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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(jì)以來，高分子學(xué)科發(fā)展迅猛，各種新材料、新理論、新模型、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，在傳統(tǒng)的高分子化學(xué)與高分子物理的基礎(chǔ)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業(yè)的專業(yè)課，也是化學(xué)、材料等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)選修課程。功能高分子材料課程教學(xué)內(nèi)容較多，主要包括反應(yīng)型高分子、導(dǎo)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(yī)用高分子等內(nèi)容。該課程通過系統(tǒng)地總結(jié)功能高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用和研究方法，使學(xué)生掌握功能高分子的基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、設(shè)計(jì)方法和制備策略，了解功能高分子研究的方法和應(yīng)用領(lǐng)域，從而對功能高分子材料具有全面的認(rèn)識(shí)和深入的理解。
1貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線
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(yīng)用十分廣泛，然而該類材料分子內(nèi)缺乏反應(yīng)基團(tuán)，化學(xué)與物理性質(zhì)較為單一，屬于常規(guī)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(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。功能高分子材料之所以具有不同于常規(guī)高分子材料的獨(dú)特性能，主要與其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出滿足工業(yè)生產(chǎn)與人們生活所需的各種新型功能材料。因而結(jié)構(gòu)-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(chǔ)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)新型功能材料的所遵循的規(guī)律。因而，在課堂教學(xué)過程中需要貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線，使學(xué)生能夠利用結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系來理解每一類功能高分子的性質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)有能力學(xué)習(xí)并設(shè)計(jì)新型功能高分子材料。
盡管材料學(xué)科中結(jié)構(gòu)-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、宏觀等不同層次的結(jié)構(gòu)。層次不同的結(jié)構(gòu)對于材料性能具有不同的影響，因而功能高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是學(xué)生最難掌握的內(nèi)容，既是教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。對此，在課堂教學(xué)過程中不僅需要在課程的概述部分重點(diǎn)講述不同層次結(jié)構(gòu)對于材料性能的影響規(guī)律，而且需要在每一章結(jié)合實(shí)例具體講解不同類型高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，從而使學(xué)生能夠深入理解并掌握該重要規(guī)律。
功能高分子材料的結(jié)構(gòu)具有元素組成、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、高分子鏈段結(jié)構(gòu)、高分子微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)、材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)、材料的宏觀結(jié)構(gòu)等不同的層次，依次包括原子、原子團(tuán)、鏈段、分子、超分子的微觀尺度結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)，其中官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和分子鏈結(jié)構(gòu)是兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)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源于分子中包含的有機(jī)錫、硫醇等還原性基團(tuán)，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化。
2通過前沿進(jìn)展專題補(bǔ)充知識(shí)結(jié)構(gòu)
功能高分子材料是一門交叉學(xué)科，涉及化工、電子、信息、生命、醫(yī)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(shí)結(jié)構(gòu)也在隨著其它學(xué)科的發(fā)展而迅速變化。為了適應(yīng)功能高分子材料知識(shí)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(shí)體系，而且要補(bǔ)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)過程中針對每一章節(jié)加入前沿進(jìn)展專題，以補(bǔ)充相關(guān)的最新知識(shí)。
例如，近年來納米科技發(fā)展迅猛，新型的高分子-納米復(fù)合功能材料成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，各種新穎的研究成果不斷涌現(xiàn)，極大豐富了功能高分子材料的構(gòu)成與應(yīng)用。根據(jù)這些變化，教學(xué)中增加了高分子光電功能納米材料的專題，重點(diǎn)介紹共軛高分子與富勒烯、量子點(diǎn)等復(fù)合材料在太陽能電池中的應(yīng)用進(jìn)展；在醫(yī)用高分子材料一章，針對當(dāng)前高分子在藥物輸運(yùn)與控制釋放方面的研究進(jìn)展，歸納了響應(yīng)性高分子載藥專題，列舉對于化學(xué)、光、熱、磁等外界刺激信號(hào)具有響應(yīng)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(yīng)用價(jià)值，同時(shí)載藥體系往往具有有趣的控制釋放機(jī)理，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也補(bǔ)充了教材在相關(guān)內(nèi)容上的不足。
3利用多媒體增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力
