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高分子物理實(shí)驗(yàn)課程改革的論文
摘要:高分子物理實(shí)驗(yàn)課程是高分子物理理論課程的重要實(shí)踐教學(xué)形式。結(jié)合目前高分子物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用改進(jìn)以及實(shí)驗(yàn)評價形式的優(yōu)化等方面對近年來高分子物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的研究進(jìn)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(shí)驗(yàn)課程改革的重點(diǎn)和方向，并對其進(jìn)一步發(fā)展做出展望。
關(guān)鍵詞:高分子物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;進(jìn)展
“高分子物理實(shí)驗(yàn)”課是配合高分子物理理論課開設(shè)的一門重要實(shí)驗(yàn)課程，它可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解抽象的理論概念，提高他們的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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)�？陀^條件的限制，高分子物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)較多，缺乏綜合型、設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)可行的方案，交流了自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。這些教學(xué)改革的研究主要圍繞以下幾方面進(jìn)行:一是教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用改進(jìn);四是實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價形式的優(yōu)化。本文對上述研究進(jìn)行總結(jié)，以求為進(jìn)一步做好高分子物理實(shí)驗(yàn)課程的改革理清思路。
1高分子物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容和類型的改革
實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)課程的核心，所以開設(shè)什么內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一直是實(shí)驗(yàn)課程的中心任務(wù)。根據(jù)高分子物理實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，一般將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型分為驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性三大類。結(jié)合這幾種類型，各高校對實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容進(jìn)行著不斷的改革和完善。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是最基礎(chǔ)的一類實(shí)驗(yàn)。它的特點(diǎn)是每個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對高分子物理的課堂教學(xué)中的某個知識點(diǎn)，不同實(shí)驗(yàn)之間關(guān)聯(lián)不大，但它們作用在于重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)加深對理論知識的理解，為培養(yǎng)學(xué)生解決和分析實(shí)際問題的能力打好基礎(chǔ)［1］，因此該部分實(shí)驗(yàn)是必開內(nèi)容，并且在上述三類實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn);(2)與高分子材料或高分子化學(xué)課程相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn);(3)與老師科研相結(jié)合的高分子物理實(shí)驗(yàn)。設(shè)置這些綜合實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生進(jìn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)往往是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革內(nèi)容是大家研究的熱點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)涉及聚合物結(jié)晶性能的許多知識點(diǎn)，是一個非常有代表性的高分子物理綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。吳強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)。將高分子化學(xué)和高分子物理相結(jié)合來開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)是許多高校常選擇的方案。目前這類綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容重點(diǎn)體現(xiàn)在突出高分子化學(xué)的合成特點(diǎn)與高分子物理結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)的思路改進(jìn)綜合實(shí)驗(yàn)。他們以“聚丙烯的結(jié)晶形態(tài)”為例，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來形成一個有機(jī)整體運(yùn)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(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，他們將原本簡單但關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的要求，自行設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)，分別完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。上述多種實(shí)驗(yàn)?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(diǎn)的理解和關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康�、要求和條件，要求學(xué)生通過思考選擇原料及配方，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。它們是在綜合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的提升。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)過程中有很強(qiáng)的研究性質(zhì)。有時為了強(qiáng)度科學(xué)研究性特點(diǎn)，有的學(xué)校分的更細(xì)，把設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)分開來講。開設(shè)與高分子材料鑒定有關(guān)的實(shí)驗(yàn)就屬于常見的一類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先要從不同的出發(fā)點(diǎn)考慮分析問題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，選用不同的儀器表征等等，最終實(shí)驗(yàn)方案也不盡一致。通過這種設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以有效地培養(yǎng)獨(dú)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(shí)驗(yàn)的一個特點(diǎn)。如王繼虎等［12］將教師的�；痦�(xiàng)目“功能化丙烯酸酯導(dǎo)電壓敏膠的研制”中的有些工作添加到高分子物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(xì)介紹了開展高分子物理研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方法。吳廣峰等［15］介紹了通過梯度式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和結(jié)合科研實(shí)驗(yàn)的兩種途徑進(jìn)行高分子物理實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目開展研究性實(shí)驗(yàn)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(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革
由于許多高分子物理實(shí)驗(yàn)都要用到大型精密儀器，對儀器的依賴性強(qiáng)是高分子物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，如何應(yīng)用好相關(guān)的大型儀器服務(wù)高分子物理實(shí)驗(yàn)，許多學(xué)校在這方面進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況強(qiáng)調(diào)大型儀器在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有獨(dú)特作用。目前，在高分子物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。如趙成吉分別進(jìn)行了熱重分析儀［7］、示差掃描量熱儀［19］、動態(tài)機(jī)械分析儀［20］在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)致研究，從而用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)。致所以大家把熱分析儀器作為熱點(diǎn)進(jìn)行高分子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，可以衍生出多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其次與高分子物理實(shí)驗(yàn)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(xì)探討了其在高分子物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動等相關(guān)理論知識的理解與鞏固。
3高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和模式的改革探索
除了對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)演示視頻、仿真實(shí)驗(yàn)等，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，隨時了解開設(shè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程中，他們先后開發(fā)了5個高分子物理的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn):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(jì)算它們末端的直線距離;用“分子模擬”軟件計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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(bǔ)了實(shí)體分子模型和課堂教學(xué)難易達(dá)到的效果，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。部分實(shí)驗(yàn)已在國內(nèi)其它高校得到普及應(yīng)用。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是改善高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)很好的模式。唐萍等［35］采取實(shí)驗(yàn)時間開放、實(shí)驗(yàn)設(shè)備開放、實(shí)驗(yàn)人員開放的三開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行了高分子物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索。上述這些教學(xué)方法的共同特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的過程中加深對基礎(chǔ)理論知識的理解。
4高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價方式的改革
在改進(jìn)高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價方式方面，多數(shù)學(xué)校認(rèn)同強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程管理的觀點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)教師從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)開始，指導(dǎo)學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)、關(guān)注學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，加重這部分考核的權(quán)重。然后老師要對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的點(diǎn)評，讓學(xué)生參與對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。降低實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末筆試在考核中所占的權(quán)重，從而使實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。這種實(shí)驗(yàn)考核方式的改進(jìn)，改變了部分學(xué)生僅想照方抓藥的惰性實(shí)驗(yàn)操作思想，提高了學(xué)生的主觀能動性和認(rèn)真思考的學(xué)風(fēng)。朱平平等［38］還詳細(xì)介紹了高分子物理實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)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(rèn)真思考和鉆研，在實(shí)際的教學(xué)運(yùn)用當(dāng)中，還要結(jié)合各自學(xué)校的實(shí)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(jìn)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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