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高分子物理實驗課程改革的論文
摘要:高分子物理實驗課程是高分子物理理論課程的重要實踐教學(xué)形式。結(jié)合目前高分子物理實驗課程的教學(xué)特點和現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容和類型改革、教學(xué)方法和模式的改革、大型儀器在高分子物理實驗中的應(yīng)用改進以及實驗評價形式的優(yōu)化等方面對近年來高分子物理實驗課程教學(xué)改革的研究進行梳理總結(jié)。分析了不同方面改革對該課程教學(xué)所起的作用，指出高分子物理實驗課程改革的重點和方向，并對其進一步發(fā)展做出展望。
關(guān)鍵詞:高分子物理實驗;教學(xué)改革;進展
“高分子物理實驗”課是配合高分子物理理論課開設(shè)的一門重要實驗課程，它可以幫助學(xué)生進一步理解抽象的理論概念，提高他們的實驗動手能力，培養(yǎng)他們對高分子材料專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，進而提高自身的創(chuàng)新能力。長期以來，受傳統(tǒng)教學(xué)模式和不同層次學(xué)校客觀條件的限制，高分子物理實驗課程仍存在著一些普遍的問題，如，“澆灌式”教學(xué)、“圍觀式”教學(xué)的現(xiàn)象，基礎(chǔ)性實驗較多，缺乏綜合型、設(shè)計型和研究型實驗的問題，不易調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，不利于因材施教的問題等等［1］。所以圍繞高分子物理實驗課的教學(xué)改革研究，許多學(xué)者和老師發(fā)表了一些切實可行的方案，交流了自己的教學(xué)經(jīng)驗。這些教學(xué)改革的研究主要圍繞以下幾方面進行:一是教學(xué)的實驗內(nèi)容和類型的改革;二是教學(xué)方法和模式的改革;三是大型儀器在高分子物理實驗中的應(yīng)用改進;四是實驗教學(xué)評價形式的優(yōu)化。本文對上述研究進行總結(jié)，以求為進一步做好高分子物理實驗課程的改革理清思路。
1高分子物理實驗課教學(xué)內(nèi)容和類型的改革
實驗課教學(xué)的內(nèi)容是實驗課程的核心，所以開設(shè)什么內(nèi)容的實驗項目一直是實驗課程的中心任務(wù)。根據(jù)高分子物理實驗課的特點，一般將實驗項目類型分為驗證性、綜合性、設(shè)計性三大類。結(jié)合這幾種類型，各高校對實驗課的內(nèi)容進行著不斷的改革和完善。驗證性實驗是最基礎(chǔ)的一類實驗。它的特點是每個實驗內(nèi)容針對高分子物理的課堂教學(xué)中的某個知識點，不同實驗之間關(guān)聯(lián)不大，但它們作用在于重點培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力，讓學(xué)生通過實驗加深對理論知識的理解，為培養(yǎng)學(xué)生解決和分析實際問題的能力打好基礎(chǔ)［1］，因此該部分實驗是必開內(nèi)容，并且在上述三類實驗類型中所占比例最大。目前教學(xué)改革中涉及到這一部分內(nèi)容的改革變化不大，一般采用的都是教學(xué)大綱中的經(jīng)典實驗。綜合實驗一般分為三類［2］:(1)與高分子材料性質(zhì)的變化相關(guān)的綜合實驗;(2)與高分子材料或高分子化學(xué)課程相結(jié)合的綜合實驗;(3)與老師科研相結(jié)合的高分子物理實驗。設(shè)置這些綜合實驗，可以使學(xué)生進一步加深對高分子物理理論知識的理解，提高學(xué)生綜合運用知識分析和解決問題的能力，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。這類實驗往往是在驗證性實驗完成的基礎(chǔ)上再行開展。由于它們具有較大變化性，所以針對該類實驗教學(xué)的改革內(nèi)容是大家研究的熱點。