食品包裝工程專業《高分子化學與物理》課程教學初探

杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農學院 食品科學與工程學院，北京 102206）

食品包裝工程專業《高分子化學與物理》課程教學初探

杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農學院 食品科學與工程學院，北京 102206）

高分子科學已滲透于各個領域與學科，形成了一個無法替代的交叉學科，因此，除化學或材料專業外，相關專業紛紛開設高分子相關課程。高分子化學與物理作為北京農學院食品包裝專業的專業主干課之一，向學生講解高分子化學和高分子物理，其中高分子化學部分側重高分子化學的基本理論知識，高分子物理部分則側重于高分子的結構與性能的關系。本文基于食品包裝工程專業的需求，分析了高分子化學與物理的課程授課特點，總結了在有限學時的情況下課堂教學中如何采取的行之有效的措施和教學嘗試來提高學生的學習興趣，加強教學效果。

CAI教學；高分子化學與物理；實例教學；教學改革

隨著高分子科學與技術的不斷發展，高分子科學已滲透于各個領域與學科，形成了一個無法替代的交叉學科[1]。對于與高分子相關的專業，專業課程一般設置高分子化學與高分子物理兩門課，其中高分子化學側重聚合反應機理的學習，高分子物理從分子運動的觀點出發重點介紹高聚物的結構與性能間的關系。對于食品科學與工程學院的包裝工程專業的學生一般將這兩門課揉合在一起，開設高分子化學與物理，課程48～72學時之間，要求掌握有關高分子的基本理論知識和應用技能。

對于在食品學院中的包裝工程專業，結合北京農學院的辦學定位和服務對象，學校專業定位在食品包裝技術以及與包裝相關的食品質量安全與控制[2]。要培養學生這兩個方面的能力，學生的學習內容必須涵蓋包裝中食品接觸材料生產、監管、檢測和風險評估等與衛生安全質量相關的各個方面。而講述這些內容的前提是掌握高分子化學與物理以及包裝材料學中關于食品接觸材料的各種知識點。我們只有在介紹高分子食品接觸材料的特性、用途、生產工藝的基礎上，才能讓學生懂得食品接觸材料安全衛生相關的質量控制和管理要素，培養學生對食品接觸材料安全衛生相關的質量控制能力，以及準確合理地選擇包裝材料進行食品產品包裝設計的能力。所以，高分子化學與物理是我們食品包裝專業非常重要的專業基礎課。

在學校“3+1”的教學模式[3]影響下，高分子化學與物理課程的學時數壓縮為56學時。在這樣少的學時條件下，要使那些對于高分子完全陌生的學生理解并掌握高分子的基本概念與原理，授課內容的選擇及講授方式是非常重要的。通過幾年不斷地嘗試和教學實踐，作者結合非高分子專業學生的特點，積極進行教學改革探索，積累了一定的教學經驗，取得了比較滿意的教學效果。本文結合我校高分子化學與高分子物理課程教學改革與探索的實際，就教學內容的選擇、完善以及教學方式與多媒體課件的研制方面提出一些自己的見解。

一、理論聯系實際，調整教學內容，加強實例教學

在傳統高分子專業的高分子化學課程中，高分子化學涉及的概念公式繁多，而且復雜難懂，要想完全靠死記硬背記住這些公式是比較困難的，而將這些公式熟練應用則更加困難[4，5]。對于食品包裝工程系的學生學習高分子化學對聚合物的化學反應部分應當有目的地選擇高分子包裝材料所涉及的化學反應進行講授，對于復雜的聚合反應速率方程的推導可以不學。可重點學習各種包裝材料如：聚乙烯，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚乙烯醇，聚對二苯甲酸乙二醇酯等現實經濟生活中常用高分子材料的合成方法，重點講述他們的化學合成方法，催化，以及包裝材料中單體與催化劑的殘留造成的健康風險。在充分體現學科特點的前提下，適當削減了與專業關系不大的聚合反應機理部分的內容，如配位聚合反應的機理。在“聚合物的化學反應”章節中，增添了與專業相關的化學反應。

