新工科背景下高分子化學實驗教學模式的探索與實踐

尚成新 郝俊生 王松柏

（山西大學化學化工學院， 化學國家級實驗教學示范中心（山西大學）， 太原 030006）

自2017 年教育部啟動新工科建設(shè)以來，相關(guān)專業(yè)的教學改革更加注重工程人才的培養(yǎng)，完善工科課程的教學模式，推動工程師的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。高分子化學作為化學學科的重要分支，主要研究高分子聚合物的合成機理和化學反應(yīng)，是化工和材料等工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是培養(yǎng)工科人才的必修課程。高分子化學實驗是高分子化學和高分子材料課程的實踐教學內(nèi)容，主要學習高分子聚合物的各種合成方法，涉及到縮聚和逐步聚合、自由基聚合、自由基共聚、離子聚合、配位聚合和聚合物的化學反應(yīng)等知識點，對學生實驗技能的培養(yǎng)不可或缺?；诠た迫瞬排囵B(yǎng)的需要，實驗教學體系更應(yīng)該與新工科的理念相結(jié)合［1-2］。

目前高分子化學實驗教學體系與化學學科其它分支相比，顯得還很薄弱［3］。這主要表現(xiàn)在：第一，單獨開設(shè)高分子化學實驗的高校較少，可能與整個學科發(fā)展歷史短有關(guān)； 第二，高分子化學實驗中可開設(shè)的實驗項目數(shù)量偏少，一般均少于10 個，而其它學科實驗項目數(shù)量一般為20～30 個； 第三，大部分實驗項目已應(yīng)用多年，缺少新穎性［4］。面對高分子化學實驗教學薄弱的情況，在教學中應(yīng)該重塑教學模式，以滿足新時期教學和學科發(fā)展的需要，并趕上教學改革的步伐。

實驗課程作為實踐教學的形式，是實踐育人的重要陣地，教學目標是培養(yǎng)滿足社會需要的建設(shè)人才，為“培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人”服務(wù)。作者所在的山西大學化學化工學院國家級實驗教學示范中心（2007 年評審?fù)ㄟ^），開設(shè)的高分子化學實驗課程經(jīng)過多年的教學實踐驗證，構(gòu)建了“觀念-內(nèi)容-興趣-能力”的教學模式。首先，將課程思政引入到高分子化學實驗課程中，重點引導大學生樹立正確的實驗觀念，發(fā)揮實驗課程的育人作用，是構(gòu)建教學體系的第一步。而實驗內(nèi)容和實驗項目是實驗課程的主體，是實現(xiàn)高分子化學實驗知識傳授和操作技能培養(yǎng)的重要載體，多年積累下來的高分子化學實驗的精華內(nèi)容也應(yīng)得到繼承、發(fā)展和創(chuàng)新，同時挖掘?qū)嶒烅椖康娜の缎?。在提高實驗技能的同時，更應(yīng)將重點轉(zhuǎn)到創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)上。由此構(gòu)建出“正確的實驗觀念-實驗內(nèi)容多樣化-探尋實驗的興趣點-注重能力的多層次培養(yǎng)”模式（圖1），著重培養(yǎng)工科生的嚴謹態(tài)度和專業(yè)能力。

圖1 實驗教學模式Fig.1 Teaching mode of experiment

1 樹立正確的實驗觀念

新工科培養(yǎng)的人才要具有新時代的工程師素質(zhì)，有責任有擔當，成為有靈魂的卓越工程師。而現(xiàn)在的大學生基本上是00后、05后，這代人是在信息化充盈的時代快速成長起來的。他們的思維活躍，思想多元化，世界觀、人生觀和價值觀在進入大學時并未完全定型。在進入實驗課堂后，本科生表現(xiàn)出來的思維意識和行為并不成熟。所以，實驗課程教師面臨的首要問題是“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人”?！顿Y治通鑒》中提到“ 才者，德之資也； 德者，才之帥也”。 因此，在實驗教學中立德樹人，將“做人”放在前，“做學問”放在后，將樹立正確的實驗觀念放在首位［5-6］。

