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高分子化學實驗是高分子化學課程教學的一種最有效的實踐教學形式,它可以幫助和促進學生課堂理論知識的學習與消化,建立和鞏固高分子化學基本概念和理論,獲取高分子化學知識,培養科學素質和操作技能。我國著名化學家戴安邦指出:“只傳授化學知識和技術的化學教育是片面的,全面的化學教育要求既傳授化學知識和技巧,又訓練科學方法與思維,還培養科學精神和品德,學生在化學實驗中是學習的主體,在教師指導下進行實驗,訓練用實驗解決化學問題,使各項智力皆得到發展”。這番話指出了開設化學實驗課的深刻內涵和重要價值。2004年國家教育部頒布的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》在評估指標的二級指標“實踐教學”中,從“實踐教學內容與體系,綜合性、設計性實驗課的比例及效果,實驗室開放”三個方面明確了實踐教學改革和發展的方向。近幾年高校的化學類實驗教學改革取得了令人矚目的成果。高分子材料科學與工程專業是很多高校在近年來新開設的專業,在實驗教學與改革方面的成果積累較少,尤其高分子化學實驗教學采用陳舊的教學內容和教學方法依然居多。通過調研發現,目前國內高校高分子材料科學與工程專業的高分子化學實驗教學依然不同程度地存在一些問題。
一、高分子化學實驗教學現狀剖析
1.實驗教學體系和內容欠爭理
多數的實驗教學附屬于理論教學,沒有單獨設課和單獨考核,實驗課時相對較少雖然有些高校高分子化學實驗已經獨立設課,但僅作為考查課。實驗教學內容中傳統的、陳舊的實驗較多,而體現現代科學技術發展成果的實驗很少認知性、驗證性實驗所占的比理偏高,培養學生創新能力的綜合性、設計性、應用性和創新性的實驗偏少,而且實驗環節偏重于理論,突出高分子材料應用性特點的實驗太少,不利于培養學生的工程觀念。
2.實驗教學方法單一
學生按照實驗講義預習,然后進實驗室。實驗前教師把實驗目的、實驗原理、儀器使用方法、測試方法、實驗步驟和數據記錄表格及數據處理方法等進行詳細的集中講解。學生只需按教師指導的過程按部就班或者依照講義“照方抓藥”,就可以完成一個實驗。一部分學生糊里糊涂地來到實驗室,只動手不動腦地完成實驗,然后又迷迷糊糊地離開實驗室。實驗的現象和結果沒有給他們留下太深的印象,對學生觀察能力、分析問題和解決問題的能力以及創新意識的培養都很不夠。這種統一模式、統一要求、齊步走的教學方法,一方面造成了學生對教師的過分依賴,另一方面抑制了學生個性思維的發展和創新能力的培養。
3.實驗嫩學手段落后
在現代信息技術迅速發展的今天,雖然網絡技術、多媒體技術等現代教學技術在理論教學中得到了普遍應用,但虛擬、仿真等實驗技術手段未能在實驗教學中推廣應用。這樣對于一些耗費過高、時間過長、毒性過大、危險性過高的實驗,只能最低限度地開設,且開設過程中費用大和危險性高,導致學生對此類重要實驗缺乏足夠的認知和感受的機會。
二、新教學模塊的實踐性探索與成效
針對目前國內高校高分子材料科學與工程專業高分子化學實驗教學中存在的一些問題,借鑒其他化學實驗教學改革的優秀成果,提出了基礎技能實驗、綜合設計實驗、研究創新型實驗的三個高分子化學實驗教學模塊體系,并在每個模塊中結合常熟理工學院教師的科研成果引入_些新的實驗教學內容,采用開放式實驗教學方法。通過實驗教學實踐發現新的體系和教學方法在培養學生的創新意識和工程實踐能力方面起到了較好的效果。
1.基礎技能實驗教學模塊
基礎技能實驗模塊構建的目的著重建立高分子化學實驗與相關基礎理論知識之間的有機聯系。培養學生的實驗安全意識、清潔衛生習慣和嚴謹的實驗態度。訓練學生掌握熟練規范的實驗操作技能和技巧,為后續的實驗教學模塊的實施打下良好的基礎。
基礎技能實驗模塊的教學內容設計在課時總量的40%~50%為宜,課時數約30學時,開設8~10個實驗。教學內容設計涉及到高分子化學反應機理,如自由基、陰離子,陽離子等連鎖反應機理,縮聚、基團轉移聚合等逐步反應機理,開環聚合反應機理等。在實驗實施方法方面涉及到本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合、熔融縮聚、界面縮聚等。如設計膨脹計發測定苯乙烯本體聚合動力學實驗,讓學生直觀感受到了誘導期概念、聚合過程體積減小的現象以及聚合物溶液的粘性特征等非常重要的高分子化學理論知識。設計過硫酸鉀引發甲基丙烯酸甲酯自乳化聚合實驗,除讓學生明確了乳液聚合的基本原理外,還了解到了聚合物大分子鏈端基的重要作用。設計己二酰氯和己二胺界面縮聚實驗,讓學生深入理解了界面縮聚的概念和聚合物的可紡成纖性能等主要高分子知識。通過設計一些自由基、陰離子、陽離子等連鎖反應機理的實驗,使學生進一步掌握了活性中心的概念,同時在實驗過程中認知了這些引發劑的活性、安全使用和貯存事項。
2.綜合設計實驗教學模塊
綜合設計實驗教學模塊旨在培養學生較強的實際動手能力,自主設計和分析解決問題的能力。本實驗模塊是實驗教學的較高層次,注重學生實驗的自主設計性和綜合性。
教學內容設計在課時總量的20%~25%為宜,課時數約15學時,開設2~3個實驗。本教學模塊的特點之一是實驗內容的綜合性,可以將同一門課的幾個實驗,或者是幾門課的實驗組合在一起,形成一個大實驗。本教學模塊的特點之二是實驗方案的靈活性和設計性,側重培養學生的自主實驗和學習的意識和良好習慣。例如關于高分子合成實驗先確定好采用的聚合機理和聚合方法,在原材料配方組成、引發劑種類及用量、合成溫度等工藝條件方面給出一個大致的框架,然后讓學生在所給的框架內進行自行設計和實施實驗。譬如懸浮法制備聚苯乙烯珠粒實驗,水的用量范圍為苯乙烯質量的100%~200%、分散劑為磷酸鈣或聚乙烯醇兩種、引發劑過氧化二苯甲酰用量為苯乙烯質量的0.2%~1.0%、反應溫度設定在75℃~85℃范圍等。學生通過自行設計的方案實施實驗獲得了不同的實驗結果,通過對不同組之間實驗結果的綜合分析,找到了影響懸浮法制備聚苯乙烯珠粒的一些因素,激發了學生動手實驗的興趣,發揮了學生自主實驗和學習的主觀能動性。
3.研究創新實驗教學模塊
設置研究創新實驗教學模塊培養學生的科研和創新意識、提高學生的綜合素質和應用開發能力,為實現培養高質量的應用型人才的教育目標提供重要的教學內容實體支撐。
本實驗模塊是實驗教學的最高層次,注重學生實驗的獨立自主陛、綜合性、應用性和創新性,教學內容設計在課時總量的20%~25%為宜,課時數約15學時,開設2~3個實驗。本實驗教學模塊的特點之一是實驗項目的獨立自主性和綜合性。也就是說確定好實驗項目之后,讓學生在實驗教師指導下獨立自主地進行實驗項目方案的調研、設計、實施和結果分析。本實驗教學模塊的特點之二是實驗項目的應用性和創新性,所擬定實驗項目必須關聯生產實踐中的聚合物產品,充分體現實驗項目的應用性。實驗項目設計主要針對這些高分子產品生產實踐中存在的共性問題和關鍵問題的解決來進行設計。通過研究創新實驗的實施,發現學生學習積極性很高,樂此不疲,為培養學生創新意識和展示高分子化學實驗的應用性特征提供了最佳學習平臺,尤其是開發一些聯系生活實際的應用型實驗,可使學生親身感受到高分子化學實驗的實用價值,能強烈激發學生的創造動機。此外,研究創新實驗往往需要多名學生共同完成,有利于培養學生的團隊合作精神。例如,聚氨酯絕緣漆的制備及性能測定實驗,每個學生做一個實驗配方,每5名學生一組,5名學生的實驗結果綜合在一起可以得出高分子樹脂配方組成與漆膜性能之間的關系曲線,以及固化條件與漆膜性能之間的關系曲線。在實驗過程中,5名學生要共同安排實驗方案,盡量保持操作的一致性,最后得出的結果要呈規律性變化。如果有一名學生操作有誤,這個實驗點就會落在規律性以外,影響其他學生對實驗現象的觀察。因此,實施研究創新實驗項目對教師也提出了更高要求。在每次實驗前,教師要指導學生擬定方案,并對可能出現的實驗現象和各種影響因素進行分析,實驗過程中,又有多種意外的實驗現象出現,這勢必要求師生共同分析和討論造成這些現象的原因,幫助學生透過現象深刻理解事物的本質。這樣做需要教師有相當的知識儲備量,并且要求教師也不斷進取,充分體現了教學相長的教育理念。
三、結論
基礎技能實驗、綜合設計實驗、研究創新實驗+教學模塊教學的實踐證明教學效果顯著,特別對提高學生綜合實踐能力、激發學生理論課學習興趣、培養學生創新意識和應用開發技能取得了預期效果。基礎技能實驗模塊的教學效果主要體現在實驗現象與相關基礎理論知識之間的有機聯系,高分子化學實驗操作技能和技巧的掌握和規范。綜合設計實驗的教學效果主要體現在學生自主設計和分析解決問題的能力培養。研究創新實驗的教學效果主要體現在學生科研和創新意識的建立,以及學生團隊意識和應用開發能力的培養。