比如講述聚苯乙烯（PS）合成時，應當結合包裝專業特點來舉例聚苯乙烯合成過程對其在包裝工業上的應用具有深刻的影響，如聚苯乙烯發泡餐盒白色污染的風波[6]。向學生解釋為何2013年2月，國家發改委“21號令”，將被稱做白色污染且長久被認為有毒的一次性聚苯乙烯發泡餐具解禁。解禁依據是什么？通過聯系實際，同學們都急切想從專業角度得到解答。10年前國家禁止聚乙烯發泡餐盒的應用是基于以下考慮。

1.PS泡沫塑料餐具帶來白色污染的問題。

2.PS泡沫塑料餐具受熱65℃時或燃燒時會產生“二噁英”強致癌物的問題。

3.PS泡沫塑料餐具中含有殘存單體苯乙烯或在65℃以上使用會釋放出單體致毒的問題。

4.PS泡沫塑料餐具遇熱會釋放出二聚體、三聚體等危害人體物質的問題。

5.PS泡沫塑料餐具含雙酚類，導致生殖機能失常的問題。

6.PS泡沫塑料餐具難以回收利用。

7.PS泡沫塑料餐具不能耐高溫，高溫變形，不能在微波爐里使用。

從向學生介紹高分子化學中聚苯乙烯的分子構造，聚合機理，聚合方法以及化學反應后處理，我們就能解釋第2、3、4、5問題。從高分子化學專業的角度向學生講述“白色污染”的成因是管理不善及隨意丟棄垃圾的人，而不屬聚苯乙烯材料本身，PS泡沫塑料餐具≠“白色污染”，更不是造成“白色污染”的元兇。PS的生產過程是苯乙烯單體在高溫高壓和催化劑作用下，在密封的反應釡內，無氯條件下進行聚合反應，從而無產生二噁英的條件。PS泡沫塑料飯盒是直接采用食品級的PS材料，加入滑石粉、硬脂肪酸鈣、丁烷等，通過擠出、發泡制得，生產過程全部為物理混合過程，無化學反應，不具備產生二噁英的條件。如果我們工業界使用符合國家標準的食品級聚苯乙烯原料來制造一次性泡沫發泡飯盒，最終產品很難在單體殘留量上超標。而且，國外公布相關報告研究結果，明確澄清有關二聚體、三聚體環境荷爾蒙的問題，它們不屬所謂攏亂內分泌的化學物質。食品級PS材料中并沒有雙酚A，在加工過程中也不可能產生雙酚A副產物等。以上解釋都需要我們高分子化學的知識，通過理論聯系實際，我們能讓學生們對學習高分子化學對包裝材料的認識加深印象。

再如，講解聚碳酸酯（PC）[7]的逐步縮聚合成過程中，為了加深學生的理解，引入聚碳酸酯“雙酚A風波”。生產聚碳酸酯用到雙酚A，在材料與食品相接觸后，殘留雙酚A單體遷移進食品，造成一定的健康風險。從高分子化學角度，向學生解析為何2011年在歐盟和加拿大，雙酚A被列為有毒物質，被禁止用于生產嬰兒奶瓶。在PC實例中，通過聚合機理，單體結構，聚合單體殘留等高分子化學方面的知識向學生們展示PC食品接觸材料的優缺點。

同理，我們在講解聚氯乙烯（PVC）時[8]，從分子結構的特點引入“塑化劑風波”，講述聚氯乙烯由于分子的剛性需要塑化劑才能加工成型，這與食品相接觸后必然造成有毒塑化劑的遷移。我們在講解各種包裝材料的高分子合成化學時，就應該通過現實生活的同學們已經有所耳聞、鮮活的例子來幫助學生對知識點的理解與記憶，提升他們對專業的學習興趣。