功能高分子材料課程的知識(shí)點(diǎn)較多，信息量很大，而教材中的圖形較少，大多為文字內(nèi)容。心理學(xué)的研究表明，人們在學(xué)習(xí)過程中依靠單一的文字閱讀獲得知識(shí)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(qiáng)。為此，授課過程中需要借助PowerPoint（PPT）的多媒體功能對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行圖形化。首先，需要對教材的內(nèi)容進(jìn)行提煉，總結(jié)出主要知識(shí)點(diǎn)，利用關(guān)系圖構(gòu)建知識(shí)框架，將文字內(nèi)容形象化、條理化；細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行列表，有利于歸納和比較；重點(diǎn)內(nèi)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(yīng)用性較強(qiáng)，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)，教材中多無相關(guān)的圖形，尤其是彩圖。在準(zhǔn)備PPT課件時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)搜集相關(guān)資料并利用PPT的圖形制作能力，補(bǔ)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(yīng)用背景、化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能原理、器件結(jié)構(gòu)等均做到“有圖有真相”，顯著提升了學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣，使得抽象的結(jié)構(gòu)-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(yīng)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(nèi)容，相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品已經(jīng)開始商業(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(fù)雜，對于高分子專業(yè)的學(xué)生具有一定的難度。為此，在實(shí)際授課過程中，首先將當(dāng)前某著名品牌的手機(jī)顯示屏作為實(shí)例，介紹相關(guān)材料的成分與結(jié)構(gòu)，并借助立體的器件結(jié)構(gòu)示意圖解釋器件的工作機(jī)理與高分子材料在其中的作用，使得學(xué)生可以通過直觀的方式學(xué)習(xí)抽象的知識(shí)。在高分子功能膜材料一章中，膜分離機(jī)制是重點(diǎn)內(nèi)容，而其中過篩分離是最常見的一種機(jī)制。為增強(qiáng)學(xué)生對于該原理的認(rèn)識(shí)，PPT課件中使用了動(dòng)畫示意圖，將不同尺寸的粒子依次通過不同孔徑的篩網(wǎng)而被截留的過程直觀表現(xiàn)出來，使抽象的分離機(jī)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(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)基礎(chǔ)，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，高分子材料專業(yè)學(xué)生僅能夠接觸到基本的合成與表征實(shí)驗(yàn)，而功能高分子材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少，缺乏相關(guān)的實(shí)踐訓(xùn)練和能力培養(yǎng)過程。為增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立的研究與開發(fā)能力，我們向?qū)W生開放實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置與功能高分子材料課程內(nèi)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(yàn)室參與功能高分子合成、結(jié)構(gòu)與成分表征。近兩年來已有超過十名同學(xué)參與了課外科研實(shí)踐，申請并獲得多項(xiàng)學(xué)校本科生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的支持，掌握了原子自由基轉(zhuǎn)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(diào)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(fù)合材料。課外科研實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生探索未知的興趣，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，拓展了他們的知識(shí)面，培養(yǎng)了新型功能高分子材料的設(shè)計(jì)能力，有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的個(gè)性化培養(yǎng)。
5課程的考核方式
功能高分子材料課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握功能高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、制備方法、表征手段及應(yīng)用的知識(shí)，初步具備新型功能高分子材料的設(shè)計(jì)能力。傳統(tǒng)的評價(jià)模式注重學(xué)生對于知識(shí)掌握的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，主要采用閉卷考試的方式，然而本課程具有知識(shí)系統(tǒng)復(fù)雜、知識(shí)量大、知識(shí)更新快等特點(diǎn)，所以閉卷考試的考核方式容易導(dǎo)致學(xué)生采用死記硬背的方式學(xué)習(xí)；另一方面，當(dāng)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(yīng)調(diào)整。課程的總評成績由期末成績和平時(shí)成績組成，期末成績占總評的70%，采用開卷考試方式，平時(shí)成績占總評的30%。首先，采用開卷考試可以弱化知識(shí)記憶在評估中的比例，通過設(shè)計(jì)較多的綜合題以突出學(xué)生對知識(shí)的理解和運(yùn)用能力的考核，減少學(xué)生突擊復(fù)習(xí)應(yīng)付考試的現(xiàn)象，也有助于減少學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)；另一方面，平時(shí)成績主要用于考察學(xué)生上課時(shí)回答提問與課程討論的情況，對于評價(jià)學(xué)生的知識(shí)掌握與運(yùn)用能力具有重要參考價(jià)值，不僅是考試的重要補(bǔ)充部分，還可以提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性。
6結(jié)語
針對功能高分材料課程的特點(diǎn)及其在高分子專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的重要地位，在課堂教學(xué)中堅(jiān)持貫徹結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的教學(xué)主線，補(bǔ)充相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展專題以豐富課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，充分利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的形象性和生動(dòng)性，提供課外科研見習(xí)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(xí)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(xiàn)
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