研究性高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革

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1研究性實(shí)驗(yàn)的必要性及研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)為一些經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容步驟標(biāo)準(zhǔn)化、模式化，學(xué)生只能被動(dòng)的接收，按方抓藥，無(wú)須動(dòng)腦思考、分析。這種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)是保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行，培養(yǎng)了學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能和熟悉實(shí)驗(yàn)儀器的操作，但對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力、思考能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、研究能力的培養(yǎng)效果甚微。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、分析解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，且造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，使得實(shí)驗(yàn)課程“弱化”，而把大部分的時(shí)間放在了幫助學(xué)生獲取知識(shí)和記憶知識(shí)上，忽略了實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)大學(xué)教育過(guò)程中的重要性和必要性。導(dǎo)致學(xué)生到大四畢業(yè)論文環(huán)節(jié)，則充分暴露了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范、實(shí)驗(yàn)技能較差、實(shí)驗(yàn)意識(shí)薄弱、科學(xué)研究精神欠缺等缺點(diǎn)。很多教師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的缺點(diǎn)和局限性，也提出了很多的教學(xué)改革方法，其中包括了研究性高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。研究性高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程讓學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，突出了學(xué)生作為課堂主體，教師輔助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)課程，提高課堂上教師與學(xué)生的互動(dòng)，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的興趣，有利于學(xué)生深化理論知識(shí)的理解，充分鍛煉動(dòng)手能力、綜合分析能力、科學(xué)研究能力，為學(xué)生的綜合全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)雖然充分論述了研究性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和作用，但尚沒(méi)有文獻(xiàn)從備課到實(shí)施、總結(jié)、詳細(xì)論述研究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施方法。張玉琦等提出了在實(shí)驗(yàn)課程中增設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合聚合物微球乳液實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提出了新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但沒(méi)有詳細(xì)地?cái)⑹鋈绾卧O(shè)計(jì)并實(shí)施該實(shí)驗(yàn)。張曉云提出了將研究性實(shí)驗(yàn)替代基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并簡(jiǎn)單的介紹了《丙烯酰胺的水溶液聚合》實(shí)驗(yàn)的做法，也沒(méi)有詳細(xì)深入的分析、研究和介紹各環(huán)節(jié)的實(shí)施方法與注意事項(xiàng)。胡先海等詳細(xì)介紹了在高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用研究性學(xué)習(xí)需要采用的幾種研究方式，并詳細(xì)解讀了各種研究方式的優(yōu)點(diǎn)。但這些研究方式可能無(wú)法在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中全部應(yīng)用。不同的實(shí)驗(yàn)采用的研究方法也不同。但文獻(xiàn)未結(jié)合某個(gè)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)介紹研究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案。本文根據(jù)作者理念和文獻(xiàn)報(bào)道的關(guān)于研究性實(shí)驗(yàn)的理論，結(jié)合具體的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)《有機(jī)玻璃的制備》，詳細(xì)論述了該高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)如何設(shè)計(jì)成研究性實(shí)驗(yàn)，介紹各環(huán)節(jié)需要做的工作及其作用。

