材料化学实验教学研究

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材料化学实验教学研究:高分子材料与工程专业高分子化学实验教学体系的构建与成效

摘要:概述了目前国内高校高分子材料与工程专业高分子化学实验教学存在的共性问题和关键问题。提出了高分子材料与工程专业高分子化学实验课程由基础技能实验,综合设计实验,研究创新实验三个模块组成的新教学体系,并在每个模块中引入一些综合性和应用性的实验教学内容。实践证明所构建的实验教学体系在培养学生的创新意识、应用与实践能力方面起到了较好的效果。

关键词:高分子材料;高分子化学;实验教学

高分子化学实验是高分子化学课程教学的一种最有效的实践教学形式,它可以帮助和促进学生课堂理论知识的学习与消化,建立和巩固高分子化学基本概念和理论,获取高分子化学知识,培养科学素质和操作技能。我国著名化学家戴安邦指出:“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的,全面的化学教育要求既传授化学知识和技巧,又训练科学方法与思维,还培养科学精神和品德,学生在化学实验中是学习的主体,在教师指导下进行实验,训练用实验解决化学问题,使各项智力皆得到发展”。这番话指出了开设化学实验课的深刻内涵和重要价值。2004年国家教育部颁布的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》在评估指标的二级指标“实践教学”中,从“实践教学内容与体系,综合性、设计性实验课的比例及效果,实验室开放”三个方面明确了实践教学改革和发展的方向。近几年高校的化学类实验教学改革取得了令人瞩目的成果。高分子材料科学与工程专业是很多高校在近年来新开设的专业,在实验教学与改革方面的成果积累较少,尤其高分子化学实验教学采用陈旧的教学内容和教学方法依然居多。通过调研发现,目前国内高校高分子材料科学与工程专业的高分子化学实验教学依然不同程度地存在一些问题。

一、高分子化学实验教学现状剖析

1.实验教学体系和内容欠争理

多数的实验教学附属于理论教学,没有单独设课和单独考核,实验课时相对较少虽然有些高校高分子化学实验已经独立设课,但仅作为考查课。实验教学内容中传统的、陈旧的实验较多,而体现现代科学技术发展成果的实验很少认知性、验证性实验所占的比理偏高,培养学生创新能力的综合性、设计性、应用性和创新性的实验偏少,而且实验环节偏重于理论,突出高分子材料应用性特点的实验太少,不利于培养学生的工程观念。

2.实验教学方法单一

学生按照实验讲义预习,然后进实验室。实验前教师把实验目的、实验原理、仪器使用方法、测试方法、实验步骤和数据记录表格及数据处理方法等进行详细的集中讲解。学生只需按教师指导的过程按部就班或者依照讲义“照方抓药”,就可以完成一个实验。一部分学生糊里糊涂地来到实验室,只动手不动脑地完成实验,然后又迷迷糊糊地离开实验室。实验的现象和结果没有给他们留下太深的印象,对学生观察能力、分析问题和解决问题的能力以及创新意识的培养都很不够。这种统一模式、统一要求、齐步走的教学方法,一方面造成了学生对教师的过分依赖,另一方面抑制了学生个性思维的发展和创新能力的培养。

3.实验嫩学手段落后

在现代信息技术迅速发展的今天,虽然网络技术、多媒体技术等现代教学技术在理论教学中得到了普遍应用,但虚拟、仿真等实验技术手段未能在实验教学中推广应用。这样对于一些耗费过高、时间过长、毒性过大、危险性过高的实验,只能最低限度地开设,且开设过程中费用大和危险性高,导致学生对此类重要实验缺乏足够的认知和感受的机会。

二、新教学模块的实践性探索与成效

针对目前国内高校高分子材料科学与工程专业高分子化学实验教学中存在的一些问题,借鉴其他化学实验教学改革的优秀成果,提出了基础技能实验、综合设计实验、研究创新型实验的三个高分子化学实验教学模块体系,并在每个模块中结合常熟理工学院教师的科研成果引入_些新的实验教学内容,采用开放式实验教学方法。通过实验教学实践发现新的体系和教学方法在培养学生的创新意识和工程实践能力方面起到了较好的效果。