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高分子化學和高分子物理是高分子科學相關專業的專業基礎課。在專業課程設計中,一般兩門課程獨立設置,其中各占有48到72學時不等。我校的生物功能材料專業開設了高分子方面的課程,其中高分子化學與物理是該專業的專業基礎課。根據該專業特點,生物功能材料涉及領域較廣,從無機陶瓷材料到有機高分子材料都有涉及。該專業學生只需掌握有關高分子化學和高分子物理的基本理論知識和應用技能,因此我們開設了高分子化學與物理課程,所設學時為56學時,開設時間安排在二年級下學期,為三年級開設《高分子材料化學》等課程打下一定基礎。該課程內容涉及高分子材料的合成與實施方法,高分子材料的結構、性能、成型加工及其應用,是一門多學科交叉、實用性很強的學科。根據該課程具有涵蓋內容廣,物理化學和有機化學知識運用較多等特點,這樣有限的課時設置就給授課帶來了一定困難,導致學生在理解和應用本課程知識方面具有一定難度。另外,我校該專業物理化學課程設置在二年級下學期和三年級上學期,其中物理化學反應動力學部分講授時間較晚,這也給高分子化學與物理的授課帶來了一定困難。那么如何在有限的學時內系統地講授高分子學科基礎知識,是本文需要重點探討的問題。
1.選擇教材,合理安排教學內容
受授課學時的限制,我們選用的教材是化學工業出版社出版的《高分子化學與物理基礎》,由魏無際等主編。該教材系統地闡述高分子化學與物理的基本概念、基本知識、基本原理和基本測試方法,教材內容全面,難度適中,比較適合生物功能材料專業的教學要求。針對課時較少的現狀,我們對教學內容進行了合理安排。對于高分子化學部分,重點講解高分子的基礎概念、縮聚和逐步聚合、自由基聚合、聚合方法、陰離子聚合等內容,自由基共聚合、陽離子聚合、配位聚合等可較簡單講解,聚合物的化學反應章節主要由學生自學。這樣既保證了學生能夠掌握高分子化學的基本概念及反應,又沒有因為課程過難給學生造成學習困難。對課程中的某些內容,例如聚合動力學的推導,在物理化學中化學動力學部分還沒講解的情況下,我們在教學中不要求學生記住所有推導和公式,僅提出聚合動力學基本知識,引導學生自己進行動力學推導。對于高分子物理部分,我們重點講解高分子的結構、高分子的分子運動、力學狀態及其轉變,簡單講解高分子固體的基本力學性質、高分子溶液的基本性質章節,對高分子電學、熱學和光學的基本性質章節主要由學生自學。這樣課程的安排,重點講解能夠加強學生對高分子學科基本知識的掌握;簡單講解能夠擴大學生的知識面、引導有科研需求的學生課下加強該部分內容的掌握;自學部分主要為了深化學生對高分子學科知識的理解。重點講解、簡單講解與學生自學相結合的教學方法,突出了本課程重點、拓寬了學生知識面,克服了高分子學科教學中內容多、概念多、數學推導多等難于克服的難點。
2.理論聯系實際,提高學生學習興趣
高分子化合物廣泛存在于日常生活中,如穿著用的化學纖維、自然界存在的棉、麻、絲綢等,食品行業中的蛋白質、淀粉、纖維素,建筑行業中用的涂料、各種高分子管材、膠黏劑、有機玻璃,行駛工具中應用的橡膠、工程塑料、增強纖維等。高分子科學在人們的日常衣、食、住、行中發揮著極其重要的作用,其是一門應用基礎型的學科。高分子化學與物理的教學,單純的講解很難引起學生的學習興趣,教學效果不顯著。為提高學生學習興趣,我們在講解基本知識的同時,注重理論和實際相結合,列舉了大量實例。例如講解縮聚反應時,對滌綸、尼龍等一些重要的縮聚物的生產原理進行了重點講解,對聚乳酸生物材料進行了系列概述,包括其生產方法、原理和應用等;自由基共聚合部分,講到聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS樹脂)、丁苯橡膠(SBR橡膠)等一些著名共聚物和常見聚烯烴產品及它們的制備原理、主要性能和用途。其中舉例聚四氟乙烯(PTFE)用于流量泵、反應釜內襯和攪拌棒外面涂層,聚氯乙烯(PVC)用于各種集成吊頂和各種垃圾袋等。在高分子發展史中,講授諾貝爾獎成果和獲得者的發明典故,例如電高分子的發現、齊格勒-納塔催化劑的發展,以增強課堂的趣味性;講述了第二次世界大戰期間高分子的發展典故。此外,讓學生翻看塑料水杯的材質、衣服標簽讓學生認識各種標志上一些材質的名稱,指出我們的水杯、服裝由哪些合成高分子構成,并討論目前常用的化學纖維名稱和聚合原理;通過舉例講解方式,激發學生自主學習興趣。
3.多媒體與板書教學方法相結合,提高教學質量
高分子化學與物理基礎課程知識面廣,其涵蓋了高分子化學、高分子物理、高分子加工等方面內容。該課程教學信息量大、理論性強,學生理解相對比較困難。因此,我們在教學過程中注意多種教學形式相結合,提高教學質量。課堂主要采用多媒體教學方式,同時輔以板書講解,取得了不錯的教學效果。利用多媒體教學方法既能夠將理論的知識直觀體現出來,又能夠將難于理解的教學內容形象地展示出來,這樣可以使學生更容易理解所學內容。例如,在講解配位聚合時,利用動畫演示雙金屬活性中心機理和單金屬活性中心機理中單體分子的插入過程與鏈增長過程;自由基聚合實施方法中,利用制作動畫模擬懸浮聚合和乳液聚合過程中單體的分散過程,高分子物理中拉伸對高分子結晶形態的影響、動態黏彈性模型,等等。通過多媒體的運用,可以使抽象的教學內容具體化,有效提高學生學習的趣味性。多媒體課件也會存在一些缺陷,比如講課節奏過快,學生難以吸收;教師過于關注幻燈片屏幕,減少了和學生的交流互動,等等。在實際教學過程中,還應注意和板書的有效結合,對重點知識內容采用板書的形式進行講解,取得了不錯的效果。
4.網絡教學方法的運用
針對多媒體教學存在講課節奏過快,學生難以吸收等缺陷和板書教學進度緩慢等特點,對重要章節,我們采取課堂與課下網絡教學相配合的方法。網絡教學在原來多媒體教學基礎上,對教學過程和教學內容提供了全面支持。目前學校構建了一個比較完整的網上教學支撐環境,提供多媒體錄播室進行教學視頻的錄制,最后把課件與錄制視頻統一上傳到網絡教學平臺。網絡教學有許多傳統學習方法無可比擬的優點,例如學生學習自主性增強,真正發揮學習的主觀能動性,學生學習在時間和空間上少了許多限制,學習的探究性更加深入。另外,網絡背景下學生在獲取不同的資源時可以進行比較,相互之間取長補短,知識面更廣。隨著現在網絡技術的發展,學生可以在宿舍、教室和學校多媒體教室通過網絡對課堂內容進行學習。網絡教學方法的運用,大大彌補了課堂多媒體課件存在一些不足,大大提高了教學效率。
5.開展互動式教學,發揮學生的學習主動性
教學是教師和學生的共同行為,學生是課堂的主體,教師是學生學習知識的引導者。目前高校教學方式偏重以教師“教”為主,忽視了學生“學習”的主動性,學生始終處于“被動學習”地位。這樣的“被動學習”,導致學生具有學習壓力大、心理負擔重等特點。針對這一現狀,我們采取課堂互動的教學方式,包括師生提問、討論和學生上講臺相結合的方式進行教學活動,取得了一定效果。比如在下課前教師先提出下一節課的預習內容,提出一些討論問題,例如在講述縮聚反應時,提出不同聚合時間獲得聚合物分子量是否相同、什么樣的單體能夠發生縮聚反應、什么樣的單體能夠獲得支化的高分子等問題。讓學生通過查閱資料,自己尋找答案,并在下次課堂上讓學生進行討論,然后教師補充。這樣既提高了學生的學習思考能力,又增強了學生的學習主動性,提高了學習興趣。另外,我校為農業院校,雖然學習《高分子化學與物理課程基礎》課程的學生是非農業專業,但是部分學生畢業后或許從事涉農相關服務業。考慮到此種情況,我們在授課內容安排上,對目前農業應用的高分子材料和高分子在農業方面的潛在應用進行了討論,給他們提供了創造性思維。比如在講自由基聚合章節時,我們就對強吸水樹脂的制備現狀和發展前景,主要針對其在農業生產中的應用進行了講述,對高分子薄膜在農業中的應用及帶來的“白色污染”與應對措施進行了討論。通過這樣的討論,我們鍛煉了學生分析思考問題的能力,這為學生工作與科學研究的創新思維形成打下了基礎,提高了學生的學習積極性和學習興趣,加深了對本課程的理解。
6.結語
通過對本校生物功能材料專業《高分子化學與物理基礎》課程教學中的一些課程設計特點、面臨的問題及目前采取的措施進行了總結。《高分子化學與物理基礎》雖然是一門專業基礎課,但其理論性強、概念抽象難懂,如何讓學生在掌握該課程基本理論的同時,調動學生的學習積極性,培養學生的自主學習能力和創新意識,是教學工作中需要不斷探索的問題。我們將在總結已有教學經驗的基礎上,繼續對本課程教學方法的改善與創新進行探索,以提高該課程的教學質量。
參考文獻:
[1]魏無際,俞強,崔益華.高分子化學與物理基礎(第二版).北京:化學工業出版社,2011.