1.1 培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度

化學實驗課往往與理論課相關(guān)聯(lián)，很多學生表現(xiàn)出不重視、應(yīng)付的態(tài)度。在以往的高分子化學實驗課上發(fā)現(xiàn)，部分學生課前不預(yù)習、實驗操作不認真、實驗報告抄襲，甚至存在遲到、上課時聊天和玩手機等現(xiàn)象。針對這些易出現(xiàn)的問題，重點做了以下工作： 第一，推出“實驗第一課”活動，在實驗前進行課前培訓，提出“五不準”、“安全十條”等，在制度上灌輸正確的實驗思想。第二，明確實驗成績考核機制，細化成績構(gòu)成，對課前預(yù)習、規(guī)范操作和提交實驗報告均做了具體要求，督促學生以嚴肅、嚴格和嚴謹?shù)膽B(tài)度來完成實驗的全過程。第三，改革實驗內(nèi)容，探尋每個實驗項目的興趣點，增加趣味性和探索性，避免學生上課中的“走神”現(xiàn)象。

1.2 培養(yǎng)探索精神和工匠精神

部分本科生進入實驗室后，對實驗課的熱情不高，常見的表現(xiàn)有態(tài)度消極、缺乏興趣和隨意應(yīng)付，這明顯與實驗課的初衷不相符。實驗課程追求的是精準的技能操作、真實可信的實驗數(shù)據(jù)和可靠的實驗結(jié)論。在實驗訓練過程中，需要積極主動的探索精神和精益求精、追求完美的工匠精神，而這正是部分學生所缺少的。因此，在高分子化學實驗的教學中，需要注意以下幾點： 第一，在實驗技能訓練方面，實驗操作務(wù)必規(guī)范，且準確無誤，不能模棱兩可。第二，實驗過程中，注重培養(yǎng)學生的認真態(tài)度，保證數(shù)據(jù)的真實可靠性。第三，在研究性實驗中，鼓勵學生積極主動地去探索設(shè)計講義中沒有的方案和方法。

1.3 注重環(huán)保意識和科學發(fā)展觀

高分子化學合成實驗會產(chǎn)生各種廢棄物，如果處置不當就會帶來污染問題。而環(huán)境污染，也恰是近年來全球面臨的挑戰(zhàn)，人們越來越重視身邊的環(huán)境，“綠水青山就是金山銀山”。因此，在學生剛進入實驗室時，強調(diào)環(huán)保意識，就顯得尤為重要了?；瘜W實驗既要保證學生得到了規(guī)范訓練，又要在不污染環(huán)境的前提下進行。在高分子化學實驗教學中，可以從幾個方面著手： 第一，做好實驗室通風設(shè)備與廢氣凈化設(shè)備的銜接，使學生進入實驗室時能切身感受到實驗環(huán)境的整潔舒暢，改變對傳統(tǒng)實驗室雜亂有異味的固有印象。第二，制定廢液回收處置制度，杜絕直接將廢液倒入下水管道的情況，每次實驗后將廢液分類回收，從行動上讓學生參與其中。第三，注重實驗項目的綠色化、微量化，減少有毒藥品的使用，使學生思想上意識到保護環(huán)境人人有責。

在培養(yǎng)提高學生的實驗觀念方面，具體還做了以下工作： 第一，強化學生的思想意識，對實驗的每個環(huán)節(jié)作出具體要求，做到管理制度具體化。比如提出的“五不準”，是指不準遲到早退、不準嬉戲打鬧、不準吃東西、不準玩手機和不準擾亂秩序。第二，鼓勵學生展示自己的合理設(shè)計。比如在乳液聚合中，多使用恒壓滴液漏斗來控制單體滴加速度，有學生設(shè)計了用一次性輸液器代替滴液漏斗的裝置，操作安全方便精準。第三，明確獎懲制度，細化考核。根據(jù)實驗成績考核方法，把成績分數(shù)分配到實驗的各個環(huán)節(jié)，做得不好會相應(yīng)扣分。第四，注重學生的反饋。學期實驗結(jié)束后，進行一次不記名的問卷調(diào)查，分為實驗觀念提升效果、內(nèi)容滿意度、興趣提高性和能力提高程度4 項。在最近的一次調(diào)查中，對實驗觀念的提升滿意度為92%。然后，針對學生不滿意的地方，制定相應(yīng)措施，作出改進。通過以上具體化的措施，既提升了學生的實驗觀念，也展示了實驗室的特色。

