研究的方法和應用領(lǐng)域，從而對功能高分子材料具有全面的認識和深入的理解。
1貫徹結構-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)
目前合成纖維、合成橡膠、塑料、涂料、高分子粘合劑等高分子材料的應用十分廣泛，然而該類(lèi)材料分子內缺乏反應基團，化學(xué)與物理性質(zhì)較為單一，屬于常規高分子材料。相對而言，功能高分子材料則具有光、電、力、熱、磁、化學(xué)、生物等性能，在化工、環(huán)保、能源、信息、醫藥、農業(yè)等領(lǐng)域具有獨特的應用價(jià)值。功能高分子材料之所以具有不同于常規高分子材料的獨特性能，主要與其結構具有直接關(guān)系。功能高分子材料學(xué)科的主要任務(wù)是研究影響材料性能的因素，尤其是結構與性能之間的關(guān)系，從而設計出滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)與人們生活所需的各種新型功能材料。因而結構-性能關(guān)系在功能高分子材料課程中具有重要地位，它不僅是學(xué)生理解材料性能的理論基礎，同時(shí)也是設計新型功能材料的所遵循的規律。因而，在課堂教學(xué)過(guò)程中需要貫徹結構-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)，使學(xué)生能夠利用結構-性能關(guān)系來(lái)理解每一類(lèi)功能高分子的性質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)而以此為基礎有能力學(xué)習并設計新型功能高分子材料。
盡管材料學(xué)科中結構-性能關(guān)系的研究已經(jīng)很多，但是功能高分子材料有其自身特點(diǎn)，即存在分子、超分子、微觀(guān)、宏觀(guān)等不同層次的結構。層次不同的結構對于材料性能具有不同的影響，因而功能高分子材料的結構-性能關(guān)系是學(xué)生最難掌握的內容，既是教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。對此，在課堂教學(xué)過(guò)程中不僅需要在課程的概述部分重點(diǎn)講述不同層次結構對于材料性能的影響規律，而且需要在每一章結合實(shí)例具體講解不同類(lèi)型高分子材料的結構-性能關(guān)系，從而使學(xué)生能夠深入理解并掌握該重要規律。
功能高分子材料的結構具有元素組成、官能團結構、高分子鏈段結構、高分子微觀(guān)構象結構、材料的超分子結構和聚集態(tài)、材料的宏觀(guān)結構等不同的層次，依次包括原子、原子團、鏈段、分子、超分子的微觀(guān)尺度結構以及宏觀(guān)結構，其中官能團結構和分子鏈結構是兩個(gè)重點(diǎn)內容，前者決定了分子的大部分化學(xué)性質(zhì)，而后者主要影響材料的物理化學(xué)性質(zhì)。例如，高分子還原劑的還原能力來(lái)源于分子中包含的有機錫、硫醇等還原性基團，而高分子骨架主要使還原劑的分子量增大、溶解度降低，從而在保持小分子還原劑的還原能力的同時(shí)具有不溶性，從而使產(chǎn)物的分離純化工藝大大簡(jiǎn)化。
2通過(guò)前沿進(jìn)展專(zhuān)題補充知識結構
功能高分子材料是一門(mén)交叉學(xué)科，涉及化工、電子、信息、生命、醫學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域，并與相關(guān)學(xué)科存在深入而廣泛的交叉融合，因而功能高分子材料的知識結構也在隨著(zhù)其它學(xué)科的發(fā)展而迅速變化。為了適應功能高分子材料知識更新快的特點(diǎn)，不僅需要在課堂教學(xué)中介紹完整的知識體系，而且要補充相關(guān)領(lǐng)域不斷產(chǎn)生的最新進(jìn)展。然而由于教材的版本更新相對較慢，所以需要在課堂教學(xué)過(guò)程中針對每一章節加入前沿進(jìn)展專(zhuān)題，以補充相關(guān)的最新知識。
例如，近年來(lái)納米科技發(fā)展迅猛，新型的高分子-納米復合功能材料成為當前的研究熱點(diǎn)，各種新穎的研究成果不斷涌現，極大豐富了功能高分子材料的構成與應用。根據這些變化，教學(xué)中增加了高分子光電功能納米材料的專(zhuān)題，重點(diǎn)介紹共軛高分子與富勒烯、量子點(diǎn)等復合材料在太陽(yáng)能電池中的應用進(jìn)展；在醫用高分子材料一章，針對當前高分子在藥物輸運與控制釋放方面的研究進(jìn)展，歸納了響應性高分子載藥專(zhuān)題，列舉對于化學(xué)、光、熱、磁等外界刺激信號具有響應能力的高分子載藥體系。由于相關(guān)領(lǐng)域在腫瘤治療中具有重要應用價(jià)值，同時(shí)載藥體系往往具有有趣的控制釋放機理，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣，也補充了教材在相關(guān)內容上的不足。
3利用多媒體增強教學(xué)內容的表現力
功能高分子材料課程的知識點(diǎn)較多，信息量很大，而教材中的圖形較少，大多為文字內容。心理學(xué)的研究表明，人們在學(xué)習過(guò)程中依靠單一的文字閱讀獲得知識時(shí)容易疲勞，記憶與理解的效率也會(huì )降低；相對而言，人們對于形象信息的感知速度更快，記憶能力更強。為此，授課過(guò)程中需要借助PowerPoint（PPT）的多媒體功能對教學(xué)內容進(jìn)行圖形化。首先，需要對教材的內容進(jìn)行提煉，總結出主要知識點(diǎn)，利用關(guān)系圖構建知識框架，將文字內容形象化、條理化；細節內容進(jìn)行列表，有利于歸納和比較；重點(diǎn)內容進(jìn)行色彩處理，從而提高了可讀性。其次，功能高分子材料的應用性較強，與工業(yè)生產(chǎn)與生活關(guān)系緊密，受限于篇幅和印刷用紙的材質(zhì)，教材中多無(wú)相關(guān)的圖形，尤其是彩圖。在準備PPT課件時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )搜集相關(guān)資料并利用PPT的圖形制作能力，補充相關(guān)的示意圖、示例圖，使得相關(guān)的功能高分子材料從應用背景、化學(xué)結構、性能原理、器件結構等均做到“有圖有真相”，顯著(zhù)提升了學(xué)生的注意力和學(xué)習興趣，使得抽象的結構-性能關(guān)系更容易理解，同時(shí)也使得學(xué)生能夠聯(lián)系到實(shí)際生活，感受到功能高分子材料的應用價(jià)值。