二、加強《高分子化學及物理》與《包裝材料學》的有機聯系

高分子物理部分以分子運動的觀點來聚合物的轉變與松弛，聚合物的粘彈性，聚合物的力學性能等內容。因為《高分子化學及物理》是為《包裝材料學》服務的，應讓學生重點掌握高分子結構與性能之間的關系。高分子物理部分是教學重點，在講解基本概念時，同時注意結合《包裝材料學》所涉及的結構與性能之間的關系，使《包裝材料學》與《高分子化學及物理》真正有機地融合起來。比如，在講解聚苯乙烯發泡餐盒的時候，我們還是可以通過餐盒禁止與解禁來講解其分子的構效關系與應用。以前禁用一次性聚苯乙烯泡沫飯盒，存在很多知識的誤區，比如對毒性的誤解與使用方法的不當。當加熱至聚苯乙烯的玻璃化轉變溫度（80～90℃）以上，PS轉變為高彈態，且保持這種狀態在較寬的范圍內，PS開始熱變形，熔融溫度為240℃，PS在高真空和330～380℃下劇烈降解。由于其分子結構的特性，一次性聚苯乙烯飯盒不能在70度以上或微波爐的情況下使用，這和聚丙烯餐盒使用是有很大差異的。由于知識普及不到位，許多人把一次性聚苯乙烯泡沫飯盒在高溫下加熱，在微波爐使用，造成飯盒溶化變形，并伴有刺激性氣味。如果我們知道使用說明，一次性聚苯乙烯餐盒在一定條件下使用是無毒，綠色，安全且價廉，比如，在外就餐，我們可以用價廉的一次性聚乙烯發泡餐盒打包你的冷卻后的剩飯剩菜而無需采用價格昂貴的替代產品。我們在講解聚苯乙烯高分子分子運動時，就應該把分子運動的特點引導到聚苯乙烯作為現實包裝材料由于分子運動的特點所帶來的優缺點。同理，我們講解聚氯乙烯分子[8]時，就需要結合高分子物理中分子運動的特點來講解的塑化劑溶出。講解聚乙烯醇（PVA）時，就應該把高聚物的結晶與分子之間的氫鍵作用引入到結晶與分子材料透氣透氧之間的關系上。

三、改進了教學手段，有效利用多媒體資源和化學作圖軟件，運用多種方法加深學生的理解

高分子化學與物理的基本概念繁多，有些概念很容易混淆，還有些概念很抽象，難于理解。針對抽象的概念，我們可以有效利用多媒體資源和化學作圖軟件，使基本概念的理解變得容易，大大增強了記憶的效果，避免了死記硬背。比如，高分子應力松弛與蠕變講述。對于蠕變，只是通過經典的教科書上的舉例，“如在懸掛的軟質PVC絲下面勾住一段一定質量的砝碼，軟絲會慢慢伸長，撤銷砝碼后，軟絲會慢慢地回縮”這種書本講解，筆者覺得不足以讓學生加深印象。而是應該通過形象的多媒體實驗演示或現實實驗來講解。由于實驗課時有限，筆者在課前對實驗進行錄像，然后在課堂上進行視頻演示，能很好地幫助學生理解。利用實驗能讓學生充分理解高分子聚合物的結構與性能之間的關系。

例如，結晶概念的詮釋，是比較難比喻生動而且易懂的。高聚物結晶分子的排列在書中被用很小的部分來講述，但是高分子結晶對高分子薄膜材料物理性質影響顯著，對于食品包裝的學生，急切需要知道結晶度與透氣性的構效關系，但是如此小的篇幅根本不能讓學生掌握高分子結晶的知識點。書本上的高分子晶體圖學生很難理解，這就需要我們教師去尋找更好的化學物質單晶圖，我們可以找剛性的芳香有機物的單晶圖來闡述分子間的各種力造成的分子有序堆積。通過這種舉例，可以讓學生更好的理解高分子鏈之間相互作用力造成的部分鏈段的有序堆積。可見，生動的舉例對于抽象概念的理解是有很大幫助的。