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)43-0083-02
一、《高分子化學與物理》課程特點
經過高分子科學與技術的快速發展,高分子的理論發展與應用已經滲透到物理學、化學、材料學、生物學等各個學科與領域,具有鮮明的學科交叉特色。高分子化學與物理的研究成果已經進入了我們日常生活的每個方面[1-6]。作為一門多學科交叉、實用性很強的學科,高分子對各個工業部門和科技領域的滲透作用已成為不爭的事實,所以在現行中國高等教育的本科專業中,如化學、應用化學、材料化學、材料物理、復合材料、輕化工程、包裝工程、紡織工程、生物工程和環境工程等許多非高分子專業都將高分子相關知識作為必修課和選修課。
非本專業《高分子化學與物理》教學的側重點在于闡述現代高分子科學已成熟的基本概念、基本知識、基本原理和基本測試方法,對涉及高分子科學研究前沿的理論、測試方法以及高分子的新產品介紹等內容點到為止,該課程的學習為輕化工程專業學生開啟了一扇通往高分子科學的窗戶,引導學生了解高分子化學在高分子學科中的地位,通曉課程的主要研究對象和研究內容,為后續專業基礎課的學習和高分子在染整中的應用奠定基礎[1,2]。通過多年的教學實踐證實,對于輕化工程專業(染整方向)的本科生來說,《高分子化學與物理》課程教學呈現以下幾方面的特點。
(一)基礎課程,銜接不夠
對于輕化工程專業(染整方向)的本科生,高分子的學習顯得尤為重要,一方面后續課程(如《纖維化學與物理》、《染整工藝原理》和《染料化學》等)的學習必須以高分子為學科背景,另一方面大學生的生產實習、創新學分實驗、創新訓練計劃和本科畢業論文等實踐性環節的開展也必須要有高分子基礎,因此為了讓染整方向的本科生了解和掌握高分子的基本理論知識和應用,開設了《高分子化學與物理》學科平臺課程。該課程的學習必須以《有機化學》、《物理化學》和《無機化學》的課程學習為基礎,但江南大學輕化工程專業將《高分子化學與物理》課程設置在大二下學期,《物理化學》等課程也在此學期開設,因此課程開設時間過早,缺乏基礎課程的知識,建議在大三上學期開設,以期獲得較好的教學效果。
(二)內容多、學時少,課時緊張
《高分子化學與物理》課程主要包括高分子化學和高分子物理兩個部分,其中高分子化學部分包括高分子科學的發展歷史、發展趨勢,基本概念、分類與命名、基本原理、高分子合成反應與方法等,涉及逐步聚合、自由基聚合、離子聚合、配位聚合和共聚合等;高分子物理部分則側重于高分子的結構(如鏈結構、聚集態結構等)、分子運動、力學狀態與轉變,物理性能等。對于高分子專業的本科階段,通常會開設《高分子化學》和《高分子物理》兩門課程,分別在32至48學時不等;而對于輕化工程專業,只開設了《高分子化學與物理》一門課程,48學時,相對來說內容多、課時少。在這樣的情況下,教學活動的有效開展、課程體系的完善、講授內容的連貫與取舍等都顯得非常重要,對任課老師是一種不小的挑戰。
(三)注重理論,缺乏實踐
《高分子化學與物理》是一門以實驗為基礎的自然科學,但輕化工程專業只開設理論學習課程,沒有相關實驗課程。為了使學生能夠更好地掌握課程學習內容,同時培養學生的動手能力和分析、解決問題能力,提高學生的實驗技能,相應的實驗課程的開設顯得非常迫切,能夠讓所學知識與理論在實驗中得到驗證,注重理論與實踐的結合,讓學生從最初的原料出發,選擇合適的聚合方法與聚合反應,得到在實際生活中真正用得上的高分子產品。
二、教學改革舉措
針對輕化工程專業《高分子化學與物理》的課程特點,結合本校的實際情況,要求學生在理解基本概念和掌握基礎理論的基礎上能夠了解高分子的應用,重點培養他們的實踐與創新能力,作者經過幾年的教學實踐和摸索,總結了幾點教學改革舉措。
(一)規劃本科培養方案,合理調整課程設置
目前我校輕化工程專業的課程設置還存在一定的問題,建議對本科培養方案進行修改,在《高分子化學與物理》授課前完成《有機化學》、《物理化學》和《無機化學》等基礎課程的學習,這樣才能提高學生的學習效率,增強他們的學習興趣,便于更好地掌握相關理論與知識。
(二)多媒體資源課件與傳統板書有效結合
多媒體課件具有豐富表現力、良好交互性和極大共享性等特點,它可以將枯燥乏味的理論知識直觀化和形象化,能夠充分調動和發揮學生學習的積極性和主動性。但在運用多媒體教學的同時也出現了諸如教師幾乎不寫板書,學生不記筆記等問題,嚴重影響了教與學的質量。建議對任課教師的教學大綱、考核方式、教學難點與重點等相關教學文件進行監督,要求授課過程中課件放映與傳統板書相結合,將學生上課情況、學生主動參與積極性、平時作業等與學生的最終成績掛鉤,進行綜合評定。
(三)增設實驗課程,提高學生實踐能力
《高分子化學與物理》是一門理論與實踐相結合的課程,實驗課是對理論課學習的有效補充,通過直觀的現象和結果驗證理論學習的真實性,幫助學生理解所學理論知識,因此實驗課的教學顯得尤為重要,建議在輕化工程專業開設實驗課程,但涉及的實驗眾多,要求任課老師充分考慮實驗的可操作性、重復性和可行性等方面,認真編寫實驗講義。此外,學校和學院應重視實驗室配套設施建設,突破實驗教學完全依附于理論課程教學的傳統框架,增加啟發式實驗和創新性實驗所占比例額,注重驗證性實驗、啟發式實驗和創新性實驗有效結合,開動學生的思維,發揮學生的潛質,提高學生的創新意識。
(四)理論聯系實際,注重啟發式教學
《高分子化學與物理》是一門相對來說比較抽象、枯燥的課程,但它也是一門應用性很強的課程,高分子材料用途廣泛,遍及現代社會生活中衣、食、住、行、用等各個方面,因而在課程講授時注重理論聯系實際,將抽象的概論、理論與實際應用有機結合,將對課堂教學效果起到重要的促進作用。
三、創新能力的培養
(一)培養方案中開設新生研討課和專業導論課
為了提高學生對專業的認同感以及學生的學習興趣和熱情,可以嘗試在本科培養方案中針對大學新生開設新生研討課和專業導論課,以趣味講座和座談的方式進行專業介紹,了解專業背景,告知學生輕化工程這個專業是以化學與高分子為學科背景的,加強學科平臺課程的學習至關重要。
(二)實施學生雙導師制
全面推進學生雙導師制是確保創新型人才培養的重要手段,企業導師和校內導師組成課程小組,共同確定課程教學大綱、教學內容、教材及承擔教學任務,使專業理論課程與行業實際需求緊密結合。
(三)強化實驗課程學習和創新能力培養
實驗課程采用自主設計實驗,在實驗大綱的規范下完成實驗要求,將驗證性實驗、啟發式實驗和創新性實驗有機結合。在國家大學生創新創業計劃項目、江蘇省大學生創新創業計劃項目和江南大學大學生創新訓練計劃項目等資助下,實現學生創新訓練的全參與和全覆蓋,指導教師從選題開始就應該注重基礎理論知識在創新實驗中的應用,達到學以致用的目標。
(四)強化學生的畢業論文(設計)指導
畢業論文(設計)是學生畢業離校前最后一個實踐性環節,也是所學基礎理論知識得到充分應用的關鍵環節,因此可以從課題的選擇、采取的技術路線、擬采用的研究方法和達到的預期目標等方面進行合理規劃與設計,充分發揮學生所學知識與理論的應用,提升學生運用知識的綜合能力,強化學生的專業基礎。同時,輕化工程專業的畢業生中從事與高分子相關行業的人數眾多,學科交叉特色鮮明,為學生的出國深造、攻讀研究生和就業奠定堅實的高分子基礎。