1.基础技能实验教学模块

基础技能实验模块构建的目的着重建立高分子化学实验与相关基础理论知识之间的有机联系。培养学生的实验安全意识、清洁卫生习惯和严谨的实验态度。训练学生掌握熟练规范的实验操作技能和技巧,为后续的实验教学模块的实施打下良好的基础。

基础技能实验模块的教学内容设计在课时总量的40%～50%为宜,课时数约30学时,开设8～10个实验。教学内容设计涉及到高分子化学反应机理,如自由基、阴离子,阳离子等连锁反应机理,缩聚、基团转移聚合等逐步反应机理,开环聚合反应机理等。在实验实施方法方面涉及到本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合、熔融缩聚、界面缩聚等。如设计膨胀计发测定苯乙烯本体聚合动力学实验,让学生直观感受到了诱导期概念、聚合过程体积减小的现象以及聚合物溶液的粘性特征等非常重要的高分子化学理论知识。设计过硫酸钾引发甲基丙烯酸甲酯自乳化聚合实验,除让学生明确了乳液聚合的基本原理外,还了解到了聚合物大分子链端基的重要作用。设计己二酰氯和己二胺界面缩聚实验,让学生深入理解了界面缩聚的概念和聚合物的可纺成纤性能等主要高分子知识。通过设计一些自由基、阴离子、阳离子等连锁反应机理的实验,使学生进一步掌握了活性中心的概念,同时在实验过程中认知了这些引发剂的活性、安全使用和贮存事项。

2.综合设计实验教学模块

综合设计实验教学模块旨在培养学生较强的实际动手能力,自主设计和分析解决问题的能力。本实验模块是实验教学的较高层次,注重学生实验的自主设计性和综合性。

教学内容设计在课时总量的20%～25%为宜,课时数约15学时,开设2～3个实验。本教学模块的特点之一是实验内容的综合性,可以将同一门课的几个实验,或者是几门课的实验组合在一起,形成一个大实验。本教学模块的特点之二是实验方案的灵活性和设计性,侧重培养学生的自主实验和学习的意识和良好习惯。例如关于高分子合成实验先确定好采用的聚合机理和聚合方法,在原材料配方组成、引发剂种类及用量、合成温度等工艺条件方面给出一个大致的框架,然后让学生在所给的框架内进行自行设计和实施实验。譬如悬浮法制备聚苯乙烯珠粒实验,水的用量范围为苯乙烯质量的100%～200%、分散剂为磷酸钙或聚乙烯醇两种、引发剂过氧化二苯甲酰用量为苯乙烯质量的0.2%～1.0%、反应温度设定在75℃～85℃范围等。学生通过自行设计的方案实施实验获得了不同的实验结果,通过对不同组之间实验结果的综合分析,找到了影响悬浮法制备聚苯乙烯珠粒的一些因素,激发了学生动手实验的兴趣,发挥了学生自主实验和学习的主观能动性。