2研究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施

2．1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)的理念和理解，從充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生參與每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主體的目標(biāo)出發(fā)，教師從軟件和硬件上準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。對(duì)于《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)，教師需要根據(jù)四大聚合方法之一的本體聚合理論知識(shí)，分析該實(shí)驗(yàn)方案中各實(shí)驗(yàn)參數(shù)是否可變？可變范圍為多少？變化后對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程其他參數(shù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有影響。各實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，例如其它條件一致，反應(yīng)溫度降低，反應(yīng)時(shí)間則會(huì)延長(zhǎng)，或引發(fā)劑用量越低，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要注意到各參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)是否可變，修改指導(dǎo)書內(nèi)容，將可變的實(shí)驗(yàn)參數(shù)空白。在上課之前，要求學(xué)生根據(jù)已學(xué)的理論知識(shí)，并查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，初步確定自己的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)之間，教師和學(xué)生討論相關(guān)參數(shù)的可行性，學(xué)生需說(shuō)明采用這個(gè)數(shù)據(jù)的理由和依據(jù)。通過(guò)上述準(zhǔn)備工作，教師能夠更好地指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)參數(shù)的制定，對(duì)于學(xué)生定的不合理實(shí)驗(yàn)參數(shù)具有一定的預(yù)測(cè)。有利于在課程中，順利完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)的探討和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)參與上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)進(jìn)一步進(jìn)行了復(fù)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理把握更加準(zhǔn)確，充分理解各原料作用和各實(shí)驗(yàn)參數(shù)內(nèi)在含義。同時(shí)，有利于促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主思考、獨(dú)立研究能力和查閱文獻(xiàn)等科學(xué)研究基礎(chǔ)功底，為后續(xù)該實(shí)驗(yàn)的順利開展、大四本科畢業(yè)環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，以及今后工作打下良好的基礎(chǔ)。

2．2實(shí)驗(yàn)預(yù)演

為了使教師對(duì)不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有一個(gè)整體的把握，教師需要對(duì)不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，把握各參數(shù)之間的關(guān)系，更好的指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，并進(jìn)行理論指導(dǎo)。但是，由于高分子化學(xué)的特殊性，實(shí)驗(yàn)條件存在一定的變化范圍，加上可變的實(shí)驗(yàn)參數(shù)較多，因此，可設(shè)計(jì)出的配方數(shù)較多。在預(yù)演環(huán)節(jié)，教師不可能對(duì)所有參數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，為了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具有一個(gè)清晰、整體的把握，對(duì)預(yù)期的上下限參數(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁M(jìn)行、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否明顯、實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間是否在課時(shí)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)是否存在一定的危險(xiǎn)性等，調(diào)整各參數(shù)的上下限范圍，防止實(shí)驗(yàn)的不可進(jìn)行和危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)的發(fā)生。在《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)中，從理論分析來(lái)說(shuō)，反應(yīng)溫度越低，引發(fā)劑用量越低，聚合反應(yīng)速率越慢，當(dāng)?shù)椭烈欢ǔ潭葧r(shí)，反應(yīng)有可能無(wú)法進(jìn)行，因此需要對(duì)低溫、低引發(fā)劑條件下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，掌握該條件下，各步反應(yīng)所需的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。相反，當(dāng)反應(yīng)溫度較高，引發(fā)劑用量較多時(shí)，反應(yīng)速率越快。由于該實(shí)驗(yàn)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致爆聚現(xiàn)象的發(fā)生，因此需要對(duì)高溫、高引發(fā)劑含量的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行預(yù)演。為了對(duì)不同條件下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)參數(shù)有良好的把握，需要對(duì)中等條件的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，比較低溫、低引發(fā)劑，高溫、高引發(fā)劑和中溫、中等含量引發(fā)劑的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)演結(jié)果、實(shí)驗(yàn)課時(shí)的安排、硬件條件等客觀因素，修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍，以便于更好的指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)演步驟，教師對(duì)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)步驟做到了心中有數(shù)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行能夠起到良好的指導(dǎo)作用。

2．3學(xué)生預(yù)習(xí)

作為學(xué)習(xí)的主體，需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，聯(lián)系理論知識(shí)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和基礎(chǔ)理論知識(shí)有一個(gè)基礎(chǔ)的了解。并羅列操作和理論問(wèn)題，方便在課堂上解決，加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。在提高動(dòng)手能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。教師的一切努力，只為學(xué)生能夠掌握知識(shí)，提高動(dòng)手能力，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高解決問(wèn)題的科研能力。教師在力所能及的范圍內(nèi)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，但如果學(xué)生不配合，教師努力的效果就會(huì)大打折扣。因此，學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是非常重要的，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的開展奠定基礎(chǔ)。對(duì)于《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中，需要做好以下幾方面的內(nèi)容：