四、結語
根據國內外行業需求和自身特色,通過教學改革與實踐,圍繞復合型、創新型染整專業技術人才的培養目標,通過理論與實踐相結合、教學和科研相結合、校內與校外相結合、科學素養與人文情懷相結合的人才培養模式,注重理論知識的傳授與學生創新能力的培養相結合,全面提高和調動學生的學習積極性和學習興趣,為學生的學習與工作奠定堅實的基礎。
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中圖分類號:G642.4文獻標識碼:A文章編號:1672-1101(2011)03-0085-03
高分子化學實驗課是許多院校高分子及相關專業學生的必修課[1]。高分子化學實驗不僅驗證高分子化學有關的聚合理論,如果合理引導與啟發,更能為學生學習后繼高分子相關課程奠定必要的認識基礎。如何通過高分子化學實驗來培養學生對本專業的興趣,提高學生的高分子專業素養,是高分子專業教學工作者不斷探索的重點。以前的一些教學改革的研究,大多側重于對教學方式和實驗內容進行改進,比如微型化實驗探索[2] 、采用多媒體進行實驗教學[3]、開設研究性實驗[4-5]等等,很少涉及到學生主人翁精神的培養。本文綜合前人的研究,從學生“主體”意識的培養、實驗內容的設置以及教師隊伍的素質三個方面來論述如何提高高分子化學實驗教學效果,與同行商榷。
一、讓學生自覺成為實驗主體,從源頭提高學生學習興趣
高分子化學的基礎實驗對初入門的學生仍舊是全新的,通常實驗都是學生按照實驗講義預習,講義中十分詳細地寫著有關的實驗配方和操作工藝,學生只要依照講義“照方抓藥”即可,同樣配方的實驗,觀察同樣的實驗現象、得到同樣的實驗結果。一部分學生糊里糊涂只動手不動腦地完成實驗。實驗的現象和結果沒有給他們留下太深的印象,對學生觀察能力、分析問題和解決問題的能力以及創新意識的培養作用不大,甚至實驗的基本目的也難以在學生頭腦中留下深刻印象。有的學生甚至會產生惰性,對實驗采取敷衍的態度。因此,提高學生對高分子實驗的學習興趣,變“他要我學”為“我要學”,激發學生去了解、學習、探索高分子化學的學科領域。
21世紀的大學生,大多是“90”后,個性張揚、自我另類。要想培養這樣的學生從了解高分子化學基礎理論――了解高分子材料的應用――熱愛高分子化學學科――學習高分子化學的主動性――對高分子化學實驗產生濃厚的學習興趣很不容易,因此,必須從源頭開始引導。
(一)開展實驗動員
在學生開始做高分子實驗以前,專門安排一定的時間進行高分子實驗的動員會。借助現代教學手段,把實驗視頻、動畫、圖片、圖表和實物投影等有機地結合起來,形象生動,讓學生對高分子實驗有一個感官上愉悅的認識,從而對自己動手做實驗產生期待。
(二)提高對實驗預習的要求
通常實驗都是學生按照實驗講義預習,很多時候學生只是充當 “復印機”,將講義中有關的實驗配方和操作工藝照抄照搬到實驗預習報告上。至于實驗的機理是什么,涉及到哪些高分子化學理論,實驗中所用到的藥品哪些是中間體,哪些是引發劑,哪些是分散劑和乳化劑,為什么用這種中間體、引發劑、分散劑,實驗采用哪一種實施方法,還可以有哪些方法等等,大部分學生感到茫然無措。因此,在實驗開始前要求學生預習實驗內容,通過自己的思考,運用所學理論知識或搜集的信息、文獻資料寫出實驗預習報告。這樣寫出來的預習報告每一本都不一樣,學生就會有一種創造“自己的”實驗的感覺。
(三)保證學生單獨完成實驗
實驗時,要求學生按自己設計的預習報告進行實驗探索,如實記錄實驗現象和有關實驗數據,對照假設分析歸納,完善實驗報告。在條件允許情況下,應盡量安排學生一人一組進行實驗,并且每人保管一套實驗儀器。學生在實驗室擁有自己的實驗臺和實驗儀器,很符合“90后”自我的特點,能夠激發學生的責任心,大大提高學生的主人翁精神。
(四)總結評價
實驗結束后,教師先對實驗情況進行分類點評,有代表性的交流實驗探索過程,總結成功經驗,分析失敗原因。最后教師對本堂實驗課進行較為全面的評價,并對實驗效果比較好的同學給予肯定,推廣經驗。自己的努力得到老師積極地評價后,學生對實驗的興趣自然就會大增。
因此,讓學生成為高分子化學實驗的主體,使學生對高分子化學實驗產生濃厚的學習興趣,對學生觀察能力、分析問題和解決問題的能力以及創新意識的培養都很有益處。
二、設置合理的實驗內容
高分子化學實驗不僅可以驗證高分子化學有關的聚合理論,合理引導與啟發學生學習積極性,更能為學生學習后繼高分子課程奠定必要的認識基礎。但是,學生完成大量的基礎化學實驗后,常見的高分子合成實驗,由于缺乏新的操作和技能,加之聚合反應耗時較長,如自由基溶液聚合搭好裝置,加料后通常反應3小時以上,學生在等待的過程中覺得沒意思,不利于啟發學生的思維和創新意識,不利于調動和發揮學生的主觀能動性。因此,合理設置高分子實驗的內容是維持學生興趣的另一個重要方面。
(一)合理的實驗體系的安排
對于高分子化學專業的新生來說,高分子實驗起著聯系理論和實際生產的橋梁的作用。本著這一宗旨,在課程的設計上,既要注重基礎,又要有所提高和創新。在本學院的課程體系中,既包含了驗證性質的高分子基礎實驗,又包括了提高層次的高分子綜合實驗課,還開設研究性質的設計性實驗。有利于學生循序漸進,逐漸提高學生的實驗能力。
(二)豐富的實驗內容
常見的高分子基礎實驗都是學生依照講義上的實驗內容進行,照單下藥,同樣配方的實驗,觀察同樣的實驗現象、得到同樣的實驗結果,這不利于提高學生的積極性,甚至于部分性急的學生不耐煩,創造條件導致實驗失敗。因此,用研究性實驗替代基礎驗證性實驗是一個很好的方法。讓學生把基礎實驗做成研究性實驗,即同時做實驗的同學分別完成不同配方的實驗,然后對實驗結果進行比較分析。一方面,由于實驗條件的變化會產生不同的結果,引發了學生的好奇心,他們在實驗過程中能夠應用已學理論知識對實驗現象分析,對實驗結果預測,可以幫助學生更深入的理解理論知識;另一方面,幾個學生進行不同實驗條件的探索、對比和總結,可以提高他們的協作精神,培養學生分析問題的能力和科學研究的探索精神。
(三)增加實驗的趣味性和創意性
很多學生都覺得做化學實驗比較枯燥,特別是高分子化學實驗,實驗時間比較長,過程變化慢,學生難以產生興趣。可以嘗試在這方面加以改進,在實驗前讓學生準備一些精美的樹葉或準備幾張自己的小畫片、小照片,實驗合成出聚甲基丙烯酸甲酯低聚體后加入少量顏料,調成一定顏色的透明漿料,然后讓學生將準備好的樹葉或小畫(照)片放到模具中,倒人預聚合產物進行灌漿、加熱后聚合處理,脫模后就得到一個自制的美麗畫框。這樣就可以使學生對實驗有了美的感覺,覺得做實驗是一種樂趣了。
三、提高教師隊伍的專業素養
一個好的專業教師必須具備很多優秀的品質,但是專業素養無疑是其中最重要的品質,因此提高高分子化學實驗教學效果,需要提高教師隊伍的專業素養。
(一)提高教師的專業素養
