《光致變色高分子材料》的微課設計*

姚木蘭，朱慶洋，陳麗娟

(皖西學院材料與化工學院，安徽 六安 237012)

我院高分子教研室的任課教師緊跟時代的發展步伐，在《功能高分子材料》的理論教學課程中，針對相關重難點制作成“微課”，結合微課“主題突出，短小精悍”的特點[1-3]，期望能夠進一步優化課堂內外教學效率。本文主要闡述了《功能高分子材料》課程中“光致變色高分子材料”微課教學設計，具體包括教學背景、教學目標與重難點、教學方法和策略以及教學安排四個方面[4]，并錄制相應的“微課”教學視頻，目的在提高學生學習效率和教學質量，服務廣大學生群體。

1 教學背景

光致變色高分子材料是《功能高分子材料》教學過程中重要的教學內容之一，是光功能高分子材料的重要組成部分，對光致變色高分子的認識、理解和掌握直接關乎新型光致變色高分子材料的設計合成及應用，具有十分重要的意義。本節課所講授的“光致變色高分子材料”是我校《功能高分子材料》課程中的第四章“光功能高分子材料”第五節“光致變色高分子材料”的教學內容；教材選用羅祥林主編的“中國石油和化學工業優秀教材一等獎，普通高等教育“十一五”國家級規劃教材”——《功能高分子材料》[5]。“光致變色高分子材料”這一節內容是在掌握了有機光致變色小分子的類型及變色機理，高分子的合成方法及分子設計的基礎上構建的兼具聚合物好的加工性能以及小分子光致變色性能的一種新型光致變色高分子材料體系。學生對這一節的學習有助于形成更豐富，更完整的光致變色高分子的設計思路，更重要的是這節課可以開拓學生眼界，激發學生學習功能高分子材料的興趣，同時也培養了學生探索科學的能力。

2 教學目標與重難點

2.1 教學目標

(1)了解常見的光致變色有機小分子的種類；

(2)能夠基于材料結構分析其光致變色的機理；

(3)利用高分子化學的合成手段設計各種結構的光致變色高分子材料。

2.2 教學重點

(1)對光致變色現象概念的掌握；

(2)光致變色本質的理解；

(3)常見的光致變色有機小分子材料的類型及光致變色機理。

2.3 對教學重點的處理

為了引起學生們對本節內容的學習興趣，加深學生們對光致變色材料及光致變色器件的認識，本節課開始就引入一段微視頻，介紹由三種光致變色高分子材料經過3D打印技術制備的一枚模型戒指，該枚戒指在不同波段光照下顯示出不同的顏色，由此勾起同學們的好奇心，然后播放三種光致變色小分子母體材料在紫外光及可見光照射下的光致變色行為，由此展開該知識點的深入剖析。

基于以上視頻，首先引入光致變色現象的定義，即物質在光照射時呈現顏色或者在可見光照射下產生顏色變化，停止光照后又能回復原來顏色的現象。然后介紹生活中常見的光致變色現象，包括光致變色玻璃、眼鏡、手鏈以及印染在T恤上的圖案，以此進一步引起同學們學習熱情。同時提出問題，材料為什么會有光致變色現象的出現？與學生互動環節培養學生獨立思考的習慣和能力。然后引出光致變色的本質(見圖1)，即物質在光照下由一種穩態結構(A)可逆地轉變為另一種穩態結構(B)，雙穩態結構間吸收波長差異越大，光致變色顏色分辨率越大，變色顯著。

圖1 光致變色物質雙穩態結構的轉變及對應吸收波長的變化Fig.1 Transformation of bistable structure of photochromic material and its corresponding change of absorption wavelength

那么雙穩態之間是如何轉變的呢？由此引出常見的有機光致變色小分子的母體結構及其變色機理，通過這種層層遞進的引導式教學方法能夠激起學生們的學習積極性以及獨立思考的習慣。

2.4 教學難點

光致變色高分子材料的結構設計。

2.5 對教學難點的處理

提出問題，為什么要設計光致變色高分子材料？引導同學思考而后解答，由于光致變色有機小分子難于加工，無法制成相關器件，因而其應用受到了限制，引入高分子材料具有易于成型加工的特點，解答為何要設計制備光致變色高分子材料。講解如何設計光致變色高分子材料時，首先帶領同學們回顧高分子化學的相關知識點(見圖2)，包括聚合物的合成方法和設計思路，結合相應的動畫和視頻，并在黑板上帶領大家一起畫出相應的示意圖從而將復雜抽象的內容簡單直觀化，降低學生對理論知識難點的理解難度。

圖2 光致變色高分子材料的設計思路

Fig.2 Design of photochromic polymer materials

更為具體的講解如何設計光致變色高分子材料，以含偶氮苯為母體結構的材料為例，①將光致變色小分子與高分子的共混獲得光致變色高分子材料；②通過設計含有偶氮苯的乙烯基單體通過連鎖聚合反應，或者設計偶氮二苯甲酸與二元胺的逐步聚合反應，實現小分子到大分子的轉變；③通過光致變色小分子與已有的高分子之間的接枝反應將其嫁接到高分子材料上獲得光致變色高分子材料[6]。這種引導遞進式的知識講解化難為易，有助于同學們更為具體的掌握知識點，以及有效地培養學生科學探究能力，并逐步形成科學態度與科學精神。

3 教學策略和方法

3.1 教學策略

本節課一開始就播放一段與課程相關的微視頻，介紹了由三種光致變色材料經過3D打印技術制備的一枚模型戒指，該枚戒指在不同波段光照下顯示出不同的顏色，由此勾起同學們的好奇心，然后播放了三種光致變色小分子在紫外光及可見光照射下的光致變色行為，為何會有這樣的轉變？提出問題，由此引起學生們對本節課程內容的學習興趣。接著通過對小分子光致變色材料相關內容的講解，讓學生了解并掌握本節課程的相關內容和原理。然后拋出小分子材料難以制備器件的問題引導學生們思考，最后引出將光致變色小分子材料與高分子進行共混，聚合以及接枝來賦予材料易于加工的性能。從而建立“提出問題—思考問題—解決問題”的教學過程，通過這樣一種教學策略達到首尾呼應的目的，學生不僅可以主動構建知識，更重要的是過程中能夠學會研究化學問題的過程與方法。

3.2 教學方法

(1)演示法

充分利用圖片、動畫、視頻等資料，提供學生學習功能高分子材料的感性材料，加深學生對所學內容的理解和認識。

(2)啟發式教學法

對講解內容中的問題，通過設問，并采用啟發式教學方法，與學生積極互動，讓學生積極思考，提高學生學習的積極性和專注度。

(3)問題探究法

課程結束給學生布置課后習題，通過進一步查閱資料鞏固和加深學生對所學知識的理解和認識，提高學生學以致用的能力。

4 教學安排

表1 教學安排Table 1 Teaching arrangement

5 結 語

本文針對“光致變色高分子材料”微課的教學設計，一方面有助于提高學生對光致變色高分子材料的認識水平。另一方面提高學生的分析、推理及設計能力，讓他們更深層次體會功能高分子材料的奇、趣、美。此外，作為高校教師，應該緊跟時代步伐，借助于互聯網“互聯互通”的特點，通過相關理論知識點的微課教學設計的規劃及錄制高質量的微課教學視頻，將其運用到教學實踐中，從而有助于提高教學質量，服務廣大學生群體。