2 實驗內(nèi)容多樣化

新工科建設(shè)倡導知識體系的交叉融合，我們在設(shè)置教學項目時要注意經(jīng)典內(nèi)容與工程師培養(yǎng)思維的結(jié)合。近年來，隨著高校教學改革的不斷深入，教學改革的形式日益豐富，比如教學與科研相結(jié)合、倡導綠色化微量反應(yīng)、開設(shè)開放式實驗和設(shè)置綜合設(shè)計性實驗等，取得了越來越多的教學成果。但是在改革的過程中，要避免過激的情況，不能搞一刀切，拋棄所有的教學傳統(tǒng)和經(jīng)典實驗內(nèi)容。因此，在提倡教學改革的同時，要注重豐富實驗內(nèi)容和項目［7-8］，做到經(jīng)典實驗項目、綜合性實驗和研究性實驗的比例協(xié)調(diào)?；诖吮疚倪x擇了一些高分子化學實驗項目的類型和興趣點（表1）。

表1 高分子化學實驗項目的類型和興趣點Table 1 Experiment types and interests of polymer chemistry experimental projects

2.1 繼承經(jīng)典的驗證性實驗

所謂“經(jīng)典實驗”是指目的、原理、步驟和現(xiàn)象明確，實驗結(jié)果可以預(yù)測，經(jīng)過多年教學已經(jīng)驗證過的實驗。學生只要按照實驗講義操作，基本都能重復(fù)出來。實驗內(nèi)容重在驗證某個知識點，鍛煉學生的實驗操作能力，訓練基礎(chǔ)實驗技能，這些實驗項目也是最基礎(chǔ)的，經(jīng)過多年的教學實踐保留下來的，在實驗教學中不應(yīng)被拋棄。在高分子化學實驗的教學中，遵循大學生的認知能力和學習規(guī)律，按照由易到難的課程設(shè)置體系，首先應(yīng)安排一定數(shù)量的經(jīng)典驗證性實驗。

在教學過程中，我們選擇了5個經(jīng)典的高分子合成實驗（表1Ⅰ-Ⅴ）： 脂肪二胺與二元酰氯的界面縮聚、懸浮法聚苯乙烯的合成、乙酸乙烯酯的乳液聚合、乙酸乙烯酯的種子乳液聚合和苯丙乳液的合成。通過這些經(jīng)典實驗，學生可以更好地理解聚合機理、實施方法和反應(yīng)速率等理論知識，使專業(yè)基礎(chǔ)更加扎實，提高基礎(chǔ)實驗操作技能。

2.2 適當增加綜合性實驗

綜合性實驗比驗證性實驗稍加復(fù)雜，并不僅限于某個知識點，往往包括2 個以上的知識點，或者考察多個內(nèi)容，目的是加深學生對理論知識的理解，做到基礎(chǔ)專業(yè)知識與實踐的融會貫通，增強綜合實驗技能。綜合性實驗的來源，可以是全新設(shè)計的實驗項目，也可以是由科研項目轉(zhuǎn)變來的實驗項目，但更推薦由驗證性實驗改進成的綜合性項目。因為這些實驗項目繼承了經(jīng)典實驗的所有優(yōu)點，內(nèi)容可靠，重現(xiàn)性有保證。

在教學中，我們設(shè)計了3個綜合性實驗項目（表1Ⅵ-Ⅷ）： 吸水樹脂的溶液聚合及吸水性能測試、乙酸乙烯酯聚合醇解制備聚乙烯醇縮甲醛、苯乙烯和MMA 懸浮共聚研究。經(jīng)過精心設(shè)計的綜合實驗，可以將聚合物吸水樹脂合成和材料吸水性能測試結(jié)合起來； 也可以將多個傳統(tǒng)實驗項目如乙酸乙烯酯的溶液聚合、聚乙酸乙烯酯的醇解和聚乙烯醇的縮醛化反應(yīng)串聯(lián)成一個綜合性實驗； 還可以根據(jù)學生的要求，設(shè)計成開放性的探索實驗，例如從單體比例、自由基共聚物的組成和分散劑類型等不同維度對苯乙烯和MMA懸浮共聚實驗進行探索。

2.3 設(shè)置研究性實驗

研究性實驗具有啟發(fā)學生思維、提高實驗參與性的特點，一般由老師給出實驗?zāi)康摹嶒灄l件和實驗原料，在任課教師指導下學生作為主體來設(shè)計實驗方案和步驟，制備出相應(yīng)的聚合物產(chǎn)品。研究性實驗的來源，既可以是教師的科研項目，也可以是經(jīng)典高分子化學反應(yīng)的改進，只要能起到鍛煉學生研究性思維的作用，就能作為研究性實驗初步引導學生進行科研探索。