開展研究性基礎實驗以及研究性實驗,需要學生查閱大量的文獻資料,然后擬出實驗方案,根據方案進行實驗。這就對教師的知識背景有更高的要求。一方面需要實驗技能和教學經驗豐富的教授等高職稱的教師進實驗室擔任學生實驗的指導教師,提高指導層次;另一方面也需要較低職稱的教師了解高分子實驗的發展現狀和趨勢,提升自身實驗素養,提高教學效果。
(二)改進教學方法
在實驗教學手段上可以采用多媒體、網絡等先進手段代替傳統的黑板教學,讓學生更有效地利用資源,充分提高實驗教學的效果。在學生做實驗的過程中,教師應該融入到學生中間去,進行一對一的指導,這樣不僅有利于教師了解學生的實驗情況,更有利于增進學生和教師之間的關系,提高學生的實驗興趣和積極性。
教師深入研究高分子化學實驗,廣泛聯想,積極引導,不斷豐富實驗的內涵,會極大地激發學生的學習興趣與學習潛能,收到事半功倍的學習效果。
因此,讓學生自覺地成為實驗主體,合理地設置高分子化學實驗的內容,以及提升教師隊伍的專業素養,對于提高高分子化學實驗的教學效果有很大的促進作用。
參考文獻:
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隨著人類文明的進步與社會經濟生活的發展,能源危機、人類重大疾病相關問題、環境問題等一系列對全球造成影響的科學技術問題的出現使得化學學科、特別是高分子學科成為所有學科的中心學科。例如,基于共軛聚合物半導體材料的有機發光二極管、場效應晶體管和聚合物太陽電池等最新的科研成果將成為未來社會生活中主要的半導體元器件;高分子藥物的出現將能夠很大程度上對藥物釋放、藥物靶向性等方面進行控制而不需要增加更多的臨床藥物試驗;生物醫用高分子在改善人類生活質量方面更是意義非凡。而各種塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑等高分子材料更是關系到人們衣、食、住、行的方方面面。可以說,現代人的生活已經離不開高分子化學和高分子材料。因此,對高分子科學的研究越來越受到國內外學者的關注。
高分子科學的誕生源于高分子合成化學,其基本概念源自于有機化學、物理化學等化學、材料學科,這種情況導致我國現有的高分子科學領域從業人員來源多樣。其中,從本科階段即接受高分子化學教育的比例依然很低,很多從事高分子材料、高分子化學、高分子物理、高分子工程等領域研究的人員本科主修為無機化學、物理化學、有機化學、材料學等專業。一定程度上,這些研究人員存在對高分子化學體系缺乏系統認知的可能。在我國高等學校進行高分子化學教學教育活動,是提高我國現有的高分子科學領域的從業人員基本素養與技能、促進我國高分子科學發展、壯大的重要途徑。
近年來,高等學校為主導的國家級或省級“協同創新中心”的設置,使我國高等學校進入新一輪的由教學型(教學科研型)大學向科研型大學轉變的歷程中。為快速實現這種轉變,培養高層次、研究型的高分子科學領域人才愈發顯得必要和重要。目前,主要的國際學術會議、頂級國際學術期刊均以英語為主。通過學術會議、、論文檢索等在這些國際知名的學術舞臺上進行高分子方面學術活動與信息交流,觀察國際高分子學科的發展動向,無疑是我國高分子學科跟進國際學術發展步伐和超越世界學術水平的基本條件。為此,我們必須建立培養能夠熟練使用英語進行高分子化學相關學科聽、說、讀、寫應用的國際性專業人才的教育體制和培養機制,強化我國高分子方面的科技隊伍建設。換言之,在本科階段開展高分子化學雙語教學,為培養具有國際化交流能力的研究生和高層次高分子科學從業者,對我國高分子學科的發展具有非常重要的意義。
在教學實踐中,我們發現完善教學內容,教學方式與手段,通過激發學生學習興趣和專業興趣,能克服其對雙語教學中英文的畏懼和排斥都有益處;制作精減的英文講義、多媒體課件深入研制等方法和措施的實施,安排學習英文講座視頻等都有利于雙語課程的講授。
3)利用視頻和錄像內容輔助教學。制作教學錄音和錄像,給學生共享,讓學生課下可以繼續觀摩課堂內容,培養其聽和說的能力。不斷構建新的新的本科雙語教育模式,使本科生能從雙語教學過程中分享課程教育國際化的機會,從中受益,并獲得在其他場所不能獲得的實踐和能力鍛煉,從而提高整體素質、創新意識及綜合能力。安排學生參加國際學術會議,到場聽取英語母語國家的專家匯報,同時錄制會議報告錄像和錄音。
4)組織學生檢索高分子化學基礎理論相關英文文獻、制作課件,并互相評閱,提升學生使用英文交流的能力。從科研的角度讓學生體會雙語教學“重點在讀懂、其次在會寫,然后是能聽懂和能說”的含義。
5)對于課堂教學效果的考察采用按照學習內容分段考核,并以英文形式呈現。例如,逐步聚合及其原理和聚酯、聚酰胺放在一起考核;自由基聚合物及其原理和實施方法一起考核;工程塑料、天然產物、環境污染和降解與穩定化放在一起考核等。這樣的做法,讓授課內容的排列更加緊湊,也讓學生更好的把握知識點的相關性。
6)強調背景預備知識積累,強化雙語教學對其他相關化學課程的關聯性,培養學生專業英語綜合素養,以期對學生閱讀英文文獻、其他相關英文課程教科書有所裨益。
總之,在過去幾年的高分子化學雙語教學中,我們通過合理的教學改革措施的使用,提高教學質量和教學效果,為將來這些接受良好英語授課培養的學生進入科研崗位,從事研究生學習打下良好的基礎。當然,這些方法也有繼續改進的空間,我們也將繼續進行深入研究與探索,總結經驗,探索培養具有創新意識和創造能力的高分子科學人才的新思路和新方法。
【參考文獻】
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高分子化學是高分子專業理工科學生的必修課,也是高分子科學及材料科學的理論基礎,在高等學校化學相關專業占有較大比重,與無機化學、有機化學、物理化學和分析化學并列成為第五大化學。因此,如何利用有限的教學時間和教學資源有效地將高分子化學專業知識傳授給學生,并能夠指導實踐應用,已成為眾多教學工作者的共同目標。作為一名高分子化學的教師,筆者在講授高分子化學課程中,對課堂教學方式與方法,多媒體教學手段,實驗教學,以及與生產生活的結合等方面進行了探討和思考。
1.教學與科研講解相結合
高分子化學是一門年輕的學科,發展歷史較短,許多理論尚不成熟。隨著時代的不斷進步,新的聚合方法和新的合成技術不斷涌現,對傳統的高分子化學概念提出了挑戰,同時也導致高分子化學教材的更新不能與科技同步。因此,在教學中,教師可以及時在傳統教材內容的基礎上補充近年發展的關于高分子化學的前沿科學技術和研究方法,結合國內外科研的最新研究成果和動向進行介紹與講解,使教學內容始終跟上時代的步伐,開闊學生的視野,激發他們對高分子化學課程學習的熱情。教師還可以推薦一些期刊、數據庫和書籍,引導學生根據自己的興趣自主學習,擴大學生的知識面,積極探索高分子化學的新領域。此外,在課堂上,對本專業老師的研究項目及最新研究成果進行介紹,如在配位聚合的講解中,筆者就結合自己的研究方向,講解通過開環易位聚合及非環二烯烴易位聚合方法合成不同拓撲結構的可降解聚合物用于納米材料和生物醫藥。同學們對高分子化學的某些知識有了更深的了解,從而調動了學習和科研的積極性、主動性[1]。
2.多媒體和板書授課相結合