3.研究创新实验教学模块

设置研究创新实验教学模块培养学生的科研和创新意识、提高学生的综合素质和应用开发能力,为实现培养高质量的应用型人才的教育目标提供重要的教学内容实体支撑。

本实验模块是实验教学的最高层次,注重学生实验的独立自主陛、综合性、应用性和创新性,教学内容设计在课时总量的20%～25%为宜,课时数约15学时,开设2～3个实验。本实验教学模块的特点之一是实验项目的独立自主性和综合性。也就是说确定好实验项目之后,让学生在实验教师指导下独立自主地进行实验项目方案的调研、设计、实施和结果分析。本实验教学模块的特点之二是实验项目的应用性和创新性,所拟定实验项目必须关联生产实践中的聚合物产品,充分体现实验项目的应用性。实验项目设计主要针对这些高分子产品生产实践中存在的共性问题和关键问题的解决来进行设计。通过研究创新实验的实施,发现学生学习积极性很高,乐此不疲,为培养学生创新意识和展示高分子化学实验的应用性特征提供了最佳学习平台,尤其是开发一些联系生活实际的应用型实验,可使学生亲身感受到高分子化学实验的实用价值,能强烈激发学生的创造动机。此外,研究创新实验往往需要多名学生共同完成,有利于培养学生的团队合作精神。例如,聚氨酯绝缘漆的制备及性能测定实验,每个学生做一个实验配方,每5名学生一组,5名学生的实验结果综合在一起可以得出高分子树脂配方组成与漆膜性能之间的关系曲线,以及固化条件与漆膜性能之间的关系曲线。在实验过程中,5名学生要共同安排实验方案,尽量保持操作的一致性,最后得出的结果要呈规律性变化。如果有一名学生操作有误,这个实验点就会落在规律性以外,影响其他学生对实验现象的观察。因此,实施研究创新实验项目对教师也提出了更高要求。在每次实验前,教师要指导学生拟定方案,并对可能出现的实验现象和各种影响因素进行分析,实验过程中,又有多种意外的实验现象出现,这势必要求师生共同分析和讨论造成这些现象的原因,帮助学生透过现象深刻理解事物的本质。这样做需要教师有相当的知识储备量,并且要求教师也不断进取,充分体现了教学相长的教育理念。

三、结论

基础技能实验、综合设计实验、研究创新实验+教学模块教学的实践证明教学效果显著,特别对提高学生综合实践能力、激发学生理论课学习兴趣、培养学生创新意识和应用开发技能取得了预期效果。基础技能实验模块的教学效果主要体现在实验现象与相关基础理论知识之间的有机联系,高分子化学实验操作技能和技巧的掌握和规范。综合设计实验的教学效果主要体现在学生自主设计和分析解决问题的能力培养。研究创新实验的教学效果主要体现在学生科研和创新意识的建立,以及学生团队意识和应用开发能力的培养。

材料化学实验教学研究:浅淡材料化学专业的高分子化学实验教学改革

[摘 要]高分子化学实验是我校材料化学专业学生学习的一门重要的实验课程，该课程既能使学生进一步理解和掌握理论知识，又能培养学生的动手能力及科研素养。通过让学生参与实验的准备工作、实验设计等活动，对高分子化学实验教学进行改革，激发学生的学习兴趣，提高学生的基本实验能力。

[关键词]材料化学专业；高分子化学实验；教学改革

《高分子化学》是有机化学的后续课程，但同时更是高分子材料科学的启蒙课程，是学生掌握高分子科学基本理论和分析、解决高分子材料加工过程中的问题的基础课程。考虑到我校材料化学专业的一个重要发展方向是高分子材料， 《高分子化学》被选为材料化学专业的核心课程。高分子化学是一门以聚合物合成实验为基础的课程，聚合物合成实验教学有别于一般有机化学实验，但又是以有机化学实验为基础，它是培育创业创新人才的一个重要环节，是材料化学专业联系生产实际的实用性教学。高分子化课程实验教学相比于理论课程教学更具趣味性、实践性、复杂性、研究创新性。高分子化学实验教学在整个高分子化学的教学活动中起着重要的推动作用。

高分子化学实验教学属于课程内教学，开设的实验课程内容中有一部分能够很好地体现高分子科学的发展成果，学生的实践与创新能力在某种程度上能得到锻炼。但是仍然存在相当一部分验证性、认知性的实验，而且实验教学环节依然偏重于理论，注重高分子材料实用性的实验不多，不利于学生学习有关高分子材料的制备与加工。在学生进行高分子化学实验过程中，学生一般是按照已有的实验过程进行实验。实验前教师对相关实验重点、难点、细节等方面进行集中讲解，学生只需按照教师提供的实验过程，即可顺利完成实验。如此实验教学，不但阻碍了学生发现问题的能力、分析与解决问题的能力以及创业创新意识的提高，还使学生对教师产生依赖，并且抑制了学生的独立思考及创新能力的挖掘。