在設(shè)置研究性實驗時，要注意項目數(shù)量不能過多，否則在教學中很難實現(xiàn)，也與學生的能力不相符。因此，設(shè)置了膨脹計法測定苯乙烯聚合反應(yīng)速率和甲基丙烯酸甲酯的本體聚合研究2個項目（表1Ⅸ-Ⅹ）。這2個實驗項目，均是由經(jīng)典實驗項目改進得到。膨脹計法測定苯乙烯聚合反應(yīng)速率的實驗，是利用膨脹計測定苯乙烯本體聚合的反應(yīng)速率，設(shè)計了2種方法將其改造成研究性實驗，一是將苯乙烯的聚合與可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）相結(jié)合，具有活性聚合的特點； 二是選擇多種溶劑，測定不同溶液中聚合的反應(yīng)速率。甲基丙烯酸甲酯的本體聚合實驗，制備出預(yù)聚物后，多選擇在45 ℃長時間反應(yīng)，直到聚合完成。做了兩項改進，一是預(yù)聚中增加了對照試驗，添加除氣泡的操作； 二是采用了梯度升溫的方法，來研究溫度對聚合的影響，同時縮短了反應(yīng)時間。其次，項目難度要適中，根據(jù)學生的知識水平和實驗?zāi)芰碓O(shè)置，讓學生“跳一跳就能摘到桃子”。再次，任課教師要起到指導作用，幫助學生把握實驗方案的科學性和可行性，引導學生完成實驗后的總結(jié)。

3 探尋實驗的興趣點

高分子產(chǎn)品往往是與日常生活緊密相關(guān)的，在生活中隨處可見，如果將高分子化學實驗項目與生活相關(guān)聯(lián)，就能明顯提高學生的上課興趣。俗話說興趣是最好的老師，寓教于樂的同時，也可以提高教學效果［9-10］。

為使實驗課程能夠激發(fā)學生的學習興趣，在設(shè)置實驗內(nèi)容時就具有針對性。第一，高分子化學實驗課的內(nèi)容與理論課程相一致，逐個去驗證縮聚、自由基聚合、自由基共聚和聚合物的化學反應(yīng)。實驗課作為理論課知識點的再現(xiàn)和驗證，相比高分子化學課本上那些抽象的知識點，學生更愿意去實驗課上驗證。第二，設(shè)置實驗項目時要有選擇性，注重加強高分子化學與現(xiàn)實生活的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計合成一些日常能見到的高分子材料，比如有機玻璃制品、涂料和膠水，提高學生上課的積極性。第三，提煉每個實驗項目的興趣點，保證每個實驗項目都具有吸引力，能提高學生的積極性。因此，在開設(shè)的高分子實驗項目里，盡可能滿足這些要求，把每一個實驗項目吸引學生的知識點均提煉出來（表1Ⅰ-Ⅹ），從教學效果來看，基本能達到預(yù)期。比如，在制備膠水的實驗過程中，學生會興致勃勃地去測試膠水的粘性，拿不同的紙張去試驗，同學之間還會進行比較，相互討論提高粘性的方法，既加深了對理論知識的理解、掌握了實驗技能，又提高了學習主動性。

4 注重能力的多層次培養(yǎng)

新工科是對人才培養(yǎng)模式的新探索，對學生能力的培養(yǎng)有了更高的要求。學生既要掌握學科交叉的知識，又要具有自主學習的能力，運用所學解決工程問題。實驗課程對學生能力的培養(yǎng)，可以劃分為3個層次，即基本操作能力、綜合實驗?zāi)芰涂蒲袆?chuàng)新能力?；静僮髂芰κ侵笇W習各種常見儀器的使用，能夠獨立進行實驗，準確記錄實驗現(xiàn)象，正確處理實驗數(shù)據(jù)，這是對學生最低的實驗要求。綜合實驗?zāi)芰?cè)重于理論知識在實驗中的運用，來解決遇到的實際問題。實驗課程的更高要求就是培養(yǎng)創(chuàng)新思維，在實驗中學會發(fā)現(xiàn)新問題和探索解決問題的方法［11-13］。

