長治學(xué)院高分子化學(xué)實驗教學(xué)改革初探*

王佳佳

(長治學(xué)院化學(xué)系，山西 長治 046011)

《高分子化學(xué)》是研究聚合物的合成原理及其化學(xué)反應(yīng)的一門學(xué)科，而《高分子化學(xué)實驗》則根據(jù)聚合物的應(yīng)用性能要求，通過不同反應(yīng)類型和聚合反應(yīng)的實施方法，加深學(xué)生對《高分子化學(xué)》理論知識的理解，是我校化學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)實驗課程之一。經(jīng)過多年的教學(xué)總結(jié)，我校化學(xué)系《高分子化學(xué)實驗》課程存在不足，主要表現(xiàn)在：一是傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ绞窍韧ㄟ^教師講解實驗的原理及內(nèi)容，學(xué)生再按照實驗步驟開展，學(xué)生在實驗進(jìn)行的過程中并沒有過多的創(chuàng)新和思考；二是傳統(tǒng)實驗忽略了對學(xué)生綠色化學(xué)理念的滲透，導(dǎo)致部分學(xué)生在實驗過程中無意識地污染環(huán)境；三是部分實驗操作簡單、反應(yīng)時間過長，導(dǎo)致學(xué)生對整個實驗過程沒有興趣；四是高分子化學(xué)實驗多使用 JJ-2增力電動攪拌器和電熱恒溫水浴鍋等裝置完成，裝置分散，體積大，不易在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，會直接產(chǎn)生大量有毒有害氣體并產(chǎn)生廢液、廢渣等，這對師生的身體毒害和環(huán)境的污染都很嚴(yán)重。因此，我校《高分子化學(xué)實驗》課程需要發(fā)生全面的改革，包括課程內(nèi)容設(shè)計、實驗方法設(shè)計及綠色化理念的滲透等方面的改革。

1 課程內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)我校教學(xué)大綱要求，《高分子化學(xué)實驗》作為《高分子化學(xué)》理論課程的實踐操作環(huán)節(jié)[1]，要求學(xué)生在掌握高分子化學(xué)基本原理的前提下，根據(jù)聚合物的應(yīng)用性能要求，可以正確選擇單體、聚合及其實施方法，并設(shè)計實驗方案，通過不同的實驗，使學(xué)生掌握一定的實驗技能。

在高聚物的研究中，相對分子質(zhì)量是一個不可缺少的重要數(shù)據(jù)，它不僅反應(yīng)了高聚物分子的大小，并且直接關(guān)系到高聚物的物理性能[2]，測定高聚物相對分子質(zhì)量的方法有很多，可通過不同的方法測得數(shù)均分子量、重均分子量、Z均分子量、粘均分子量。設(shè)計粘度法測定水溶性高聚物的相對分子質(zhì)量這一實驗，可以讓學(xué)生掌握Ubbelohde粘度計測定高聚物稀溶液粘度的方法，從而測定水溶性高聚物的相對分子質(zhì)量。

甲基丙烯酸甲酯的本體聚合和丙烯酰胺水溶液聚合均為自由基聚合反應(yīng)[3]，這兩個實驗讓學(xué)生熟悉自由基聚合機理的同時，也加深了對本體聚合和溶液聚合兩種聚合方法的比較和理解。

聚乙烯醇縮甲醛的制備是典型的高分子鏈上基團(tuán)參與的化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生了解在高分子鏈上有合適的反應(yīng)性基團(tuán)時，均可按有機小分子反應(yīng)歷程進(jìn)行高分子化學(xué)反應(yīng)[4]，這一實驗不僅加深了學(xué)生對于高分子化學(xué)反應(yīng)的理解，并為通過高分子鏈上功能基團(tuán)的轉(zhuǎn)化對高分子化合物進(jìn)行改性奠定了實踐基礎(chǔ)。