如徐世愛等［1］利用偏光顯微鏡開設(shè)的“結(jié)晶聚合物的熔融和動力學(xué)”實驗。學(xué)生通過該實驗?zāi)芡瑫r觀察到聚合物在不同溫度下的結(jié)晶和熔融過程，以及球晶的生長和形態(tài)變化等。該實驗涉及聚合物結(jié)晶性能的許多知識點，是一個非常有代表性的高分子物理綜合實驗項目。吳強等［3］通過開設(shè)熱塑性材料加工制備及其力學(xué)性能表征的綜合實驗，使學(xué)生不僅可以了解多種熱塑性高分子材料的加工特性與力學(xué)特性，而且可以掌握多種材料力學(xué)性能的表征手段。體現(xiàn)了高分子物理與材料加工相結(jié)合的特點。將高分子化學(xué)和高分子物理相結(jié)合來開設(shè)綜合實驗是許多高校常選擇的方案。目前這類綜合實驗的內(nèi)容重點體現(xiàn)在突出高分子化學(xué)的合成特點與高分子物理結(jié)構(gòu)與性能特點相結(jié)合這方面。以苯乙烯的懸浮聚合和分子量測定為例，首先要求利用高分子化學(xué)知識完成苯乙烯的聚合，然后結(jié)合高分子物理知識，利用凝膠滲透色譜(或與激光光散射儀聯(lián)用)測定所制備的聚苯乙烯的分子量和分子量分布［4－6］。其它類似的實驗如，趙成吉［7－8］將不同體系聚合物的制備與所得樣品的熱性能分析相結(jié)合，利用熱失重分析儀、差示掃描量熱儀和動態(tài)熱機械分析儀等設(shè)備引導(dǎo)學(xué)生分析樣品的熱穩(wěn)定性、玻璃化轉(zhuǎn)變、模量等變化與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。劉晶如等［9］提出串聯(lián)多個簡單實驗的思路改進綜合實驗。他們以“聚丙烯的結(jié)晶形態(tài)”為例，在實驗中加入成核劑，改變樣品結(jié)晶過程，最終改變其力學(xué)、光學(xué)和耐熱性能。將涉及到上述測試的幾個高分子物理實驗串聯(lián)起來形成一個有機整體運用于教學(xué)。朱利平等［10］提出采用組合化教學(xué)方法對高分子物理實驗課程進行改革，他們將原本簡單但關(guān)聯(lián)性較強的實驗組合在一起，選取典型的高聚物如全同聚丙烯、高密度聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯作為盲樣，由學(xué)生選取一種，結(jié)合上述組合實驗的要求，自行設(shè)置實驗方案和參數(shù)，分別完成實驗設(shè)計。上述多種實驗?zāi)苡行У匕l(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性，提高動手能力和創(chuàng)新能力，加深了學(xué)生對高分子物理各知識點的理解和關(guān)聯(lián)。設(shè)計性實驗主要是根據(jù)實驗?zāi)康摹⒁蠛蜅l件，要求學(xué)生通過思考選擇原料及配方，設(shè)計實驗方案。它們是在綜合實驗基礎(chǔ)上的提升。設(shè)計性實驗的開設(shè)給學(xué)生提供了充分發(fā)揮自己主觀能動性的空間，可以調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。這部分實驗項目所占比例不宜過大，主要是針對學(xué)有余力的學(xué)生開設(shè)，實驗過程中有很強的研究性質(zhì)。有時為了強度科學(xué)研究性特點，有的學(xué)校分的更細，把設(shè)計性和研究性實驗分開來講。開設(shè)與高分子材料鑒定有關(guān)的實驗就屬于常見的一類設(shè)計性實驗。實驗對象一般是外形相同的聚合物材料，如高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的鑒定［1］，還有如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯的混合物的鑒別［11］。為了完成這些實驗，學(xué)生首先要從不同的出發(fā)點考慮分析問題，查閱相關(guān)文獻，然后設(shè)計實驗步驟，選用不同的儀器表征等等，最終實驗方案也不盡一致。