（1）該實(shí)驗(yàn)的基本原理；

（2）實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程；

（3）操作和理論上存在的問(wèn)題；

（4）根據(jù)理論知識(shí)和查閱文獻(xiàn)，初步確定本組實(shí)驗(yàn)參數(shù)。這一步需要小組學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同確定。經(jīng)過(guò)預(yù)習(xí)，學(xué)生復(fù)習(xí)了理論知識(shí)，初步掌握了實(shí)驗(yàn)的操作。并通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，提高了學(xué)生的協(xié)作精神，小組互通有無(wú)，共同提高。

2．4實(shí)驗(yàn)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)的實(shí)施是整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的中心環(huán)節(jié)。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，需要良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)施才能實(shí)現(xiàn)最終的目的。因此，教師需要根據(jù)課時(shí)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的安排，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行以及學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、預(yù)演，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施可按照以下步驟開展：

（1）教師介紹本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，以及該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)；

（2）從基礎(chǔ)理論知識(shí)引出實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，小組匯報(bào)本組實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其設(shè)定理由，由同學(xué)討論是否合適，教師引導(dǎo)，并最終確定參數(shù)；

（3）教師根據(jù)各組參數(shù)設(shè)定情況，有目的的引導(dǎo)各組學(xué)生參數(shù)的分布。盡量使各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)具有一定的差異性，并具有不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

（4）教師演示實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于特別需要注意的環(huán)節(jié)，則著重說(shuō)明；

（5）學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)；

（6）在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，由學(xué)生或教師提出問(wèn)題，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，教師與學(xué)生互動(dòng)探討問(wèn)題。對(duì)于《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能出現(xiàn)的問(wèn)題如下：

（1）在預(yù)聚過(guò)程中，錐形瓶為什么需要晃動(dòng)？晃動(dòng)頻率不同，對(duì)結(jié)果是否有差異？措施：可以讓一組學(xué)生嘗試不晃動(dòng)錐形瓶，觀察現(xiàn)象?，F(xiàn)象：出現(xiàn)爆聚。學(xué)生觀察有機(jī)玻璃制備過(guò)程中的爆聚現(xiàn)象。解釋：甲基丙烯酸甲酯聚合是一個(gè)放熱反應(yīng)，晃動(dòng)錐形瓶主要是為了將反應(yīng)熱釋放，并讓單體流動(dòng)，各處單體均勻聚合?；蝿?dòng)頻率不同，主要影響散熱及不同位置單體聚合程度的差異。晃動(dòng)過(guò)慢也會(huì)出現(xiàn)爆聚。

（2）達(dá)到預(yù)聚的時(shí)間存在差異的原因是什么？解釋：主要取決于引發(fā)劑的用量及預(yù)聚合溫度。引發(fā)劑用量較多、聚合溫度越高，完成預(yù)聚時(shí)間就越短。反之，時(shí)間越長(zhǎng)。

（3）在灌模時(shí)，產(chǎn)生氣泡的原因是什么？如何防止氣泡產(chǎn)生？解釋：由于模具三面封閉，一端開口，里面存有空氣。如果豎直模具直接倒入液體，液體充滿開口端，里面的空氣無(wú)法排出，則容易產(chǎn)生氣泡。措施：將模具傾斜，從模具的較低處緩慢注入，將模具里的空氣從無(wú)液體的開口處緩慢趕出，液體充滿模具，則無(wú)氣泡。

（4）灌模后，為什么還是需要低溫聚合后，再高溫聚合？措施：將一組樣品直接置于高溫下聚合過(guò)夜，觀察現(xiàn)象?，F(xiàn)象：模具中的預(yù)聚體也會(huì)出現(xiàn)爆聚的現(xiàn)象，出現(xiàn)大量的氣泡，并溢出模具。解釋：預(yù)聚后體系中聚合物分子量較小，如果直接高溫聚合，仍會(huì)產(chǎn)生爆聚。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)施，學(xué)生能夠系統(tǒng)的掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作及其注意事項(xiàng)，對(duì)不同參數(shù)帶來(lái)的影響也有了感觀的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了動(dòng)手能力，并養(yǎng)成了研究比較的良好科研精神，為后續(xù)的本科畢業(yè)論文提前做好訓(xùn)練。