我校材料化学专业具有工科特色，和高分子材料专业比，材料化学专业的高分子材料相关课程的课时相对较少，开设《高分子材料化学》（《高分子化学》）、《高分子物理》与《高分子材料加工工艺学》，总共课时不到140学时。如何在有限的时间内，使我校的材料化学专业的学生既能掌握高分子科学的理论基础知识与学科前沿，又可以激发学生学习高分子材料的兴趣，是一个非常值得探讨的问题。

一、分配学生参与教师的前期实验工作

前期实验工作是实验顺利进行的前提条件。相比基础课程中的无机、有机化学实验，高分子化学实验有更多的实验前期工作需要准备，包括检修与调试反应仪器装置、玻璃器皿的清洗、配制溶液（如提纯单体、引发剂）等。粘附在玻璃仪器上的聚合物难以清除，学生在清洗玻璃仪器等设备的过程中，既懂得实验的成功来之不易，又能初步掌握聚合物的溶解性质。如聚苯乙烯单体中一般要加入微量的对苯二酚等阻聚剂，以避免溶液在储存、运输的过程中发生聚合（变质）。所以为了使实验顺利进行，缩短反应时间，开始实验前，在教师的指导下学生采用减压蒸馏的方法对单体（加入阻聚剂）进行提纯。这样，学生既加深了对阻聚剂阻聚原理的理解，又掌握了减压蒸馏的操作方法。通过积极参与实验前的准备工作，学生懂得实验的成功不仅取决于实验过程，而且与实验前期工作密切相关，从而更加重视实验教学过程。更重要的是，通过参与教师实验前期工作的准备，加深了对课堂理论知识的理解，熟悉蒸馏、重结晶等提纯化学物质的方法。

二、设计能激发学生学习兴趣的实验

调动学生学习主动性的一个重要举措是激发学生的学习兴趣。要激发学生的学习兴趣，设计的实验最好是学生既熟悉又陌生的内容。如尼龙66的制备实验，尼龙绳、尼龙袜子等，生活中很常见，但是如何在实验中采用己二酰氯与己二胺的界面缩聚来制备学生却不清楚，这势必将大大提高学生主动参与实验的兴趣。而且实验装置相对简单，一个烧杯即可完成。当学生将有机相与水相混合后，在两相界面马上就能看到一层聚合物薄膜的生成，而且该层薄膜拉出之后，又立即生成新的聚合物薄膜，可以连续不断地拉出，形成纤维状物质。实验操作不复杂，成功率高，过程新颖，操作明了，学生学习的积极性高。

三、注重开设实用、应用型实验

高分子化学实验教学为学生的创业、创新意识的培养提供了良好的环境条件，尤其是一些能结合实际生活的应用型高分子材料的制备，能使学生体会到高分子化学实验的实用价值，有利于激发学生走向的创业、创新。如在“聚丙烯酸型高吸水性树脂的制备”实验中，高吸水性树脂可用于日常生活用品如尿不湿等，由于该产物的实用性强，一方面可以提高学生动手实验的积极性；另外一方面也使学生深刻认识到高分子材料是一个与人们的日常生产生活息息相关的学科方向。类似的高分子材料还有粘接剂、涂料等，这些实验的开出将会使学生对未来从事该行业的信心倍增。

四、适当设计综合型实验

教材内高分子化学实验大多数是认知和验证型实验，学生只需要按实验参考书的步骤操作基本就能完成。如此实验虽然可以使学生的动手能力得到一定程度的提高，却不能使学生的综合能力、分析和解决问题的能力、创新的能力等方面得到合适的锻炼。综合型实验是内容和步骤较为复杂的实验，其中包含多个的知识点和基本实验操作，需要结合多方面的理论知识和技能，才能够顺利完成。综合型实验既能够训练学生综合运用所学理论和实践的技能，又能培养和提高其发现问题、分析问题、解决问题的能力。在综合型实验训练过程中，学生主动思考，敢于提出问题、分析问题和解决问题，学生的科学思考和创新意识获得很大的提升。

