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功能高分子材料課程的教學實踐與探索論文
自從20世紀以來，高分子學科發(fā)展迅猛，各種新材料、新理論、新模型、新應用不斷涌現(xiàn)，在傳統(tǒng)的高分子化學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業(yè)的專業(yè)課，也是化學、材料等相關專業(yè)的專業(yè)選修課程。功能高分子材料課程教學內(nèi)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(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、應用和研究方法，使學生掌握功能高分子的基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)-性能關系、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(jié)構(gòu)-性能關系的教學主線
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用十分廣泛，然而該類材料分子內(nèi)缺乏反應基團，化學與物理性質(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、生物等性能，在化工、環(huán)保、能源、信息、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領域具有獨特的應用價值。功能高分子材料之所以具有不同于常規(guī)高分子材料的獨特性能，主要與其結(jié)構(gòu)具有直接關系。功能高分子材料學科的主要任務是研究影響材料性能的因素，尤其是結(jié)構(gòu)與性能之間的關系，從而設計出滿足工業(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)-性能關系在功能高分子材料課程中具有重要地位，它不僅是學生理解材料性能的理論基礎，同時也是設計新型功能材料的所遵循的規(guī)律。因而，在課堂教學過程中需要貫徹結(jié)構(gòu)-性能關系的教學主線，使學生能夠利用結(jié)構(gòu)-性能關系來理解每一類功能高分子的性質(zhì)特點，進而以此為基礎有能力學習并設計新型功能高分子材料。
盡管材料學科中結(jié)構(gòu)-性能關系的研究已經(jīng)很多，但是功能高分子材料有其自身特點，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)-性能關系是學生最難掌握的內(nèi)容，既是教學的重點也是難點。對此，在課堂教學過程中不僅需要在課程的概述部分重點講述不同層次結(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)合實例具體講解不同類型高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關系，從而使學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、鏈段、分子、超分子的微觀尺度結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)，其中官能團結(jié)構(gòu)和分子鏈結(jié)構(gòu)是兩個重點內(nèi)容，前者決定了分子的大部分化學性質(zhì)，而后者主要影響材料的物理化學性質(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通過前沿進展專題補充知識結(jié)構(gòu)
功能高分子材料是一門交叉學科，涉及化工、電子、信息、生命、醫(yī)學、能源等多個領域，并與相關學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(jié)構(gòu)也在隨著其它學科的發(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，不僅需要在課堂教學中介紹完整的知識體系，而且要補充相關領域不斷產(chǎn)生的最新進展。然而由于教材的版本更新相對較慢，所以需要在課堂教學過程中針對每一章節(jié)加入前沿進展專題，以補充相關的最新知識。
例如，近年來納米科技發(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，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)成與應用。根據(jù)這些變化，教學中增加了高分子光電功能納米材料的專題，重點介紹共軛高分子與富勒烯、量子點等復合材料在太陽能電池中的應用進展；在醫(yī)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展，歸納了響應性高分子載藥專題，列舉對于化學、光、熱、磁等外界刺激信號具有響應能力的高分子載藥體系。由于相關領域在腫瘤治療中具有重要應用價值，同時載藥體系往往具有有趣的控制釋放機理，提高了學生的學習興趣，也補充了教材在相關內(nèi)容上的不足。
3利用多媒體增強教學內(nèi)容的表現(xiàn)力