高分子化學中聚合反應機理與動力學理論比較抽象,難以理解[2]。多媒體教學作為一種當前基本普及的教學手段,可以實現傳統教學無法實現的動態與三維效果,將高分子化學中微觀反應歷程形象逼真地顯示在屏幕上,大大增加單位時間內學生掌握知識的數量。此外,對于工科院校高分子材料專業的學生,畢業以后多數去工業研究部門或工廠工作,除了要掌握理論知識外,還要將理論與實際相結合。因此,在高分子化學的講授中應加入一些聚合物生產工藝部分的內容,對于這些內容的講解,都涉及生產流程,應用Flash作出動態的流程圖,幫助學生了解實際的生產過程,為以后的工作打下基礎。然而,先進的教學手段不等于能達到良好的教學效果,關鍵在于多媒體技術如何與傳統的教學手段相結合,從而實現它應有的價值。講授中發現,有很多需要理論推導的公式,例如自由基聚合中關于聚合動力學公式的推導,通過多媒體與板書相結合進行講解,學生能夠更容易理解和掌握。首先利用板書對相關公式進行詳細推導,一步一步地傳授給學生,然后與多媒體結合講解,并進行歸納和總結,這樣可以將結果表示得更清晰明確,更有助于加深學生對公式的記憶。
3.探究式與啟發式教學相結合
高等教育的任務不僅是傳授知識,而且要教給學生學習知識的方法,讓學生積極思考,充分發揮想象,勇于探索和創新,培養自學能力。教學是教師和學生的雙邊共同活動,在教學時,教師應經常向學生闡明“弟子不必不如師,師不必賢于弟子”的道理,引導學生自由發表觀點,從而拓寬學生思路,變被動學習為主動學習,培養他們的語言表達能力和歸納總結能力。在課堂上,教師采用講授、提問、練習、討論相結合的互動式教學啟發學生,學生積極參與。這樣不僅活躍了課堂氣氛,而且學生感到上課很輕松,漸漸對該課程感興趣,從而促進對知識的理解和探索。如教師可以在課堂上就某一主題或知識點專門進行討論,大家暢所欲言、各抒己見,培養發散思維能力。此外,還可以讓學生走上講臺,參與到教學工作中。例如在講到連鎖聚合反應時,科研將學生分成小組,各自選擇一種聚合反應,學生通過查閱文獻,制作多媒體在課堂進行講解,其他同學向其小組成員提問。通過文獻調研、講解、回答問題,鍛煉學生學習的主觀能動性與綜合能力,對學生基本的科研能力進行培養,老師也能從學生圖文并茂、生動形象地演講中獲得很多新的知識[3]。
4.理論知識與實驗教學相結合
化學是一門以實驗為基礎的科學,在化學教學中,實驗占有十分重要的地位。高分子化學實驗是高分子化學理論教學課程的重要組成部分,也是工科學生理論聯系實際的紐帶。實驗教學不僅能使學生更好地理解課程中的理論知識,而且對提高學生學習本課程的積極性,培養學生的思維能力,操作能力,觀察和解決實際問題的能力也有著極其重要的作用。高分子化學重點講述聚合反應的機理和實施方法,其實驗結果往往得到的是一些聚合物產品。我們可以選擇一些和學生平時生活、學習關系緊密的實驗內容來做。比如,以前我們開設了“聚甲基丙烯酸甲酯的制備”實驗,目的是讓學生了解和掌握自由基聚合反應的原理及反應條件對產物性能的影響,在實驗中發現,學生的積極性并不高。學生反映不了解聚甲基丙烯酸甲酯是什么東西。為此,我們將這個實驗換成“聚乙醇縮甲醛的制備”這個實驗,同學們的興趣一下子提高了許多。因為他們了解到這就是平時用的膠水,在實驗過程中尤其積極認真。很多同學還帶著空瓶子,做完實驗將自己制得的樣品帶回去。這雖然是一個實驗的調整和改變,但是通過這些,不僅使學生進一步學習和掌握了高分子化學的相關理論知識和高分子化學實驗的基本操作,提高了學生做實驗的積極性和主動性,而且使學生深刻認識到了高分子化學是一個和人們的日常生產生活息息相關的學科,激發了他們對該專業的熱愛[4]。
5.高分子化學與社會生活相結合
以塑料、橡膠、纖維、涂料等為代表的高分子材料與人類社會的生產實踐密切相關,且已經深入到日常生活的各個方面。然而,目前許多高校在講授時,對基礎理論方面的介紹非常系統、深入,但在高分子的應用和日常生活的聯系方面相對弱一些。因此,教師在進行理論教學的同時,應結合高分子的特點,注重積極聯系實際的生活和應用,在傳授學生理論知識的同時,還要培養其對身邊各種聚合物的認知能力。例如,在第一次上課時,可以介紹身邊的高分子材料,看到保鮮膜就知道是聚乙烯,看到一次性飯盒知道是發泡聚苯乙烯,看到塑料杯子、盆子就知道是聚丙烯等,掌握一些基本的生活技能。此外,有些高分子材料還能很好地引出課程內容。比如女生都非常熟悉的尼龍襪就是縮聚反應的典型代表――尼龍。此外,還可以提示學生在買鞋的時候,如果售貨員告訴是聚氨酯材料的,你就可以知道并不是天然的“皮”,而是人工通過縮聚反應合成的高分子材料。在教學過程中,還應當密切結合社會熱點與時事。如當前我們國家面臨大量廢棄塑料難以降解造成嚴重的白色污染問題、2010年上海市靜安區“11.15”重大火災等,培養學生社會的責任心、思考能力和研究能力[5]。
教學方法的改革是高校教育改革的重要組成部分。創新精神與實踐能力的培養是一個長期的過程,需要對教學過程中的各個環節認真研究,層層貫徹。隨著教學改革的不斷深入,我們將繼續探索,總結經驗教訓,為培養優秀的應用型創新人才作出不懈努力。
參考文獻:
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高分子化學是桂林理工大學材料科學與工程學院高分子材料科學與工程專業學生的一門核心專業基礎課程。[1-3]本校的高分子化學實驗被單獨列出來成為一門必修的專業基礎課,其本質是以實驗為基礎的自然科學。通過高分子化學實驗課的教授與學習,在實驗過程中培養學生實驗操作的熟練性,通過實驗裝置搭建、實驗現象的觀察和記錄,增強學生動手能力,實驗后期的實驗現象分析和實驗數據的處理都能培養學生解決問題的能力,通過實驗課的學習能使學生對理論知識理解深入,結合理論和實踐最終提高學生的綜合素質和創新能力,同時還能增加師生的互動與交流。高分子化學實驗是基于有機化學合成實驗,他們都具有原理性、概念性、實踐性、操作難度比較大的課程的特點,但是它又不同于有機化學實驗,有自己的特征,比有機化學合成實驗更為復雜,因此想要完全掌握高分子化學實驗中的各種操作技術具有一定的難度。高分子化學實驗課前期準備以及后續處理工作比較繁瑣,譬如單體、引發劑的精制與提純,所得聚合物的除雜與固化,以上這些工作都需要充足的時間來完成。另外,高分子化學實驗操作中涉及到預聚體的制備,同時實驗過程中需要用到大量危險品,因此這門課的教學內容還包括關于危險品的使用注意事項以及反應完畢后廢液的處理等。總之,高分子化學實驗課程對于本科生教學意義重大且課程內容豐富涉及面廣。
1教學現狀與存在的問題
本校高分子化學實驗課程具體所開設的實驗有:實驗一聚乙烯醇縮甲醛的制備;實驗二甲基丙烯酸甲酯本體聚合及有機玻璃的制備;實驗三醋酸乙烯酯的乳液聚合;實驗四苯乙烯的懸浮聚合;實驗五丙烯酸溶液聚合及高吸水性樹脂的制備和實驗六導電聚苯胺的合成及導電性測試。這六個實驗涉及了高分子化學中重要的四大聚合方法:本體聚合,溶液聚合,乳液聚合和懸浮聚合。作為基礎性的實驗,高分子化學實驗課可以培養學生的基本實驗技能且能熟悉實驗儀器的基本操作,但是目前以典型的驗證型實驗為主,他們只需要按照標準設化的實驗步驟完成實驗即可,學生的動腦思考受到了限制。這樣學生分析問題、解決問題的能力很難得到提升,也不利于學生創新思維的養成及學生的實驗興趣的提高。經初步調研論證,結合本校實際情況,我們確定以16、17級學生作對象,建立高分子化學實驗課程的實踐教學改革的試點,對高分子化學實驗教學模式進行改革探索與實踐。
