大型測試儀器在高分子本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用初探

范萍

摘要：目前，高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)課普遍存在各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對獨(dú)立、內(nèi)在聯(lián)系相對較弱的局限，不利于學(xué)生對材料研究內(nèi)容與方法的整體認(rèn)識與把握。我們在原有高分子實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，引入大型儀器設(shè)備對實(shí)踐教學(xué)課程進(jìn)行了內(nèi)容優(yōu)化和研究性拓展。通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，不僅提高了大型儀器設(shè)備的利用率，也強(qiáng)化了本科生在儀器操作及儀器應(yīng)用方面的能力，同時(shí)加深了學(xué)生對高分子測試技術(shù)及高分子基本理論的理解與掌握。

關(guān)鍵詞：大型儀器;高分子材料專業(yè);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0279-02

一、前言

高分子材料科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高分子材料專業(yè)中起著重要的作用。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)的理論知識與科研實(shí)踐聯(lián)系起來，加深學(xué)生對理論知識的理解[1，2]。其中，儀器設(shè)備在教學(xué)工作中起著技術(shù)支撐的作用，而大型儀器設(shè)備更是儀器設(shè)備的重要組成部分[3]。近年來，高校大型儀器設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量都有了極大提高，根據(jù)《高等學(xué)校儀器設(shè)備管理辦法》（教育部教高[2000]9號），大型儀器設(shè)備指的是單價(jià)在人民幣10萬元（含）以上的儀器設(shè)備。近年來，在浙江省“重中之重”學(xué)科建設(shè)的支持下，我校材料學(xué)院測試中心購買了諸如“原子力顯微鏡”、“綜合熱分析儀”、“動態(tài)光散射儀”等大型儀器。這些大型儀器設(shè)備的購入有力地改善了辦學(xué)條件[4，5]。然而這些大型儀器用于教學(xué)工作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于科研，在大型儀器設(shè)備的使用上普遍存在重科研、輕教學(xué)的問題。如何充分發(fā)揮大型儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中尤其是本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中的作用是一項(xiàng)重要的研究課題。

二、大型儀器在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀

目前，我校高分子材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程由“高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程和“高分子專業(yè)大實(shí)驗(yàn)”課程構(gòu)成。“高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程設(shè)置在大學(xué)三年級上期，是一門高分子材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生在修習(xí)“高分子物理”、“高分子化學(xué)”專業(yè)課的基礎(chǔ)上開設(shè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課。主要是為了加深學(xué)生對“高分子化學(xué)”及“高分子物理”課程理論的理解，并為后續(xù)“高分子材料”、“高分子合成工藝學(xué)”以及“高分子材料成型工藝學(xué)”課程的順利進(jìn)行奠定良好的基礎(chǔ)。“高分子專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程設(shè)置在大學(xué)四年級上期，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識分析解決工程問題的能力，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的理解。目前，無論是高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)還是高分子專業(yè)實(shí)驗(yàn)，本科生自主學(xué)習(xí)的大型儀器試驗(yàn)項(xiàng)目都較少。多以老師演示、學(xué)生觀察為主，實(shí)驗(yàn)操作多數(shù)按部就班，不能很好輔助“高分子測試技術(shù)”課程的測試原理的理解。除此之外，學(xué)生數(shù)量與大型儀器設(shè)備數(shù)量不匹配，也導(dǎo)致大型儀器設(shè)備對學(xué)生實(shí)踐能力的提升起不到應(yīng)有的作用。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

1.教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)。目前，“高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程總計(jì)開設(shè)11個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括懸浮聚合、乳液聚合、配位聚合、陰離子聚合等經(jīng)典的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)及偏光顯微鏡觀察聚合物球晶、粘度法測定聚合物分子量等經(jīng)典的高分子物理實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系較弱，不利于學(xué)生對材料的研究內(nèi)容與方法的整體認(rèn)識與把握。而利用大型儀器設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化的測試，可對原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究性拓展。在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)內(nèi)，打破課程的界線，實(shí)現(xiàn)各課程實(shí)驗(yàn)間的有機(jī)地結(jié)合及教學(xué)的有效的銜接。以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“乳液聚合”和“懸浮聚合”為例，原有的教學(xué)過程主要是對相應(yīng)理論課程中的基本原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)的目的、原理、步驟、結(jié)果都很明確，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)講義的步驟去做，就可以重復(fù)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。引入大型儀器對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究性拓展后，學(xué)生首先通過“乳液聚合”和“懸浮聚合”兩種不同的聚合方法制備聚合物乳液和聚合物微球。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考：調(diào)整聚合過程中的攪拌速度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？讓學(xué)生按不同的攪拌速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后，引入大型儀器測試技術(shù)：動態(tài)光散射粒度儀對獲得的樣品進(jìn)行粒度分析，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上驗(yàn)證粒徑大小與攪拌速度之間的關(guān)系是否與理論分析一致。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考并作為文獻(xiàn)查閱思考題：是否可以通過改變配方影響聚合物粒徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再次，引入大型儀器測試技術(shù)：熱分析儀對產(chǎn)物進(jìn)行熱失重分析，測定聚合物分解溫度。在這一過程中，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，熱重樣品粒徑大小對熱重測試譜圖有何影響，并通過熱重分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后，引入大型儀器測試技術(shù)：凝膠滲透色譜儀對獲得的樣品進(jìn)行分子量的測定。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用高分子化學(xué)所學(xué)聚合機(jī)理知識分析乳液聚合所得樣品分子量較高的原因。由此，完成大型儀器測試技術(shù)與經(jīng)典高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)合及相互輔證，進(jìn)一步加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理以及聚合物結(jié)構(gòu)調(diào)控的理解，取得更好的教學(xué)效果。