通過這種設(shè)計型實驗，學(xué)生可以有效地培養(yǎng)獨立分析問題、解決問題的能力。與老師科研成果相結(jié)合又是開展該類實驗的一個特點。如王繼虎等［12］將教師的�；痦椖俊肮δ芑┧狨�(dǎo)電壓敏膠的研制”中的有些工作添加到高分子物理實驗當(dāng)中進行教學(xué)嘗試。李戰(zhàn)勝等［13］以不同材料分子量測定為對象開展科研與實驗教學(xué)相融合的改革探索。史以俊等［14］以納米碳酸鈣改性聚丙烯為例，詳細介紹了開展高分子物理研究性實驗教學(xué)的實施方法。吳廣峰等［15］介紹了通過梯度式設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容和結(jié)合科研實驗的兩種途徑進行高分子物理實驗教學(xué)改革的工作。張予東［16－17］在這方面也做了一些嘗試工作。結(jié)合自身科研課題，指導(dǎo)學(xué)有余力的大三學(xué)生對聚甲醛的結(jié)晶行為、聚丙烯抗氧化劑的結(jié)晶和流變行為等項目開展研究性實驗工作，學(xué)生反映良好，其中部分考上研究生的學(xué)生反饋信息，認為這種實驗經(jīng)歷對他們科研素質(zhì)的培養(yǎng)起了很好的幫助作用。
2與大型儀器應(yīng)用相關(guān)的高分子物理實驗教學(xué)改革
由于許多高分子物理實驗都要用到大型精密儀器，對儀器的依賴性強是高分子物理實驗的特點，如何應(yīng)用好相關(guān)的大型儀器服務(wù)高分子物理實驗，許多學(xué)校在這方面進行了有益的探索。唐萍等［18］結(jié)合本單位大型儀器用于高分子物理實驗教學(xué)的情況強調(diào)大型儀器在高分子物理實驗教學(xué)中具有獨特作用。目前，在高分子物理實驗教學(xué)改革中討論較多是與熱分析儀器相關(guān)的高分子物理實驗。如趙成吉分別進行了熱重分析儀［7］、示差掃描量熱儀［19］、動態(tài)機械分析儀［20］在高分子物理實驗教學(xué)中應(yīng)用的實例分析。翁秀蘭［21］、李明玲［22］、姚芳［23］、劉素霞［24］和于欣欣［25］等老師以熱分析技術(shù)或熱分析儀器為題探討了其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用情況。王艷色等［26］利用DSC技術(shù)對PET材料的熱轉(zhuǎn)變實驗進行細致研究，從而用于學(xué)生實驗教學(xué)。致所以大家把熱分析儀器作為熱點進行高分子實驗課方面的討論，這至少說明兩個原因:一是熱分析儀器在高分子物理實驗中應(yīng)用已非常普及;二是熱分析技術(shù)是與物質(zhì)性能測試相關(guān)的一類技術(shù)，涉及到多種熱分析儀器，聯(lián)系著高分子物理的許多理論知識點，可以衍生出多項實驗內(nèi)容。其次與高分子物理實驗改革涉及較多的儀器是用于聚合物的球晶測試的偏光顯微鏡，其中代表性的工作是羊海棠等［27］以偏光顯微鏡觀察為例詳細探討了其在高分子物理實驗項目改革中作用。另外，劉宇艷等［28］以聚合物分子量測試的滲透色譜儀為例，列舉了在GPC實驗中常見的一些問題，討論了凝膠填料的種類、不同的裝柱方法、溶劑以及樣品濃度、柱溫改變等對實驗結(jié)果的影響。疏瑞文［29］和唐萍［30］分別將旋轉(zhuǎn)流變儀和門尼黏度儀應(yīng)用于本科實驗教學(xué)中，從而幫助學(xué)生加深對聚合物流變性質(zhì)、分子鏈及鏈段運動等相關(guān)理論知識的理解與鞏固。
3高分子物理實驗教學(xué)方法和模式的改革探索