2教學改革的實施
中圖分類號:O63-4 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2016)21-0235-01
近年來,隨著科學技術的不斷進步和發展,高分子科學與物理、工程、材料、生物、醫藥以及信息等眾多學科知識相互滲透、相互交叉,密不可分。作為高分子材料專業的基礎專業課的高分子化學課程,與無機化學、有機化學、物理化學和分析化學并稱為“五大化學”,已經被大多數理工科、師范類高校作為化學相關專業學生的必修課或是選修課。它以有機合成為基礎,與化工原理、數學等學科緊密聯系,其中包含了諸多的概念、反應推理,內容多,抽象難懂、學習難度大,同學們普遍反映較為枯燥,因此如何上好高分子化學這門課,提高同學們的學習興趣,產生強烈的求知欲,變被動學習為主動學習,是我們教師在課程教學過程中面臨的首要問題。針對以上問題,作者經過幾年的教學實踐、積累和探索,調動了學生的學習積極性,有效的提高了《高分子化學》課程的教學質量,取得了較好的教學效果。
一、注重緒論課的教學
第一堂課通常是老師簡單的介紹本課程需要學習的內容以及一些要求后,就迫不及待的開始講授教學內容,而作為一名講授高分子化學課的主講教師,發現高分子化學緒論課對于調動學生學習的積極性和主動性具有非常好的效果,能極大的激發學生學習本課程的興趣。由于同學們對諾貝爾獎都具有極大的興趣,首先,以專題形式介紹獲得諾貝爾獎的高分子科學家的學術貢獻,學習高分子學科的發展史,從而認識科學和科技的進步和發展,從1920年德國Staudinger發表了“ 論聚合 ”的論文,高分子概念的確立;50年代Zigeler和Natta發明配位聚合催化劑,解決了丙烯難以聚合的問題,使石油裂解產物得到充分利用,對化工業的貢獻巨大;80年代麥克德爾米德發明導電高分子,直到現在功能高分子得到大力發展。同時,通過舉例介紹高分子科學在工業、農業、國防、航空航天、能源、環境、建筑、生物醫藥以及日常生活中的廣泛應用,讓學生充分認識到高分子與我們的生活和國民經濟的密切關系。如應用可降解的聚乳酸作為手術縫合線,可進行自降解吸收而不必進行拆線;應用在航空航天及國防上的各種特種高分子材料,以及現在我們日用的食品保險膜、塑料袋,所穿的衣服材質滌綸、尼龍和聚酯纖維等全都是高分子材料。使學生清楚的認識到高分子材料與人民的生活、工業生產都是息息相關,從而認識到高分子化學的重要性,極大的激發了學生的學習興趣。
二、優化教學課程內容
高分子化學是以聚合反應和聚合物化學反應的機理和動力學為主線,主要包括高分子的基本概念、聚合物分類、逐步聚合、自由基聚合以及離子聚合方法等主要內容。在教學中,由于課時以及一些客觀原因,不可能對全部的內容進行詳細的講解,因此需對高分子化學的課程內容進行調整、重組和優化,更好的完善教學內容體系。首先,保證基本原理、基本概念的講解,其中,對傳統經典的高分子理論即:高分子的基本概念、逐步聚合、自由基聚合以及自由基共聚進行重點講解。例如,在講授自由基聚合的時候,需重點講授聚合機理和熱力學、聚合速率及動力學和聚合度及其分布等內容,其中的阻聚、緩聚等內容作簡單介紹就可。同時在授課過程中不拘泥于教材內容的排序,注重對各知識點進行重組和精煉,兼顧高分子化學最新的科技進展,適當增加最新的研究成果和研究熱點的教學比例:如活性自由基聚合、ATRP聚合、RAFT聚合、生物醫用高分子、超支化高分子、自組裝高分子等內容的講解,開闊學生的知識視野,從而提高學生的學習興趣和主觀能動性;做到重點突出,主次分明,在有限的學時分配中提高教學效率,改善教學效果。
三、教學方式的多樣化
高分子化學有“ 五多” 的特點: 內容多、概念多、頭緒多、關系多、數學推導多。由于高分子化學很多抽象的概念和理論,如果都是采取以老師在臺上從頭講到尾的“填鴨”式教學方式,學生聽課感覺枯燥,憑空想像難以理解。因而在講課方式上采取形式的多樣化來激發學生的學習興趣:一、運用多媒體中圖片、文字、聲音和動畫等方式來輔助教學,使一些抽象難以理解的概念形象、直觀,生動、具體化,讓學生易于理解和學習,從而提高教學效果;二、有意識地運用互動式教學,避免照本宣科,像有些認知性的章節采取讓學生分成小組,課下一起準備PPT,課上讓小組派代表來講課;講解公式推導的時候,讓學生參與進來,和老師一起推導演算;激發學生參與教學的積極性,拉近老師與學生的距離,活躍課堂氣氛,激發學生學習的興趣,提高高分子化學的教學質量;除此之外,邀請本校從事高分子方向研究的老師來給學生就高分子科研的最新進展與動態做專題報告;三、以信息技術的迅猛發展為代表的網絡時代已經來臨,因此互連網技術在教學中的積極運用有著非比尋常的意義。因此,教師可以充分利用互聯網工具,將電子教案、教學課件在校內的教學論壇上,通過高度的資源共享,讓學生能隨時查閱學習,發揮網絡輔助教學快捷的優點。與此同時,授課教師將自己的電子郵件和QQ號公布給學生,當學生學習上碰到問題和困難時能及時快捷的與教師進行溝通交流,從而促進教學效果,調動學生學習的主動性和積極性。
四、教師自身專業知識水平的提高
作為一名主講教師,在這科技進步日新月異的時代,一個老師要想使自己的專業知識不陳腐,能跟上科技的腳步,在課堂上能多給學生傳授一些關于本專業的前沿知識和最新進展,激發學生的學習興趣,自身的專業知識層次水平不斷提升對于保證上課的質量是至關重要的。因而主講教師可以從下面幾個方面提高自己: 首先在上課之后需要多讀專業文獻,跟蹤最新科研進展,把一些研究熱點和前沿介紹給學生,利用學生對科研前沿的興趣和熱情來促進教學。同時,將本學院老師的科研研究工作或自身科研研究內容和最新進展與課程內容有機結合,如講授聚合方法的時候,本人就自己的研究方向 “應用ATRP或RAFT可控聚合方法,合成一系列分子量可控的用于癌癥治療的功能性生物醫用高分子材料” 拿到課堂上和學生討論,進一步加強學生對 “活性可控高分子聚合“的理解,激發學生學習的積極性和科研熱情;第二,教師同時需要多參加以促進科學發展、學術交流、課題研究等學術性話題為主題的學術會議;如每兩年一度的高分子年會,了解高分子各領域的最新的研究動態,開闊眼界;并且現在每屆高分子年會都有”關于高分子教育與學科發展的分會”主題,做報告的是高分子界的一些大牛和大家,對啟發我們的教學和研究有非常大的幫助;除此之外,我們還需要多聽一些名家名師的講課,學習名家名師的講課方法,找出差距,提高自身的教學水平。
作為一名在一線教學的任課教師,面對一群頭腦活躍、求知率強、渴望新鮮事物的年輕大學生,我們在教學上需要不斷的學習進步,推陳出新,激發學生的學習興趣,培養學生的創新意識和創新能力,為培養優秀的創新人才不懈努力。
參考文獻:
[1] 潘祖仁.高分子化學.第5版.北京:化學工業出版社,2011.
[2] 王槐三. 寇曉康.《高分子化學教程》[M]. 北京: 科學出版社,2002.
