微型高分子化學實驗與思維創新教育

李青山 徐明雙

(燕山大學材料科學與工程學院高分子材料科學與工程系,亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 河北秦皇島 066004)

微型高分子化學實驗與思維創新教育

李青山 徐明雙

(燕山大學材料科學與工程學院高分子材料科學與工程系,亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 河北秦皇島 066004)

通過微型高分子化學實驗,實現本科生人手一套實驗裝置,獨立進行高分子材料的設計合成及改性。在此基礎上,組建思維創新實驗室,以發明創造成果、創業計劃、專利樣板等為教材,進行思維創新訓練。學生自主提出實驗設想,把微型實驗與思維創新教育結合起來,探索一條有效培養大學生創新精神和實踐能力的教學方法途徑。

1 微型化學實驗教學

微型化學實驗是近 20年來興起的一種新的實驗方法,即用最小的量、最小的裝置,獲得比較明顯、清晰的反應結果和化學信息,以驗證化學反應原理[1]。1982年,美國W.Mayo博士在有機化學實驗中應用微型化學實驗取得成功,繼而開發出微型無機化學實驗和中學化學實驗[2]。從 1984年開始,我們首先將微型實驗應用到高分子化學實驗教學中,并逐步創立具有特色的大學本科學生常規基礎實驗,開發了一系列微型高分子化學實驗裝置,出版了相應的教材,并獲得若干教學研究成果[3-6]。

高分子化學實驗是高分子材料與工程專業的一門專業基礎理論實踐課,也是應用化學、高分子材料等專業的必修課。學生在學習無機化學、有機化學、分析化學和物理化學課程的基礎上,學習和掌握高分子化學的理論與實踐,可為學好高分子專業的后續課打下堅實基礎。同時,可進一步培養學生分析問題、研究問題和解決問題的能力,培養學生的創新精神和自學能力。由于高分子化學課程的重要性,國內各學校對此課程都很重視。中華人民共和國教育部高分子專業教學指導委員會就課程的建設單獨立項開展研究,我們作為委員單位參加了部分工作,主要負責微型高分子化學實驗和高分子化學演習的部分工作。國外也很重視高分子化學的實驗教學,美國與西歐各國都有專門的高分子專業實驗教材,日本高分子學會還專門為大學生編寫了《高分子演習》,我們翻譯了這本書,并準備交出版社出版。2006年,我校的高分子化學課程在學校立項,并被評為河北省精品課。高分子化學、微型實驗、功能高分子材料學課件已經制作出版,并與東華大學、四川大學、華南理工大學等多所院校交流,其中已經在網上交流的微型高分子化學實驗內容得到的反響最大。

在多年教學實踐的基礎上,我們編寫了《微型高分子化學實驗》一書[7]。為繼續推廣和促進微型實驗的發展,我們選取《微型高分子化學實驗》中的部分內容,結合燕山大學的實際情況與國內外先進的實驗及研究進展,編寫了《高分子材料工程實驗教程》[8]。《微型高分子化學實驗》(第 2版)[9]作為燕山大學的特色教材,已于 2009年 7月出版。該書首先介紹了 20年來微型化學實驗的研究情況,然后按高分子化學的理論體系給出了連鎖聚合、逐步聚合、高分子反應的微型化學實驗方法,包括單體、原料的微型化學制備與精制,聚合物的微型化學純化方法。該書特點是圖文并茂,實驗理論與儀器設備相結合,目的是培養學生的創新思維,倡導和樹立綠色環保理念。為了配合雙語教學,將主要實驗譯成英文附于文后。

我們還建設了高分子化學實驗室,并創立了一系列微型高分子化學實驗,開發了一系列微型高分子化學實驗裝置,于 2001年獲得國家教學成果二等獎。2006年,我們在中國微型化學實驗研究中心、教育部高分子教學指導委員會召開的全國微型高分子化學實驗教學研討會之后,建立了中國微型高分子化學實驗中心,推廣國家級教學成果。現已實現本科生人手一套微型實驗裝置,學生可以獨立進行高分子材料的設計合成及改性實驗。現在國內已有多所院校及研究所應用這些裝置開展實驗教學和研究工作。

2001年,日本金子秀夫提出了創造熱力學的概念,我們應用創造熱力學觀點與方法,首先將創造思維過程用數學模型建立起來,2002年 8月參加了上海國際創造學學術研討會,首先提出思維創新的熱力學、動力學、心理學、生理學、方法學、工程學、成功學等 7個理論模型,并圍繞思維創新構建了一個系統工程,創建了思維創新實驗室,把微型高分子化學實驗作為驗證與制備實驗的物質手段,把功能高分子材料、智能材料的設計與思維創新系統工程相聯系,把思維、思考的物質性與創新、創業教育相聯系[10-11]。

