高分子物理教學案例設計及實踐

戴培邦　陳國華

[摘 要]環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)在工程教育認證標準中具有重要地位。在課程教學中，結合基本理論教學培養(yǎng)學生環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念，是該認證要求有效達成的重要保障。實現環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展是高分子材料與工程領域的重大課題。在高分子物理課程的理論教學過程中，結合與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念相關的具體案例開展教學實踐，引導、啟發(fā)學生理解環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念的具體內涵，有助于實現工程教育認證畢業(yè)要求的“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”指標點的有效達成。

[關鍵詞]工程教育認證;環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展;高分子物理

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0101-03

近幾十年來，保護環(huán)境和實現可持續(xù)發(fā)展，已成為人類社會的共識。因而加強環(huán)境保護，促進生態(tài)文明建設，實現可持續(xù)發(fā)展成為人類活動的基本準則。開展環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展教育，是構建環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念、實現環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重要措施。我國不僅在科技、經濟及社會發(fā)展規(guī)劃中，將環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展作為重大戰(zhàn)略，也將開展環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展教育放在戰(zhàn)略高度予以重視。工程教育認證標準順應人類文明發(fā)展趨勢，將環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念教育放在極為重要的位置[1-2]。因此，開展環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展教育，具有重大的戰(zhàn)略意義和現實意義。

一、高分子物理課程開展環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念教學的必要性

工程教育認證通用標準關于畢業(yè)要求的核心思想是培養(yǎng)學生獲得解決復雜工程問題所需工程知識，具備分析、研究、解決復雜工程問題的能力。與此同時，要求學生關注“工程與社會”的關系，評價工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境的影響，要求學生必須建立環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的理念[2]。

工程教育認證通用標準（2018版）中的“3. 畢業(yè)要求”，對“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”極為重視。畢業(yè)要求“3.3 設計/開發(fā)解決方案” 中，要求學生“能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素”。畢業(yè)要求“3.6 工程與社會”，要求學生“能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的社會責任”。畢業(yè)要求“3.7 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”要求學生“能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響”，對環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展提出了明確、具體的要求。鑒于此，有必要將環(huán)境和持續(xù)發(fā)展的理念融入具體的工程教育實踐。因為畢業(yè)要求指標點的達成需要教學活動（又稱為課程）的支持，其衡量也是基于課程來實現[2]。所以，在課程教學活動中，采用理論講解結合具體案例分析的模式，培養(yǎng)學生構建環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的理念，是該項畢業(yè)要求達成的重要措施和保障。

高分子材料與工程專業(yè)的畢業(yè)生，主要在塑料、橡膠、纖維、涂料及膠粘劑等行業(yè)從事生產管理、質量管理及技術開發(fā)工作。高分子材料的大量生產和廣泛使用，給人類生活帶來了極大的便利，同時也產生了很多嚴重的問題。很多高分子材料在生產和使用過程中，引起了嚴重的環(huán)境問題。此外，高分子材料大多為石化產品，其原材料多來自石油和煤炭等不可再生的資源，存在資源、能源消耗的問題，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展，在高分子材料領域是一個重大課題。因此，高分子材料與工程專業(yè)的學生，更應該通過課程理論學習，掌握環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的具體內容，以滿足工程教育認證以產出導向的人才培養(yǎng)觀要求[3]。

將環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念融入高分子材料與工程專業(yè)的課程教學活動，通過高分子科學理論結合與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念相關的具體案例進行教學，培養(yǎng)高分子材料與工程專業(yè)學生建立環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的理念，有助于高分子材料與工程專業(yè)畢業(yè)要求指標點“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”的有效達成。現有的高分子材料與工程專業(yè)的相關課程，極少系統(tǒng)性地將環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)融入專業(yè)理論教學的具體案例。本文介紹在高分子物理課程的理論教學過程中，如何結合與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念設計相關的具體案例，開展環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)的教學實踐。

二、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)的教案內容

（一）高分子物理課程特點

高分子物理是高分子材料與工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，主要內容是聚合物結構、分子運動與轉變的基本概念、基本理論和基本研究方法，為相關專業(yè)課程的學習及從事相關專業(yè)工作奠定理論基礎。這門課程的特點是，廣泛涉及數學、物理及化學等基礎理論知識，概念多，理論敘述多，內容涉獵繁雜，知識點之間的關系繁雜，不易梳理課程脈絡。學生往往感覺課程知識零亂，難記憶，難理解[4]。分析其原因，主要是課程是基于數學、物理及化學等基礎理論構建的全新的理論體系，理論抽象，而涉及的實際應用少;尤為重要的是，現今的高分子物理課程教學，一般只注重理論的講授，而極少將理論與當今環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的潮流做具體的關聯進行講授，讓學生認為課程僅僅是一門抽象的理論課，實際應用價值不大，從而導致他們缺乏學習興趣。

