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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形式。結合目前高分子物理實驗課程的教學特點和現(xiàn)狀，從教學內(nèi)容和類型改革、教學方法和模式的改革、大型儀器在高分子物理實驗中的應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改革的研究進行梳理總結。分析了不同方面改革對該課程教學所起的作用，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。
關鍵詞:高分子物理實驗;教學改革;進展
“高分子物理實驗”課是配合高分子物理理論課開設的一門重要實驗課程，它可以幫助學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)的學習興趣，進而提高自身的創(chuàng)新能力。長期以來，受傳統(tǒng)教學模式和不同層次學校客觀條件的限制，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、“圍觀式”教學的現(xiàn)象，基礎性實驗較多，缺乏綜合型、設計型和研究型實驗的問題，不易調(diào)動學生的主觀能動性，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改革研究，許多學者和老師發(fā)表了一些切實可行的方案，交流了自己的教學經(jīng)驗。這些教學改革的研究主要圍繞以下幾方面進行:一是教學的實驗內(nèi)容和類型的改革;二是教學方法和模式的改革;三是大型儀器在高分子物理實驗中的應用改進;四是實驗教學評價形式的優(yōu)化。本文對上述研究進行總結，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內(nèi)容和類型的改革
實驗課教學的內(nèi)容是實驗課程的核心，所以開設什么內(nèi)容的實驗項目一直是實驗課程的中心任務。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、設計性三大類。結合這幾種類型，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中的某個知識點，不同實驗之間關聯(lián)不大，但它們作用在于重點培養(yǎng)學生的基本操作能力，讓學生通過實驗加深對理論知識的理解，為培養(yǎng)學生解決和分析實際問題的能力打好基礎［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)的變化相關的綜合實驗;(2)與高分子材料或高分子化學課程相結合的綜合實驗;(3)與老師科研相結合的高分子物理實驗。設置這些綜合實驗，可以使學生進一步加深對高分子物理理論知識的理解，提高學生綜合運用知識分析和解決問題的能力，從而提高學生的綜合素質(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的“結晶聚合物的熔融和動力學”實驗。學生通過該實驗能同時觀察到聚合物在不同溫度下的結晶和熔融過程，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］通過開設熱塑性材料加工制備及其力學性能表征的綜合實驗，使學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特性，而且可以掌握多種材料力學性能的表征手段。體現(xiàn)了高分子物理與材料加工相結合的特點。將高分子化學和高分子物理相結合來開設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)在突出高分子化學的合成特點與高分子物理結構與性能特點相結合這方面。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知識完成苯乙烯的聚合，然后結合高分子物理知識，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)熱機械分析儀等設備引導學生分析樣品的熱穩(wěn)定性、玻璃化轉(zhuǎn)變、模量等變化與其結構的關系。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“聚丙烯的結晶形態(tài)”為例，在實驗中加入成核劑，改變樣品結晶過程，最終改變其力學、光學和耐熱性能。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。朱利平等［10］提出采用組合化教學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，由學生選取一種，結合上述組合實驗的要求，自行設置實驗方案和參數(shù)，分別完成實驗設計。上述多種實驗能有效地發(fā)揮學生的積極性和主動性，提高動手能力和創(chuàng)新能力，加深了學生對高分子物理各知識點的理解和關聯(lián)。設計性實驗主要是根據(jù)實驗目的、要求和條件，要求學生通過思考選擇原料及配方，設計實驗方案。它們是在綜合實驗基礎上的提升。設計性實驗的開設給學生提供了充分發(fā)揮自己主觀能動性的空間，可以調(diào)動學生的積極性，激發(fā)他們的學習興趣和創(chuàng)新意識。這部分實驗項目所占比例不宜過大，主要是針對學有余力的學生開設，實驗過程中有很強的研究性質(zhì)。有時為了強度科學研究性特點，有的學校分的更細，把設計性和研究性實驗分開來講。開設與高分子材料鑒定有關的實驗就屬于常見的一類設計性實驗。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，學生首先要從不同的出發(fā)點考慮分析問題，查閱相關文獻，然后設計實驗步驟，選用不同的儀器表征等等，最終實驗方案也不盡一致。