功能高分子材料課程的知識點較多，信息量很大，而教材中的圖形較少，大多為文字內(nèi)容。心理學的研究表明，人們在學習過程中依靠單一的文字閱讀獲得知識時容易疲勞，記憶與理解的效率也會降低；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，授課過程中需要借助PowerPoint（PPT）的多媒體功能對教學內(nèi)容進行圖形化。首先，需要對教材的內(nèi)容進行提煉，總結(jié)出主要知識點，利用關系圖構(gòu)建知識框架，將文字內(nèi)容形象化、條理化；細節(jié)內(nèi)容進行列表，有利于歸納和比較；重點內(nèi)容進行色彩處理，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)與生活關系緊密，受限于篇幅和印刷用紙的材質(zhì)，教材中多無相關的圖形，尤其是彩圖。在準備PPT課件時，通過網(wǎng)絡搜集相關資料并利用PPT的圖形制作能力，補充相關的示意圖、示例圖，使得相關的功能高分子材料從應用背景、化學結(jié)構(gòu)、性能原理、器件結(jié)構(gòu)等均做到“有圖有真相”，顯著提升了學生的注意力和學習興趣，使得抽象的結(jié)構(gòu)-性能關系更容易理解，同時也使得學生能夠聯(lián)系到實際生活，感受到功能高分子材料的應用價值。
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，相關領域產(chǎn)品已經(jīng)開始商業(yè)化并展示出良好的發(fā)展前景，但是相關的器件工作原理較為復雜，對于高分子專業(yè)的學生具有一定的難度。為此，在實際授課過程中，首先將當前某著名品牌的手機顯示屏作為實例，介紹相關材料的成分與結(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理與高分子材料在其中的作用，使得學生可以通過直觀的方式學習抽象的知識。在高分子功能膜材料一章中，膜分離機制是重點內(nèi)容，而其中過篩分離是最常見的一種機制。為增強學生對于該原理的認識，PPT課件中使用了動畫示意圖，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，使抽象的分離機理一目了然。
4借助課外科研實踐提升學生創(chuàng)新能力
當前社會經(jīng)濟對高分子學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。受到課堂教學課時與形式的限制，高分子材料專業(yè)學生僅能夠接觸到基本的合成與表征實驗，而功能高分子材料的相關實驗較少，缺乏相關的實踐訓練和能力培養(yǎng)過程。為增強學生獨立的研究與開發(fā)能力，我們向?qū)W生開放實驗室，設置與功能高分子材料課程內(nèi)容相關的科研課題，吸引有興趣的學生，尤其是打算畢業(yè)后讀研究生或從事研發(fā)工作的同學，在課余時間進入實驗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參與了課外科研實踐，申請并獲得多項學校本科生創(chuàng)新實踐項目的支持，掌握了原子自由基轉(zhuǎn)移聚合等高分子可控合成技術，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合材料。課外科研實踐活動培養(yǎng)了學生探索未知的興趣，提高了學習的主動性與積極性，拓展了他們的知識面，培養(yǎng)了新型功能高分子材料的設計能力，有助于實現(xiàn)學生創(chuàng)新能力的個性化培養(yǎng)。
5課程的考核方式
功能高分子材料課程的教學目標是讓學生掌握功能高分子材料的結(jié)構(gòu)-性能關系、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(tǒng)的評價模式注重學生對于知識掌握的系統(tǒng)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(tǒng)復雜、知識量大、知識更新快等特點，所以閉卷考試的考核方式容易導致學生采用死記硬背的方式學習；另一方面，當前大力提倡素質(zhì)教育，更為注重學生創(chuàng)新能力，因而在課程的考核評價模式需要相應調(diào)整。課程的總評成績由期末成績和平時成績組成，期末成績占總評的70%，采用開卷考試方式，平時成績占總評的30%。首先，采用開卷考試可以弱化知識記憶在評估中的比例，通過設計較多的綜合題以突出學生對知識的理解和運用能力的考核，減少學生突擊復習應付考試的現(xiàn)象，也有助于減少學生的課業(yè)負擔；另一方面，平時成績主要用于考察學生上課時回答提問與課程討論的情況，對于評價學生的知識掌握與運用能力具有重要參考價值，不僅是考試的重要補充部分，還可以提高學生參與課堂教學的積極性。
6結(jié)語
針對功能高分材料課程的特點及其在高分子專業(yè)學生培養(yǎng)中的重要地位，在課堂教學中堅持貫徹結(jié)構(gòu)-性能關系的教學主線，補充相關領域的進展專題以豐富課程的知識結(jié)構(gòu)，充分利用多媒體教學的優(yōu)勢增強教學內(nèi)容的形象性和生動性，提供課外科研見習課題供學生進行科研實踐，從而提高了學生的學習積極性、實踐能力和創(chuàng)新能力，發(fā)展出有效的教學模式和評價方法。
參考文獻
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