2．5總結(jié)報(bào)告

總結(jié)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)課程的成果總結(jié)，反應(yīng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和理論知識(shí)的掌握，是教師考察課堂教學(xué)效果的重要手段。對(duì)于研究性實(shí)驗(yàn)，其報(bào)告需要充分體現(xiàn)研究性。實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告需要包含以下幾方面的內(nèi)容：

（1）全班實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總；

（2）根據(jù)各小組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異，教師引導(dǎo)學(xué)生討論，探討差異存在的原因；

（3）以小論文的形式提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。鍛煉學(xué)生科研寫作能力，為后續(xù)的本科畢業(yè)論文和工作奠定基礎(chǔ)。對(duì)于《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)，可能出現(xiàn)的問(wèn)題如下：

（1）預(yù)聚程度的控制。溫度越低，引發(fā)劑越少，預(yù)聚合的時(shí)間越長(zhǎng)；

（2）預(yù)聚程度的把握。預(yù)聚程度對(duì)后續(xù)的操作和實(shí)驗(yàn)具有一定的影響，預(yù)聚程度過(guò)低，倒進(jìn)模具時(shí)容易漏液，預(yù)聚程度過(guò)高，太粘稠，不易倒入模具，且容易爆聚；

（3）產(chǎn)品出現(xiàn)氣泡。產(chǎn)品出現(xiàn)氣泡的原因可能有：a．倒入模具時(shí)未趕出氣泡；b．預(yù)聚程度過(guò)低，小分子單體殘留過(guò)多，小分子揮發(fā)導(dǎo)致氣泡；

（4）產(chǎn)品透明度。氣泡、表面光潔度對(duì)有機(jī)玻璃的透明性具有較大的影響。通過(guò)上述總結(jié)，學(xué)生學(xué)會(huì)了有機(jī)玻璃的制備，并掌握了其中的基礎(chǔ)理論知識(shí)。并深刻理解如何控制有機(jī)玻璃產(chǎn)品質(zhì)量，學(xué)到了理論課堂上學(xué)不到的知識(shí)，深化了理論知識(shí)，鍛煉了科學(xué)研究能力。

3小結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)《有機(jī)玻璃制備》，在無(wú)須增加硬件，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了研究性實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)改革。結(jié)合該具體實(shí)例，對(duì)研究性高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性，如何設(shè)計(jì)研究性高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)，每一步實(shí)施方案的實(shí)施方法、注意事項(xiàng)及其作用，進(jìn)行了詳細(xì)的論述。通過(guò)上述研究，形成了研究性高分子實(shí)驗(yàn)改革通用的系統(tǒng)方案，研究性的《有機(jī)玻璃制備》實(shí)驗(yàn)可按照論述方案實(shí)施，其它高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)可按照上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)施。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，在鍛煉提高學(xué)生動(dòng)手操作能力的同時(shí)，訓(xùn)練了學(xué)生的系統(tǒng)研究能力。從文獻(xiàn)查閱、參數(shù)設(shè)定及問(wèn)題的提出，充分引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考深化知識(shí)的理解。課堂學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生的交流探討，形成了以學(xué)生為主體，小組團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同探討解決問(wèn)題的氣氛，極大的提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。最后，研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，訓(xùn)練了學(xué)生的科研寫作能力，并對(duì)本次實(shí)驗(yàn)學(xué)到的知識(shí)和能力進(jìn)行了總結(jié)。

作者：施燕琴 陳思 馬猛 吳波震 王旭 單位：浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院