2 組建微型高分子化學實驗室和思維創新實驗室

創建思維創新實驗室的目的是通過微型高分子化學實驗,為高分子材料與工程、化學、材料學等專業學生提供化學實驗手段;從熱力學、動力學、心理學、生理學、方法學、工程學、成功學等 7個方面建立思維創新的理論框架;用數理方程表征思維的物質過程,用思維創新實驗室和現代儀器分析來證明思維的物質過程,從而獲得理論知識與實踐結合的教學條件。

國內的大學生經過了多年的應試教育,比較缺乏善于質疑的態度,創新能力也在一定程度上受到限制。為了培養學生的創新能力,我們進行了以下嘗試:首先,在課堂教育中始終貫穿創新教育,在教學中留給學生足夠的思考余地,鼓勵學生主動參與、大膽提問,激發學生的求知欲及發散思維,以培養學生的創新能力;其次,積極開展多層次的科技創新活動,鼓勵學生建立富有活力的科技團隊,團隊間以科學的專業課程體系為保障,通過交流與合作,培育和營造良好的科技創新氛圍,鼓勵學生參加各種創新競賽;最后,在現有條件的基礎上,通過簡單的教學實例,激發學生的創造力,鼓勵學生設計實驗并實踐其創新結果。

我們設計的微型高分子化學實驗,通常都對同一實驗項目設計不同的合成路線,使用不同的原料或幾個不同的用量,并在相似或是同類物質基礎上探索新的實驗,從而克服了傳統的實驗內容和實驗要求單一的缺點。

我們以微型高分子化學實驗中心為基礎,經多年探索,創建了思維創新實驗室,其主要工作是以發明創造成果、創業計劃、專利樣板等為教材,開展頭腦運動會,組織學術交流,科學與實驗討論;學生可以自由提出實驗研究設想,通過審批、立項、實驗,學術交流及分析總結等環節,把課內外知識有機結合起來,把微型高分子化學實驗與思維創新教育結合起來。借此探索一條培養大學生創新精神和實踐能力的教學方法與途徑,以解決理論與實踐脫節,課內課外脫節,學校與社會脫節等問題。

為了驗證思維創新理論與過程機理,我們還建立了思維創新與發明創造實踐基地。包括:文獻資料、示范樣本、專利代理、測試儀器、評價系統等,我們總結開發的應用大學本科生創造力開發三階段三層次模式,獲得 2003年度黑龍江省優秀教學成果一等獎。思維創新教育的 3種方式是:①開設思維創新學課程(如創造與開發、思維創新心理學等),進行高層次的思維創新學專業培訓;②在其他文化課、基礎課、專業課的教學中,滲透創新性人格,創造性思維、思維創新技法的培訓內容;③開展社會調查、科技競賽、科技成果展覽等活動,擴大思維創新成果。我們的思維創新教育是一個新的教學模式,正在不斷地實踐探索中,我們將不斷分析總結、改進完善,使其進一步健康發展。

3 微型高分子化學實驗的發展前景

高分子微型實驗裝置是我們自己的專利技術,可長時間大轉矩運轉,適合有機高分子高黏性、長時間反應,可以應用于很多高分子化學實驗中;用機械鎖定機構,可方便地拆卸、裝配;有專門的玻璃儀器裝置,以保證快速、準確和實驗安全。

現在我國每年有 150余所院校招收高分子材料專業 8000多名學生。微型高分子化學實驗裝置的開發,有助于推動各高校特別是師范院校及地方院校的實驗教學改革,同時也可由畢業生帶到社會,形成每人一套的“流動實驗室”。

[1] 周寧懷.微型化學實驗.杭州:浙江科學技術出版社,1992

[2] 錢貴晴.化學通報,1999(5):2

[3] 李青山,李蔭常,葉大鏗.高分子材料科學與工程,1990,6(5):83

[4] 李青山.1999全國高分子學術年會預印集.上海:上海交通大學,1999,17～20

[5] 馬立群,張曉輝,王雅珍.微型高分子化學實驗技術.北京:中國紡織出版社,1999

[6] 李青山,富彥珍,聞全意.微型高分子化學實驗裝置.ZL 00266050.4,2002.8.14

[7] 李青山,王雅珍,周寧懷.微型高分子化學實驗.北京:化學工業出版社,2009

[8] 沈新元,李青山.高分子材料工程實驗教程.北京:中國紡織出版社,2010

[9] 李青山.微型高分子化學實驗.第 2版.北京:化學工業出版社,2009

[10] 楊德治,常成,李青山,等.廣西師范大學學報,2002,1(5):14

[11] Jin J X F.J of Scorety of Non-Traditional Technology,2001,15(2):1