2 實驗方法設(shè)計

針對我校高分子化學(xué)實驗課程目前出現(xiàn)的一系列問題，需要從實驗方法的設(shè)計上進(jìn)行有針對性的改革。

2.1 創(chuàng)新性教學(xué)

傳統(tǒng)的實驗課教學(xué)往往是先由教師講解實驗原理及內(nèi)容，再由學(xué)生按照實驗教材的步驟進(jìn)行開展，導(dǎo)致學(xué)生在整個實驗過程中不加思考，甚至實驗結(jié)束后并沒有加深對理論知識的理解，反而失去了實驗課程開設(shè)的意義，這就有必要對實驗課程進(jìn)行創(chuàng)新性改革，通過一些創(chuàng)新點的加入來加深學(xué)生對實驗課程的興趣，從而加深對該實驗的理解，最終達(dá)到理論指導(dǎo)實踐，實踐檢驗理論的目的。

例如，甲基丙烯酸甲酯的本體聚合，該實驗俗稱有機玻璃的制備。課前，告知學(xué)生準(zhǔn)備一些自己喜歡的花瓣、樹葉、姓名貼等裝飾品，可以通過本次實驗來制作出自己喜歡的小物件，從而調(diào)動學(xué)生對該實驗的期待；課上，充分列舉生活中用到的有機玻璃材料，再由學(xué)生自己動手將裝飾物放入不同的模具，做出自己喜歡的飾品，得到的飾品外形似“琥珀”，甚得同學(xué)們的喜愛；課后，分組討論總結(jié)實驗成功的關(guān)鍵及失敗的原因。這樣，既充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)探究的興趣，也加深了學(xué)生對甲基丙烯酸甲酯用途及制備方法的理解，有利于綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2.2 “合-分”結(jié)合實踐

《高分子化學(xué)實驗》在實驗過程中會直接產(chǎn)生大量有毒有害的氣體，飄逸到空氣中會對師生的身體產(chǎn)生毒害，可以考慮將一些操作單一、簡單的實驗步驟合并開展，再分到每組進(jìn)行下一步操作的“合-分”結(jié)合實踐操作，從而降低有毒有害氣體的逸出量。

例如，甲基丙烯酸甲酯本體聚合的預(yù)聚合階段，將甲基丙烯酸甲酯單體及過氧化苯甲酰置于錐形瓶中，在85～90 ℃水浴中不斷攪動預(yù)聚合0.5～1 h[5]，此操作簡單，如果每組分別進(jìn)行，由于裝置較為分散，將會加大有毒有害氣體的逸出量從而危害師生的身體健康，可以考慮將這一步驟合并后在通風(fēng)櫥進(jìn)行操作，預(yù)聚合結(jié)束后再分到每組進(jìn)行澆鑄灌模并繼續(xù)后聚合，從而避免裝置分散并降低氣體逸出量。

2.3 減量化實驗

傳統(tǒng)的高分子化學(xué)實驗中，由于認(rèn)識程度不夠、實驗內(nèi)容不合理、常量的實驗用品用量大等原因?qū)е赂叻肿踊瘜W(xué)實驗成為了實驗室污染的主要源頭之一[6]。為了降低高分子化學(xué)實驗對師生身體造成的危害及對環(huán)境造成的污染，從源頭上降低污染來源十分有必要，這就要求我們在充分考慮實驗合理性的基礎(chǔ)上，降低實驗藥品用量，從而進(jìn)行減量化實驗。例如，丙烯酰胺水溶液聚合，試劑用量改為常規(guī)方法用量的一半，不僅節(jié)約成本、降低污染，后處理也較容易，產(chǎn)率較常規(guī)方法高3%～5%。再如，甲基丙烯酸甲酯本體聚合，傳統(tǒng)實驗所用的模具為10×50 mm的小試管，現(xiàn)改用6×30 mm的小試管，在達(dá)到實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上，不僅節(jié)約了成本，由于試管口徑減小，還降低有毒有害氣體的逸出量，從而減少對環(huán)境的污染，做出的“飾品”更加小巧可愛。