使用多媒體可以將枯燥乏味的理論知識直觀和形象化，可以將教學過程生動地展示給學生，使學生更容易理解所學內容。對于高分子化學與物理中一些概念的講述，我們需要CAI教學[9]，多利用化學分子結構軟件制作課件。通過化學軟件制作三維空間構型，再結合三維動畫，動態演示分子骨架旋轉，能輕松地帶學生進入微觀的分子世界，讓抽象的分子結構與概念形象化，有利我們教學。比如高分子鏈的柔性是由于分子內各個化學鍵和原子在不停地轉動或振動，高分子鏈的形狀時刻在變化著而造成的。如果我們制作動態三維的大分子的內旋轉圖，讓學生親眼目睹這個“動”，才能更好促進學生對分子動態旋轉以及高分子柔性的理解。

四、創設開放性的交流空間，鼓勵學生主動參與教學活動

在課程教學過程中，除老師引入實例教學、有效利用多媒體資源等教學措施以外，有時引申話題，創設開放性的交流空間，鼓勵學生主動參與教學活動也是非常重要的[10]。采取讓學生分組討論，查找文獻，撰寫小報告的形式拓展學生的知識面，培養學生自主學習的能力。如，高分子聚合的教學中，結合聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等分子的結構特點說明其應用的基礎上，提出問題：“為什么限制聚氯乙烯在食品包裝保鮮膜上的應用？”“為什么限制聚碳酸酯在嬰兒奶瓶上的應用？”“為何聚苯乙烯餐盒只能在70度以下使用？”以及“為何聚乙烯醇容易結晶以及吸水，這些性質會給作為包裝材料的它帶來哪些優缺點？”然后學生分組從聚合物分子結構、柔韌性等角度討論，積極參與到教學活動中。每一個問題都與高分子的基礎知識息息相關，都是從一些實際現象引出問題，再通過理論分析加以解釋、歸納；這樣不僅可以引起學生興趣，重要的是可以加深學生對基本理論知識的理解和掌握，達到事半功倍的效果。

五、結語

高分子化學與物理是一門理論性強、概念抽象難懂且較難掌握的課程，作為包裝工程專業，特別是偏重食品包裝技術的學生的重要專業基礎課，學生需要在有限的學時里掌握高分子的基本概念和理論，教師則需要不斷地探索教學方法，采用多種手段提高教學的交互性和生動性，以調動學生學習的主動性和積極性，才能取得令人滿意的教學效果。

[1]吳其曄，馮鶯.高分子材料概論[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]商貴芹，陳少鴻，劉君峰.食品接觸材料質量控制和檢驗監管實用指南[M].化學工業出版社，2013.

[3]李堯，余五新，左治江.應用型高校“3+1”人才培養模式的實踐探索[J].教育與職業，2010，（26）：24.

[4]潘祖仁.高分子化學[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]何曼君，張紅東，陳維孝等.高分子物理[M].上海：復旦大學出版社，2007.

[6]http：//news.xinhuanet.com/fortune/2013-03/24/c_115137969. htm.

[7]Cao，X.-L.；Corriveau，J.；Popovic，S.J.Agric.Food Chem. 2009，57，1307.

[8]http：//info.china.alibaba.com/detail/1116419090.html.

[9]夏云波.淺談多媒體課件在物理教學中的使用[J].物理通報，2005，（9）：47.

[10]支俊格，鄭傳明.高分子化學與物理課程體系協同式教學初探[J].科技創新導報，2010，（28）：155.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0268-03

杜斌（1980-），男，浙江衢州人，就職于北京農學院，博士，中級二級，主要從事《高分子化學及物理》、《包裝材料學》等課程的教學工作，研究方向為功能性包裝材料以及果蔬保鮮。