五、开设研究型实验

学生经过综合型实验的基本训练后，实验理论知识和专业实验技能都有了一定程度的提高。为了使学生了解高分子科学学科前沿、激发学生创业创新的动机，教师允许学生采取自愿组合的方式组成若干个科研兴趣小组。通过查阅文献资料，小组讨论提出实验方案，并与指导老师讨论方案的可行性，最后开展实验。结束时，上交实验记录由指导教师批阅给出评价，并讨论实验的得失。整个过程中，要求学生提交文献综述、可行性方案、实验报告或科研论文，锻炼写作科研论文的能力。显然研究型实验需要教师付出更多的劳动，为学生创造一个独立完成、接近实际科学研究的环境。研究型实验有利于提升学生分析问题、解决问题、独立工作、团队精神及创业创新等方面的综合能力。

六、改革实验成绩的考核方式

一个好的实验成绩考核方式要能够反映学生在实验教学过程中各个环节的表现。仅凭一份实验报告来评定学生的成绩是远远不够的，学生在预习实验、搭建装置、清洗仪器设备、打扫卫生等方面的工作都将得不到很好的体现，缺乏客观性和公正性。因此，可以借鉴无机、有机化学实验的考核方式，将实验成绩的评定方式细化：平时实验成绩60分，包括书写预习10分、统一服装5分、装置搭建10分、规范操作10分、卫生情况5分和提交报告20分；期末实验操作考试40分（随机抽取）。将实验成绩的评定标准在开课前公布，使学生不得不复习巩固所有开设的实验，从而达到熟练掌握各项实验技能的教学目标。

七、结束语

高分子材料作为我校材料化学专业一个重要的培养方向，《高分子化学》成为材料化学专业的核心课程，直接影响《高分子物理》《高分子材料加工工艺学》等后续课程的学习。我校材料化学教研室已通过对高分子化学实验教学的改革，在激发学生学习高分子化学科学的兴趣，提高学生的实践技能、创新能力和创业意识等方面有所收获。2015年3月5日，全国人民代表大会第十二届第三次会议开幕，国务院总理同志在作政府工作报告中提及 “大众创业、万众创新”。今后，我们将秉成这一新理念，继续深入研究与探索，使高分子化学教学不断适应社会发展的要求，为培育更多材料化学领域的优秀人才做不懈的努力。

材料化学实验教学研究:与科研课题相结合的材料化学实验教学模式改革

【摘要】实验教学是材料化学教学的重要组成部分，材料化学实验教学改革也是教学改革的重要内容。为了提高材料化学的教学质量，提高学生的化学综合素质，实验能力的培养极为关键，而与科研课题相结合的材料化学实验教学模式有助于学生实验动手能力、科研能力、创新能力的培养，有利于学生潜能的发挥。本文主要对与科研课题相结合的材料化学实验教学模式的实施进行分析。

【关键词】材料化学；实验教学；科研课题；教学改革

在理工科专业中，材料化学专业属于应用型专业，其实验课教学极为重要。在目前的材料化学实验教学中，存在实验内容单一、实验设备欠缺、实验人员固定，学生的实验兴趣与主动性不足等问题。[1]而在现代科学技术高速发达的今天，不仅要求材料化学专业的学生掌握化学理论知识、材料基础知识，更要求学生具备仪器操作能力、实验能力、创新能力，需要学生具备创作性地将材料基础知识、化学理论知识转化为科学技术的能力。为培养符合社会需求的化学人才，与科研课题相结合的材料化学实验教学模式成为主要途径，这种实验教学模式有助于培养学生的实验激情、激发学生的科研潜能，培养高素质的应用型化学人才。

一、实验教学模式的可行性

在我国的一些高校中，与科研课题相结合的材料化学实验模式已逐步开展，这种实验教学模式在高校中的开展需要高校科研项目、学生实验条件、教师科研水平等的支持。而在目前的高校科研中，一些教育型高校的科研质量、所获的科研经费、教师水科研水平、实验条件等还不能大规模的开展科研实验教学。[2]因此，高校应根据学生的基础、学校的具体实验条件，安排适当的课题、学时，有计划、有步骤的开展与科研课题相结合的实验教学。此外，教育部对教学型高校的科研申报应大力支持，帮助高校开展一些省市级科研项目，提高学校的科研水平，使与科研相结合的材料化学实验教学模式的开展成为可能。