減量化實驗是對常規(guī)常量實驗的改進(jìn)，是在綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新思想對常規(guī)常量實驗進(jìn)行改革的結(jié)果，可以從源頭上降低污染，是對實驗進(jìn)行改革的趨勢所在。

3 綠色化理念的滲透

隨著環(huán)境污染的加劇和人類對環(huán)境問題的關(guān)心，具有全新理念的“綠色化學(xué)”便應(yīng)運而生[7]。化學(xué)實驗綠色化，是21世紀(jì)大學(xué)化學(xué)實驗課程改革的重點方向和嶄新課題[8]。近年來，許多高校都在積極探索，并取得了明顯的成效。2013年，齊齊哈爾大學(xué)的朱清梅等[9]用新的實驗方法和手段對常規(guī)的實驗內(nèi)容、儀器進(jìn)行改革和優(yōu)化組合，普及微型實驗，密閉實驗過程，并對實驗產(chǎn)生的“三廢”進(jìn)行集中處理，降低了實驗室污染的指數(shù)。2017年，九江學(xué)院的陳福山等[6]通過改變觀念、減少反應(yīng)的用量、密閉操作及仿真實驗使實驗室的“三廢”排放降低到最低程度。同年，三明學(xué)院的羅菊香等[10]以可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合反應(yīng)為例，設(shè)計使用藍(lán)光LDE誘導(dǎo)該反應(yīng)，其過程倡導(dǎo)綠色化學(xué)理念，更為重要的是有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。此外，九江學(xué)院的張立明等[11]從課程內(nèi)容安排、教學(xué)方法等方面的改革，實施了綠色化實驗的實踐，從而改善化學(xué)實驗室環(huán)境，減少環(huán)境污染，保護(hù)師生健康。

但長期以來，我校的高分子化學(xué)實驗課程往往忽略了“綠色化”理念的滲透。主要表現(xiàn)在：實驗過程中，師生無意中將有毒有害的氣體排到大氣中，將一些污染物質(zhì)排入下水管道；此外，由于資金投入不足，缺少專門的化學(xué)廢棄物回收處理的理論指導(dǎo)及專業(yè)部門對有毒有害廢氣、廢固、廢液(“三廢”)[12]的回收處理，從而污染環(huán)境并無形中對師生的身體造成一定傷害。要真正做到綠色化教學(xué)，必須從以下三方面對教師和學(xué)生進(jìn)行“綠色化”理念的滲透：第一，實現(xiàn)高分子化學(xué)實驗“綠色化”要從教師做起，應(yīng)在教師頭腦中樹立“綠色化學(xué)”的思維，可以通過外出培訓(xùn)學(xué)習(xí)或到雙一流高等院校進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)等方式提升教師的“綠色化”實驗教學(xué)素養(yǎng)，并培養(yǎng)環(huán)保概念和可持續(xù)發(fā)展意識；第二，在實驗教學(xué)中注重向?qū)W生灌輸“綠色化”觀念，將“綠色化”貫穿于實驗始終，讓學(xué)生切身體會，關(guān)心“三廢”的產(chǎn)生及相應(yīng)的處理方法，并將綠色環(huán)保意識、環(huán)保責(zé)任保留到今后的工作中，從源頭上阻止污染；第三，加大對實驗室“三廢”回收處理的資金投入，例如，對于廢渣、廢液可進(jìn)行集中回收后交由專業(yè)部門回收處理，對于廢氣可以通過加裝封閉式通風(fēng)櫥并使用尾氣吸收裝置來吸收廢氣，從而真正降低“三廢”對環(huán)境的污染和對師生身體的毒害。

我校化學(xué)系《高分子化學(xué)實驗》的教學(xué)改革是一項長期而艱巨的任務(wù)，目前雖然取得了一定的成效，但仍存在許多問題和困難，任重而道遠(yuǎn)，有待進(jìn)一步探索研究。