2.教學(xué)模式的改進(jìn)——“高分子材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的信息化教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站提供“高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目教案、典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示、教學(xué)視頻等，學(xué)生可通過訪問實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)頁了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)要求，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。這為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了便利條件，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以取得更好的教學(xué)效果。

采用小組化方式教學(xué)。由于大型儀器設(shè)備臺套數(shù)較少，為使每個(gè)學(xué)生都能上機(jī)操作，我們對大型儀器實(shí)驗(yàn)實(shí)施小批量、小組化方式教學(xué)。以“傅里葉紅外光譜測定聚合物結(jié)構(gòu)”為例，專業(yè)班級學(xué)生約23名，將其分成8個(gè)小組，每組2—3人，每次實(shí)驗(yàn)課由4組學(xué)生進(jìn)行，其他組學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)，第二次輪換。進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)即可完成本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)中，4組學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同又各有分工，比如：一組學(xué)生采用KBr壓片的方式進(jìn)行聚合物粉末樣品的紅外光譜測試;另一組學(xué)生則采用衰減全紅外的方式進(jìn)行聚合物薄膜樣品的紅外光譜測定。每組學(xué)生都有上機(jī)機(jī)會，同時(shí)還學(xué)習(xí)了不同紅外樣品的不同測試方式，加深了對高分子測試技術(shù)及高分子結(jié)構(gòu)基本理論的理解與掌握，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.成績評定方式的改進(jìn)。建立和完善科學(xué)的、多層次的考核方式，加大平時(shí)成績占考核總成績的比重，采用綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)表現(xiàn)并重的方式，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)操作、對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與思考、實(shí)驗(yàn)報(bào)告中所表現(xiàn)出來的綜合能力等。新的考核方式可以更加客觀地檢查學(xué)生的知識和能力水平，以及教師的教學(xué)效果，以便學(xué)生與教師分別改進(jìn)自己的學(xué)習(xí)與教學(xué)。

四、大型儀器設(shè)備應(yīng)用于本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的積極作用

從現(xiàn)有結(jié)果看，大型儀器設(shè)備應(yīng)用于本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程起到了一定的積極作用，主要為：（1）提高了大型儀器設(shè)備的利用率。避免設(shè)備出現(xiàn)閑置而浪費(fèi)資源的情況，同時(shí)學(xué)生可以充分地進(jìn)行實(shí)際操作，了解其工作原理、操作步驟和注意事項(xiàng)后，在后續(xù)的本科生涯中，可以獨(dú)立利用大型儀器進(jìn)行大學(xué)生科研項(xiàng)目實(shí)踐，不僅有利于提高大型儀器設(shè)備的利用率，還使學(xué)生對于高分子測試技術(shù)有了更深刻的認(rèn)識，也為以后從事科研工作和生產(chǎn)實(shí)踐打下牢固而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（2）促進(jìn)了科研反哺教學(xué)，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新。大型儀器設(shè)備應(yīng)用于本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，還可增加教師對這些先進(jìn)儀器設(shè)備的利用與掌握。教師也可以將自身的研究和大型儀器設(shè)備的功能聯(lián)系起來，不斷衍生出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成以教學(xué)助力科研、科研反哺教學(xué)的良性循環(huán)，從而發(fā)揮教師自身研究領(lǐng)域的優(yōu)勢，將學(xué)科前沿涉及的多項(xiàng)先進(jìn)、熱門的實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平更上新臺階。

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Exploration of Large Instrument Application in Polymer Experimental Teaching for Undergraduate

FAN Ping

（College of Materials Science and Engineering，Zhejiang University of Technology，

Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

Abstract：At present，in polymer experiment course，each experiment item normally are relative independence and their relationships are usually very.This which is unfavorable for students to understand polymer research methods comprehensive.On the basis of the original polymer experiment course，we optimize the content of the practical teaching course.Through using large instrument and equipment，some experiment items are link effectively.This reformation not only improves the utilization of large instruments，but also strengthens the ability of undergraduates in instrument operation and instrument application.Furthermore，it also deepens the students understanding and mastery of polymer testing technology and basic theory of polymers.

Key words：large instruments;polymer material;experimental teaching reform