例如，在電活性高分子材料一章中，高分子電致發(fā)光材料與器件是其中的重要內容，相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化并展示出良好的發(fā)展前景，但是相關(guān)的器件工作原理較為復雜，對于高分子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生具有一定的難度。為此，在實(shí)際授課過(guò)程中，首先將當前某著(zhù)名品牌的手機顯示屏作為實(shí)例，介紹相關(guān)材料的成分與結構，并借助立體的器件結構示意圖解釋器件的工作機理與高分子材料在其中的作用，使得學(xué)生可以通過(guò)直觀(guān)的方式學(xué)習抽象的知識。在高分子功能膜材料一章中，膜分離機制是重點(diǎn)內容，而其中過(guò)篩分離是最常見(jiàn)的一種機制。為增強學(xué)生對于該原理的認識，PPT課件中使用了動(dòng)畫(huà)示意圖，將不同尺寸的粒子依次通過(guò)不同孔徑的篩網(wǎng)而被截留的過(guò)程直觀(guān)表現出來(lái)，使抽象的分離機理一目了然。
4借助課外科研實(shí)踐提升學(xué)生創(chuàng )新能力
當前社會(huì )經(jīng)濟對高分子學(xué)科人才的要求不斷提高，高素質(zhì)的人才不僅需要具有良好的知識基礎，而且需要具有創(chuàng )新能力。受到課堂教學(xué)課時(shí)與形式的限制，高分子材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生僅能夠接觸到基本的合成與表征實(shí)驗，而功能高分子材料的相關(guān)實(shí)驗較少，缺乏相關(guān)的實(shí)踐訓練和能力培養過(guò)程。為增強學(xué)生獨立的研究與開(kāi)發(fā)能力，我們向學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗室，設置與功能高分子材料課程內容相關(guān)的科研課題，吸引有興趣的學(xué)生，尤其是打算畢業(yè)后讀研究生或從事研發(fā)工作的同學(xué)，在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗室參與功能高分子合成、結構與成分表征。近兩年來(lái)已有超過(guò)十名同學(xué)參與了課外科研實(shí)踐，申請并獲得多項學(xué)校本科生創(chuàng )新實(shí)踐項目的支持，掌握了原子自由基轉移聚合等高分子可控合成技術(shù)，制備了多種嵌段高分子材料并用于調控納米粒子的組裝，制備了一系列具有優(yōu)異光電性能的新型高分子納米復合材料。課外科研實(shí)踐活動(dòng)培養了學(xué)生探索未知的興趣，提高了學(xué)習的主動(dòng)性與積極性，拓展了他們的知識面，培養了新型功能高分子材料的設計能力，有助于實(shí)現學(xué)生創(chuàng )新能力的個(gè)性化培養。
5課程的考核方式
功能高分子材料課程的教學(xué)目標是讓學(xué)生掌握功能高分子材料的結構-性能關(guān)系、制備方法、表征手段及應用的知識，初步具備新型功能高分子材料的設計能力。傳統的評價(jià)模式注重學(xué)生對于知識掌握的系統性和準確性，主要采用閉卷考試的方式，然而本課程具有知識系統復雜、知識量大、知識更新快等特點(diǎn)，所以閉卷考試的考核方式容易導致學(xué)生采用死記硬背的方式學(xué)習；另一方面，當前大力提倡素質(zhì)教育，更為注重學(xué)生創(chuàng )新能力，因而在課程的考核評價(jià)模式需要相應調整。課程的總評成績(jì)由期末成績(jì)和平時(shí)成績(jì)組成，期末成績(jì)占總評的70%，采用開(kāi)卷考試方式，平時(shí)成績(jì)占總評的30%。首先，采用開(kāi)卷考試可以弱化知識記憶在評估中的比例，通過(guò)設計較多的綜合題以突出學(xué)生對知識的理解和運用能力的考核，減少學(xué)生突擊復習應付考試的現象，也有助于減少學(xué)生的課業(yè)負擔；另一方面，平時(shí)成績(jì)主要用于考察學(xué)生上課時(shí)回答提問(wèn)與課程討論的情況，對于評價(jià)學(xué)生的知識掌握與運用能力具有重要參考價(jià)值，不僅是考試的重要補充部分，還可以提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性。
6結語(yǔ)
針對功能高分材料課程的特點(diǎn)及其在高分子專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養中的重要地位，在課堂教學(xué)中堅持貫徹結構-性能關(guān)系的教學(xué)主線(xiàn)，補充相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展專(zhuān)題以豐富課程的知識結構，充分利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢增強教學(xué)內容的形象性和生動(dòng)性，提供課外科研見(jiàn)習課題供學(xué)生進(jìn)行科研實(shí)踐，從而提高了學(xué)生的學(xué)習積極性、實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力，發(fā)展出有效的教學(xué)模式和評價(jià)方法。
參考文獻
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