二、实验教学模式的实施

（一）、选择合理的科研实验内容、模式

首先，教师应根据学生的研究性学习的方法、特征，收集符合教学的相关资料，以此选择可供实验教学的科研课题。在此基础上，教师应依据具有明确针对性、体现科学性、具有一定创新性、适当难易度的标准进行课题选择，并对所实验的课题内容进行确定，对实验指导进行撰写修订。其次，在实验教学中，教师应根据学院的要求，对实验模式进行确定，可先进行小规模、短学时的课程。对于课时的安排，应综合考虑实验难易度、经费等因素，合理调整科研项目内容，使实验符合课程需求，符合学生需求，可对一个科研项目进行分解，合理调整，取其中的一个内容进行实验，也可将几个基础性的材料化学实验整合为一节实验课等。这样既可使学生在有限的课时内完成实验，也使学生接触到完整的材料化学知识、科研实验知识等。

（二）、教师的合理的指导

在与科研课题相结合的材料化学实验教学中，教师的指导极为关键，它是实验得以开展的基础，是学生实验学习、进行的依据。教师应有计划、有目的的组织学生进行交流、讨论，收集整理有用的实验材料、结果，为科研课题实验的开展提供依据。在学生实验的过程中，教师应及时、认真观察实验，对学生出现的问题进行及时指导，确保学生实验的可进行性，使学生能在规定的时间内完成实验，提高学生实验兴趣与热情。在实验完成后，教师应及时将实验结果、讨论写入实验报告，并安排学生课后完成实验报考，教师对学生的实验报考进行检查、评价，给予合理意见，更正实验问题等，加强学生对实验的认识，提高学生的实验能力。[3]

（三）、引导学生主动学习，积极合作

在传统的材料化学教学中，"灌输式"的教学模式使学生的学习主动性降低，不利于学生实验能力的培养。在与科研相结合的材料化学实验教学中，教师应改变教学模式，以"探究式"的教学方式进行教学，使课堂生动、活泼，激发学生的学习兴趣，实验热情，引导学生主动思考，提高学生的思考能力、动手能力。同时，教师应围绕科研课题，引导学生自主发现问题，并对学生进行分组，确保每小组独立完成任务，每小组的学生通过收集资料、分析信息，解决问题，不仅提高学生的动手能力、解决问题的能力，也培养了学生的合作意识、提高学生的合作能力，为以后的科研实验打下基础。

（四）、加强校外实习基地的建设

开展与科研课题相结合的材料化学实验教学，实验基地的建设尤为重要。高校充分利用多种渠道，加强与企业单位的合作联系，加强校外实验、实习基地的建设，以此增强学生的实验实习时间，提高学生的实践能力。一些高校可在一些化学材料相关企业实习基地，满足学生的实习需求，此外，学生应选择合适的科研项目，鼓励支持学生在所实习的基地进行科研实验，教师并定期的到实习基地，结合实习基地的实验条件、具体情况，给予学生科学的指导，确保科研课题的顺利完成。同时，教学可采用企业、学校双导师制联合的方式，学校、企业各派一名导师到实习基地指导。[4]由于学校、企业所排的导师的侧重点不同，对学生的指导也不同，可使学生的材料化学理论知识、实际实验能力都得到提高。

三、结束语

在高校的材料化学教学中，与科研课题相结合的材料化学实验教学模式的开展需要根据学校的实验条件、科研经费状况、师资水平等因素，合理科学地选择科研课题、实验内容、实验课时等，以此确保实验进行的可行性。在实验教学中，教师应选择合适的科研实验内容、模式，给予学生适度的实验指导等，使学生准确掌握实验知识，提高实验能力。同时，高校应加强对实验基地的建设，提高学校的科研实力，为社会培养更多更优秀的具有实践、创新能力的高素质化学人才。