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)07(a)-0155-02
材料之于現代人類活動是必不可缺的,《高分子化學實驗》是材料學相關專業學生必不可缺的是專業實驗課程,通過該課程可以進一步強化學生對《高分子化學》課程中理論知識的理解,實現了理論與實際的有機結合,鞏固和加強基礎理論和基本技能。通過幾年的教學實踐發現,由于傳統的實驗都是學生按照實驗指導書的步驟操作,只要按照講義“照本宣科”,很多學生并不能主動去理解實驗的目的和意義,只是完成任務,實驗的現象、結果以及操作過程等,并沒有給學生留下深刻記憶,這對學生的觀察能力、分析問題和解決問題的能力,乃至創新能力的培養都是十分不利的。所以作為教育工作者應該認識到“授人以魚不如授人以漁”,對于實驗課程,不能讓學生簡單的重復操作指南,更應該調動他們的學習積極性,提高學生的學習品質。這樣就要求教師要對《高分子化學實驗》課程進行改革和創新,不僅是從教學內容上,教學方法和手段也要更新升級。結合該專業的教學體驗,做了一些嘗試,取得了一定效果。
1 優化課程內容,增強實驗教學趣味
高分子化學的基礎實驗對于剛接觸的學生來說非常陌生的、全新的。通過基礎性實驗可以使學生對實驗室儀器設備的使用和基本實驗操作技術的掌握,具有很好幫助作用,使學生將理論知識從書本落實到實際,增強理論知識的直觀認識。但是單純的驗證性實驗只是讓學生“看”不能“記”,降低了學生的學習積極性和主動性。因此,必須對基礎驗證性實驗進行改革,使其成為綜合性、設計性的實驗,同時要注意內容設計的趣味性和生動性。
例如:很多學校都開設了“聚甲基丙烯酸甲酯合成(PMMA)”的實驗[1],傳統的教學方法,就是讓學生預習實驗指南,按照步驟操作做出結果即止,在實驗的過程中不重視實驗現象和過程的描述與分析,只考慮是否產出產品,學生很難引起興趣。調整了實驗內容,通過加入小昆蟲等形成“人工琥珀”、制作特定形狀的模具和定制預想的展示框等,調動學生進行實驗的積極性。同時啟發學生進行思考,通過查閱相關文獻,比較自由基聚合以及離子聚合等機理的不同,在實驗過程中掌握相關的合成原理、方法和工藝。在教學過程中,將往屆學生遇到的問題在實驗室投影儀中播放,如:各反應階段氣泡的形成及處理、影響等,讓學生產生對照,并進行思考,采取相應的解決措施。學生和老師圍繞實驗產生的現象和問題進行討論,討論結束后老師進行總結,加深印象,并且對此次學生的實驗過程進行影像存檔。
2 改善教學方法,提高實驗教學效果
在以往的實驗課教學中,只是按照傳統做法,讓學生自己先預習,然后來到實驗室以后進行簡單說明,再讓學生操作。學生很難形成直觀有效理解。近幾年,借助于該專業的仿真實訓平臺,采取了一些改革手段。每次實驗開課之前,首現開設了“高分子化學實驗技術講座”,在仿真實驗室,將高分子化學實驗涉及的原料制備與精制、各種玻璃儀器和設備的使用、成套裝置的安裝過程、高分子化學幾種聚合方法以及一些基本的材料性能測試過程,都通過仿真系統給學生展示,這樣就能給學生奠定一個比較好的實驗知識基礎,保證了學生從高分子化學理論課過渡到實驗課的知識結構的銜接性和完整性、針對性。同時,在指導學生實驗過程中,注意積累材料。例如:每屆學生做實驗,在實驗過程中都會出現各種各樣的問題,一方面要在實驗報告中體現;另外要及時保存影像,通過對比,總結出規律,使學生能夠對實驗現象更加深印象。高分子化學作為材料學等相關專業的基礎課,為后續的課程奠定了理論基礎,而高分子化學實驗則是驗證這一理論基礎必不可缺的一環。后續課程的許多理論由于反應周期過長等原因,學生很難通過在實驗室做實驗來進行驗證和理解,沒有感性認識。對此,在高分子化學實驗過程中合理引導學生對后續的課程開展感性認識,如:高分子流體的粘彈性、分級試驗、結構和性能的關系等。由于實驗時間有限,采取多種形式加深學生在高分子化學實驗中的收獲,例如:對于自選項目,建議兩組學生一組做乳液聚合實驗;另一組做反向乳液實驗,兩組同時進行,互相觀察實驗現象,分析問題解決問題,共同分享實驗成果,可以共同形成兩份實驗報告,這樣就提高了學生的實驗能力,增加了他們的實驗收獲。在專業的實習基地中包括一家塑料薄膜加工企業,在進行高分子化學實驗的過程中,聯系企業帶領學生入場參觀,對整個企業的生產加工過程進行學習,這樣就可以使學生對大規模的高分子材料實驗加工過程有直觀認識,并且回到學校實驗室后通過實驗進行基本的驗證,對相關的現象進行分析,鞏固了理論知識,調動了學生積極性。
3 科研促進教學,培養學生科研能力
在高分子化學實驗的教學過程中,除了優化實驗教學內容、改革教學方法以外,還要注重學生綜合能力的培養,這其中對于理工科學生來說無論是就業還是繼續深造,科研能力的培養是非常重要的。在高分子化學實驗教學過程中,建議專業的教師利用自身的實驗研究課題、實驗室儀器和氛圍,吸引學生參與到教師的科研項目中,一方面給研究團隊注入了新鮮的血液;另一方面可以使學生在濃厚的學術氛圍中得到熏陶和能力提升。學生通過參與到教師的科研項目中,可以進一步將基礎實驗加以提升,不僅對合成、結構分析等進一步深入,同時可以提高科技文獻的閱讀綜合分析能力、科技論文的書寫水平提高等;通過參與到科研項目中,提高了學生的學習積極性,使學生學到的實驗知識和技能得到了用武之地,使學生由被動學習變為主動學習,讓自身潛能得到了發揮。以教學與科研互動為教學模式,講課內教學和課外教學形成有機的互動,形成了實驗教學與教師科研的相得益彰,提高了科研儀器設備的使用效率,科研儀器為教學服務得到了大大提升,實現了實驗室的科學合理的開放,提升了實驗資源的共享,進一步能夠開設源于科研項目的設計性實驗,存進學生科研能力的培養。通過幾年的實踐,該專業學生中很多通過參與教師的科研項目,從而衍生出自身的一些課題想法,在教師的指導下,參與到校內外組織的“挑戰杯”“創新創業項目”等競賽,多名學生取得了好成績,同時通過此舉,很多學生發表了具有自己思路的論文,有部分學生的實驗性論文在教師的指導下發表到了SCI、EI以及核心期刊上,這對學生的就業以及深造都提供了很好助力。
據大多數學生反映《高分子化學》這門課程很難學習,因為這門課內容較多且比較分散,而且涉及的聚合反應類型之間關聯程度不大,因此對課程重點和系統性不容易把握住。教師授課時要運用一定的技巧,如對于比較難的問題要講透徹,不能讓學生處于懵懂狀態;而對于陽離子聚合、配位聚合、聚合物的化學反應等可為學生做較簡單介紹,將節省下來的時間為學生講解難點和重點;而為了使學生更好地掌握本門課程的精髓,教師授課時要避免將教材內容“填鴨式”灌輸給學生,應有針對性、側重地講解,少講精講,主要講解以下內容:
1.高分子的概述。
對于一門課程的學習首先要了解此課程的基本概念,在《高分子化學》這門課程開始進入正式內容教授前,向學生介紹高分子的概述是很必要的事。為了讓學生更好地了解自己即將學習的課程,需要介紹高分子的基本概念、高分子的發展歷史、高分子的現狀及分類和代表產品,通過介紹使學生對高分子有詳細認知,并調動他們學習高分子的熱情,積極認真地探索和學習相關知識,為以后投身于高分子行業打下牢固的基礎。
2.聚合反應。
《高分子化學》這門課程涉及的聚合反應眾多,如自由基聚合、陰離子聚合、陽離子聚合等,而對于這些聚合反應的教授可按照以下三步來。
首先,需要對各種聚合方法的基本概念和聚合機理進行詳細介紹,使學生對各種聚合反應有個大致了解,聚合機理要重點講解及掌握,如自由基聚合為用自由基引發,使鏈增長(鏈生長)自由基不斷增長的聚合反應。
其次,對各個聚合反應中涉及的基元反應進行講解及特點概括,如自由基聚合的基元反應的特點是:慢引發、快增長、速終止、可轉移。這些特點的概括使學生對各個聚合反應更好地記憶。
最后,介紹各個聚合反應具有的微觀動力學方程,以自由基聚合為例[2]。
每個聚合反應均按照這三步講授,使學生學起來條理明晰,不至于暈頭轉向。
二、教學方法
學生對課程的掌握程度與自己的學習態度有關,與老師的教學方法也有關。下面介紹一些教學方法及教學方面的建議:
1.多媒體和板書結合教學。
近年來多媒體教學已成為教學的一種重要方式,為教學帶來了很大方便,如生動展示各種反應模型,特別是一些三維立體模型[3]。然而據統計,大部分學生不喜歡多媒體教學,以為老師使用制作好的PPT進行講解時,節奏很快,對那些沒有提前預習的學生來說,很難跟上老師的節奏。另一方面多媒體教學使老師與學生間缺乏交流,從而教學質量下降。最后PPT設計不合理,照搬課本上的文字,缺乏趣味。因此老師在授課過程中應該進行適量的板書教學,如講授聚合機理時,利用板書教學,能清楚地描繪出反應過程、電子轉移過程、化學鍵的破壞及產生過程,學生比較容易接受。
2.突出重點。
如上所述,教師授課時要有針對性、側重點講解,少講精講,這樣不但學生的學習壓力降低,而且老師可以利用節省下來的時間為學生介紹一些相關課外知識,開闊其眼界。
3.理論聯系實際,知識與實踐統一。