基于此，如果能在教學過程中，將理論講授結合環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的時代要求，收集課程基本理論與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展相關的具體教學案例，開展高分子物理的教學，不僅有助于提高學生學習高分子物理的積極性，提高課堂教學質量，而且有助于工程教育認證標準“畢業(yè)要求”的“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”指標點的有效達成。更為重要的是，此舉將賦予高分子物理課程理論教學新的內涵和鮮明的時代標志。

（二）教案設計

本文以高分子物理的“溶液”教學為基礎，在完成高分子溶液理論的講解之后，結合高分子溶液及高分子鏈段運動的基本理論，增加環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)的教學內容。

高分子溶液產品廣泛用于涂料、膠粘劑及紡絲等領域，其應用的基礎是，將高聚物溶于一定的溶劑制成高分子溶液，在高分子溶液使用時，溶劑揮發(fā)，高聚物以分子間力相互作用形成凝聚態(tài)，獲得具有高強度的高分子材料[5]。

高分子溶液在使用過程中存在的問題是，絕大多數的高分子溶液所采用的溶劑為有機溶劑，包括苯類、酮類、酯類、胺類、酰胺類等。這些有機溶劑揮發(fā)到大氣中，造成兩方面的問題。一方面，會引起環(huán)境污染。持續(xù)的、系統(tǒng)的有機溶劑排放到大氣中，會引起嚴重的環(huán)境破壞和生態(tài)災難，給人類的身體健康和生存環(huán)境帶來危害。另一方面，因大多數的有機溶劑來自石油化工和煤炭化工行業(yè)，而石油和煤炭為不可再生的資源，大量有機溶劑揮發(fā)到大氣中，是巨大的能源、資源浪費，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

為了符合環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求，科技界、產業(yè)界多年來對改進高分子溶液相關產品做了持續(xù)而有成效的努力，推出了大量的綠色環(huán)保產品。高分子溶液綠色環(huán)保產品的基本策略是水基化，包括水溶液和水乳液產品。水溶液產品的構成是：以水為溶劑，溶解高聚物制成高分子溶液，產品在使用時，溶劑水揮發(fā)到大氣中，不污染環(huán)境;水可循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。水乳液產品的基本構成是：以水為分散劑，高聚物以乳膠粒的形式分散于水中，組成高聚物乳液，在使用過程中，水分揮發(fā)，乳膠粒通過一定的相互作用相互聚集成為具有一定強度的高分子材料。

盡管在涂料、膠粘劑及紡絲液等領域，水基化高分子產品被認為是綠色環(huán)保產品，取代傳統(tǒng)的有機溶劑型高分子溶液產品已取得很大的進步，但是，水基化高分子產品還存在許多不足，在很多領域還不能完全取代傳統(tǒng)的有機溶劑型高分子溶液產品。水基化高分子產品的性能，在很多指標上還不能滿足要求。導致此問題的根本原因是，要使高聚物能溶于水中形成高聚物水溶液，則高聚物分子鏈中需有足夠多的親水基團，這會使高聚物的抗水性大幅下降。同樣的道理，高分子乳液產品為了使高聚物乳膠粒能夠穩(wěn)定地分散于水中，其分子鏈上需有足夠的親水基團，同時還需加入一定量的親水性物質，這會使高聚物的耐水性能下降。所以，水基化高分子產品的應用范圍有限，目前主要是在建筑膠粘劑和建筑涂料行業(yè)得到大量的應用，在木器及金屬涂料等領域，水基化高分子產品的應用極有限。

三、課堂教學實踐

在完成高分子溶液的理論講授之后，結合高分子溶液理論開展環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)的教學互動。具體安排是：將課堂討論的問題作為課后作業(yè)布置，讓學生通過學習教材的理論和查閱文獻尋找答案，到課堂上對所提問題進行具體討論，通過啟發(fā)式教學，讓學生理解高分子溶液的理論與環(huán)境和持續(xù)發(fā)展理念的聯系。

課堂討論的問題包括：第一，從分子結構的角度說明，高分子水溶液產品的缺陷是什么？第二，從分子結構的角度說明，高分子乳液產品的缺陷是什么？第三，高分子乳膠粒能夠聚集成為整體材料的條件是什么？這會引起哪些具體的問題？第四，如果高分子乳膠粒的玻璃化溫度較高，在常溫下施工是否可聚集成為整體材料？如何保證其能夠聚集成為整體材料？這會引起什么問題？第五，從施工環(huán)節(jié)來說，水基化高分子產品有哪些缺陷？產生這些缺陷的分子機理是什么？