除了對實驗內(nèi)容進行改革外，許多新的教學(xué)方法和模式也被各高校積極地探索和嘗試，如開展網(wǎng)絡(luò)平臺教學(xué)，開發(fā)新的教學(xué)軟件和模型，開發(fā)新的實驗教學(xué)演示視頻、仿真實驗等，改進實驗教學(xué)評價方式等等。這方面的工作中國科技大學(xué)開展的很有代表性，以朱平平、何平笙為代表的老師先后發(fā)表了四十余篇與之相關(guān)的教改論文［31－32］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)平臺開展教學(xué)活動的模式越來越被人們接受。如朱平平［32］、王賀云［33］和苗繼斌等［34］均提到發(fā)展網(wǎng)絡(luò)平臺拓展新的教學(xué)渠道。將網(wǎng)絡(luò)平臺用于高分子物理實驗課程教學(xué)可以為師生帶來很多便利，如為學(xué)生提供自學(xué)環(huán)境，閱讀、下載實驗教學(xué)資料，隨時了解開設(shè)實驗的具體指導(dǎo)內(nèi)容，師生在線交流等等。另外，朱平平等［31－32］還將分子模擬技術(shù)引入到高分子物理實驗課程中，他們先后開發(fā)了5個高分子物理的計算機實驗:用“分子模擬”軟件構(gòu)建聚乙烯、全同立構(gòu)聚丙烯分子，并計算它們末端的直線距離;用“分子模擬”軟件計算聚丙烯酸甲酯的構(gòu)象能量，開展二維高分子鏈形態(tài)的計算機模擬，高分子鏈均方末端距、均方半徑與聚合度之間的標(biāo)度關(guān)系的計算，受限空間大分子鏈的穿越過程模擬。這些形象化的分子模擬技術(shù)有效地彌補了實體分子模型和課堂教學(xué)難易達到的效果，是實驗教學(xué)的新模式。部分實驗已在國內(nèi)其它高校得到普及應(yīng)用。開放式實驗教學(xué)也是改善高分子物理實驗教學(xué)很好的模式。唐萍等［35］采取實驗時間開放、實驗設(shè)備開放、實驗人員開放的三開放實驗?zāi)Ｊ竭M行了高分子物理實驗的開放式教學(xué)改革和摸索，取得了良好的教學(xué)效果。吳廣峰等［36］將開放式與互動式實驗教學(xué)相結(jié)合，在靈活中體現(xiàn)自主創(chuàng)新。張葵花［37］以應(yīng)用型本科院校高分子材料與工程專業(yè)的學(xué)生為對象，開展開放式高分子物理實驗教學(xué)改革探索。上述這些教學(xué)方法的共同特點是調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，從而使學(xué)生在完成實驗的過程中加深對基礎(chǔ)理論知識的理解。
4高分子物理實驗教學(xué)評價方式的改革
在改進高分子物理實驗教學(xué)評價方式方面，多數(shù)學(xué)校認同強調(diào)實驗過程管理的觀點。如杜濱陽等［2］、胡建設(shè)等［6］、苗繼斌等［34］在創(chuàng)新考核方式過程中，建議實驗教師從實驗預(yù)習(xí)開始，指導(dǎo)學(xué)生注意實驗操作的細節(jié)、關(guān)注學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察，加重這部分考核的權(quán)重。然后老師要對實驗報告的點評，讓學(xué)生參與對實驗結(jié)果的討論。降低實驗報告和期末筆試在考核中所占的權(quán)重，從而使實驗課的考核和評價更加全面、合理，力求客觀評價高分子物理實驗的教學(xué)效果。這種實驗考核方式的改進，改變了部分學(xué)生僅想照方抓藥的惰性實驗操作思想，提高了學(xué)生的主觀能動性和認真思考的學(xué)風(fēng)。朱平平等［38］還詳細介紹了高分子物理實驗課程實驗報告的規(guī)范化管理，值得同行借鑒。
5結(jié)語
隨著高分子物理理論知識的不斷發(fā)展，高分子物理分析技術(shù)的不斷提高，與高分子物理實驗課程相關(guān)的各種教學(xué)手段和方法也在不斷的完善和發(fā)展著，它離不開各個高校專業(yè)老師的認真思考和鉆研，在實際的教學(xué)運用當(dāng)中，還要結(jié)合各自學(xué)校的實際情況，所謂“教學(xué)有識，教無定法”。只有通過不斷探索，更新教育理念，改進教學(xué)方法，才能培養(yǎng)出適應(yīng)發(fā)展新形勢的高素質(zhì)人才。
作者:李慶華 常海波 李潤明 張予東 單位:河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院
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