通過這種設計型實驗，學生可以有效地培養(yǎng)獨立分析問題、解決問題的能力。與老師科研成果相結合又是開展該類實驗的一個特點。如王繼虎等［12］將教師的校基金項目“功能化丙烯酸酯導電壓敏膠的研制”中的有些工作添加到高分子物理實驗當中進行教學嘗試。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的實施方法。吳廣峰等［15］介紹了通過梯度式設計實驗教學內(nèi)容和結合科研實驗的兩種途徑進行高分子物理實驗教學改革的工作。張予東［16－17］在這方面也做了一些嘗試工作。結合自身科研課題，指導學有余力的大三學生對聚甲醛的結晶行為、聚丙烯抗氧化劑的結晶和流變行為等項目開展研究性實驗工作，學生反映良好，其中部分考上研究生的學生反饋信息，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與大型儀器應用相關的高分子物理實驗教學改革
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，如何應用好相關的大型儀器服務高分子物理實驗，許多學校在這方面進行了有益的探索。唐萍等［18］結合本單位大型儀器用于高分子物理實驗教學的情況強調(diào)大型儀器在高分子物理實驗教學中具有獨特作用。目前，在高分子物理實驗教學改革中討論較多是與熱分析儀器相關的高分子物理實驗。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中應用的實例分析。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或熱分析儀器為題探討了其在實驗教學中的應用情況。王艷色等［26］利用DSC技術對PET材料的熱轉(zhuǎn)變實驗進行細致研究，從而用于學生實驗教學。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用已非常普及;二是熱分析技術是與物質(zhì)性能測試相關的一類技術，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用于本科實驗教學中，從而幫助學生加深對聚合物流變性質(zhì)、分子鏈及鏈段運動等相關理論知識的理解與鞏固。
3高分子物理實驗教學方法和模式的改革探索
除了對實驗內(nèi)容進行改革外，許多新的教學方法和模式也被各高校積極地探索和嘗試，如開展網(wǎng)絡平臺教學，開發(fā)新的教學軟件和模型，開發(fā)新的實驗教學演示視頻、仿真實驗等，改進實驗教學評價方式等等。這方面的工作中國科技大學開展的很有代表性，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的教改論文［31－32］。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，利用網(wǎng)絡平臺開展教學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)絡平臺拓展新的教學渠道。將網(wǎng)絡平臺用于高分子物理實驗課程教學可以為師生帶來很多便利，如為學生提供自學環(huán)境，閱讀、下載實驗教學資料，隨時了解開設實驗的具體指導內(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”軟件構建聚乙烯、全同立構聚丙烯分子，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度關系的計算，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有效地彌補了實體分子模型和課堂教學難易達到的效果，是實驗教學的新模式。部分實驗已在國內(nèi)其它高校得到普及應用。開放式實驗教學也是改善高分子物理實驗教學很好的模式。唐萍等［35］采取實驗時間開放、實驗設備開放、實驗人員開放的三開放實驗模式進行了高分子物理實驗的開放式教學改革和摸索，取得了良好的教學效果。吳廣峰等［36］將開放式與互動式實驗教學相結合，在靈活中體現(xiàn)自主創(chuàng)新。張葵花［37］以應用型本科院校高分子材料與工程專業(yè)的學生為對象，開展開放式高分子物理實驗教學改革探索。上述這些教學方法的共同特點是調(diào)動學生的積極性和主動性，變被動學習為主動學習，從而使學生在完成實驗的過程中加深對基礎理論知識的理解。
4高分子物理實驗教學評價方式的改革
在改進高分子物理實驗教學評價方式方面，多數(shù)學校認同強調(diào)實驗過程管理的觀點。如杜濱陽等［2］、胡建設等［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習開始，指導學生注意實驗操作的細節(jié)、關注學生對實驗現(xiàn)象的觀察，加重這部分考核的權重。然后老師要對實驗報告的點評，讓學生參與對實驗結果的討論。降低實驗報告和期末筆試在考核中所占的權重，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效果。這種實驗考核方式的改進，改變了部分學生僅想照方抓藥的惰性實驗操作思想，提高了學生的主觀能動性和認真思考的學風。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的不斷提高，與高分子物理實驗課程相關的各種教學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，在實際的教學運用當中，還要結合各自學校的實際情況，所謂“教學有識，教無定法”。只有通過不斷探索，更新教育理念，改進教學方法，才能培養(yǎng)出適應發(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:河南大學化學化工學院
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