在討論之前，先板書討論上述問題所需理論知識：要使高聚物能溶于水，其分子鏈上需有足夠的親水基團，如羥基、羧基、氨基、磺酸基、胺鹽、羧酸鹽等;要使高聚物乳膠粒能夠穩(wěn)定地存在于水中，其乳液體系中需含有足夠的親水的乳化劑，其乳膠粒中部分分子鏈上需含有一定量的親水基團;高聚物濃溶液理論（高聚物增塑理論）;高聚物分子鏈段運動及分子間作用力的理論。每個問題在討論時，先依次由2～4人起立闡述其答案或觀點，再征詢學生意見，看看是否需對前面幾位同學的答案、觀點做補充。在每個問題討論結束后，授課教師進行評價、分析。

當所有列出的問題討論結束后，授課教師對此次討論課的討論內容進行總結，并板書結合講解，給出問題的參考答案（板書要點）：（1）高分子溶液產品，在水揮發(fā)后形成的高聚物整體材料，因其聚合物分子鏈上含有親水基團，所以在空氣濕度較大時，空氣中水分子易滲入，形成高分子濃溶液，水分子起增塑劑作用，導致高聚物整體材料的耐水性差，綜合性能下降。所以，在實際應用中，高分子溶液產品的應用范圍很有限，目前用得最多的是內墻膩子膠水。（2）高分子乳液產品，其所含高聚物分子中親水基含量相對于水溶性高聚物所含親水基少，因此其耐水性相對要好。但是，高分子乳液產品在使用時聚集成為高聚物整體材料的機理與高分子水溶液產品不同。高分子乳液聚集成整體材料的基材是乳膠粒，而不是直接由聚合物分子聚集而成。在這種情況下，乳膠粒在室溫下聚集成為整體材料的前提是乳膠粒的玻璃化溫度較低，這會導致其整體材料的硬度低，耐玷污性差、耐熱性差等。當高分子乳液所含高聚物的玻璃化溫度較高時，在常溫下乳膠粒并不能有效地聚集成整體材料（為什么？），因而不具有力學強度，沒有使用價值。要使玻璃化溫度較高的乳膠粒在常溫下能夠有效地聚集成膜，工業(yè)上采用的技術是，往高分子乳液產品中加入助溶劑（俗稱為成膜助劑，如醇酯12）。該助溶劑的沸點較高，與乳膠粒相容性好。當乳液的水分揮發(fā)后，該助溶劑與高聚物形成濃溶液，起增塑作用，使聚合物分子間作用力降低，從而使乳膠粒形成整體材料。隨著時間的延長，該助溶劑緩慢揮發(fā)，使高聚物分子間力增大，從而使高聚物整體材料的玻璃化溫度提高，硬度增加，綜合性能如耐玷污性等提高。所以，從本質上而言，要使高分子乳液產品獲得性能良好的整體材料，其本質上仍然采用了有機溶劑型產品聚集成整體材料的原理。如高分子乳液的高聚物玻璃化溫度高，則助溶劑添加量大，這其實已不符合環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的要求。綜上所述，水基化高分子產品，其性能還存在許多不足，還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的有機溶劑型高分子溶液產品。

四、結束語

基于環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的理念，設計高分子物理授課教案，將理論講解與實際應用案例有機結合，有助于學生提高對高分子物理理論的具體認識，明白高分子物理的理論并非空洞、抽象的理論，而是具有重要而實際的應用價值，從而提高學生學習高分子物理基本理論的積極性。同時，將高分子物理的理論與實際應用案例用于環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念培養(yǎng)的教學，可賦予并豐富環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理念的具體內容，讓學生理解環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的理念不是抽象、空洞的理念，而是具有具體而豐富的時代內涵，這有利于工程教育認證標準的指標點“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”的有效達成，有利于培養(yǎng)高素質高分子材料與工程專業(yè)人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 中國工程教育專業(yè)認證協會編.工程教育一點通[M].北京：教育科學出版社，2015：7.

[2] 中國工程教育專業(yè)認證協會秘書處.工程教育認證通用標準解讀及使用指南[Z].2018.

[3] 楊燕，陳智棟，劉春林，張洪文.工程教育認證背景下高分子材料與工程應用型人才培養(yǎng)研究[J].產業(yè)與科技論壇，2016（19）：122-124.

[4] 王德海，楊晉濤.高分子物理課程知識體系的構建革新[J].高分子通報，2012（11）：101-103.

[5] 華幼卿，金日光.高分子物理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013：7.

[責任編輯：鐘 嵐]