4.1 提高基本操作能力

在實驗教學中，經(jīng)常以經(jīng)典的合成實驗來驗證理論課程的教學內(nèi)容，主要由老師指定實驗講義，安排上課內(nèi)容，學生按步驟操作，上交實驗報告。在這個過程中，教學目的明確，學生可以加深對知識點的理解，鍛煉學生的實驗操作技能。在高分子化學實驗中，以醋酸乙烯酯的種子乳液聚合為例，按照如下步驟來教學： 第一，挖掘每個實驗項目的考察點，找到對應(yīng)的理論知識點，對應(yīng)的知識點包括種子聚合、膠束成核、均相成核和乳化劑等； 第二，結(jié)合實驗項目，加深各個知識點的理解，實驗前要向?qū)W生講明白實驗機理； 第三，利用理論知識指導實驗操作，在明白了種子乳液聚合的機理之后，可以采取預(yù)乳化-半連續(xù)加料工藝，控制醋酸乙烯酯乳液聚合的反應(yīng)速率和乳膠粒的粒徑。因此，通過高分子化學實驗課程的鍛煉，學生在合成方法的選擇、機械設(shè)備的使用和聚合產(chǎn)物后處理等操作方面，均受益匪淺。

4.2 增強綜合實驗?zāi)芰?/h3>

在提高實驗?zāi)芰Φ耐瑫r，如果只是被動地重復(fù)前人的實驗，學生缺乏上課積極性，這對綜合實驗?zāi)芰Φ奶岣吆蛣?chuàng)新意識的培養(yǎng)益處不大。實驗教學作為高等教育體系的重要組成部分，實驗教學在培養(yǎng)學生動手能力、解決問題能力和提高綜合素質(zhì)等方面都應(yīng)起到重要的作用。高分子化學實驗針對的學生多數(shù)為大二、大三的學生，他們已經(jīng)選修過分析化學實驗、無機化學實驗、有機化學實驗和物理化學實驗等課程，具備了基礎(chǔ)的實驗操作技能。因此，將高分子化學實驗的訓練重點轉(zhuǎn)移到綜合實驗?zāi)芰ι鲜呛侠砗涂尚械模?4-16］。

因此，在設(shè)計實驗內(nèi)容時，要注意以下兩點： 第一，教師在教學時要思路開闊，注重提高綜合實驗?zāi)芰?，不僅僅是訓練實驗的基本操作； 第二，鍛煉綜合實驗?zāi)芰Φ男问蕉鄻樱梢允沁B續(xù)的多步實驗操作，可以是實驗操作與理論知識的結(jié)合，也可以是解決問題能力的訓練等。

4.3 培育科研創(chuàng)新能力

在提高基本操作能力和綜合實驗?zāi)芰Φ耐瑫r，實驗課程也要注重科研創(chuàng)新思維的培育工作。習近平主席曾指出“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力，也是中華民族最深沉的民族稟賦?！?因此，在構(gòu)建高分子化學實驗教學體系時，要注意以下幾個方面： 第一，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，實驗課不是理論課的附庸，而是提高創(chuàng)新能力的實踐形式，通過高分子化學實驗課的系統(tǒng)訓練可以顯著提高科研素質(zhì)和創(chuàng)新思維； 第二，加強教師在上課過程中的啟發(fā)引導作用，比如在苯乙烯和MMA 懸浮共聚實驗中，影響聚合物粒徑的因素可能是單體比例、油水比、分散劑用量、反應(yīng)溫度和時間等，有意識地去培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)； 第三，鼓勵學生主動去查閱文獻，分析文獻中的工藝條件和合成方法，思考其中的原理，學生在主動學習的同時，科研創(chuàng)新能力得到了逐步提升。

5 結(jié) 論

根據(jù)近年來對工科人才培養(yǎng)的需求和教學改革的發(fā)展趨勢，山西大學化學實驗教學示范中心開設(shè)了高分子化學實驗課程，針對“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人”的問題，構(gòu)建了實驗教學的“觀念-內(nèi)容-興趣-能力”模式。在教學中，首先要幫助學生樹立正確的實驗觀念，分別從嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度、探索和工匠精神、環(huán)保意識和科學發(fā)展觀三方面入手。實驗內(nèi)容做到多樣化，既要保留傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗項目，又要補充提高學生能力的綜合性實驗和研究性實驗。利用高分子材料與日常生活結(jié)合緊密的特點，去探尋每個實驗項目的興趣點，把學生吸引到課堂上。針對不同學生在能力上的差別，還需注重能力的多層次培養(yǎng)。將這些手段有機結(jié)合起來，形成環(huán)環(huán)相扣的一整套系統(tǒng)，成為適應(yīng)現(xiàn)代教學需求的實驗教學模式。