《功能高分子》課程中講透高分子物理的基本原理

楊 文 郝文濤 唐龍祥

(合肥工業大學 化學與化工學院高分子材料與工程系，安徽 合肥 230009)

1 在《功能高分子》課程中講透高分子物理基本原理的必要性

功能高分子，比如超疏水性高分子和自修復高分子等等都是當前高分子科學領域的研究熱點[1,2]。此外，高分子分離膜、阻燃高分子材料等功能性高分子材料在國民經濟的各個領域發揮著巨大的作用。因此，《功能高分子》不是一門科普課程，而是引領學生獨立思考、培養創新人才的必經之路。

功能高分子是以功能為導向的材料設計、合成與制備的結果，集中體現了高分子化學、高分子物理的科學原理及其巧妙應用。材料功能的實現取決于結構，只有深刻理解功能高分子的結構與性能關系，才能有效地設計和制備功能高分子。但是，在功能高分子課程教學過程中，往往會偏向于高分子化學，即詳細描述功能高分子的合成路徑。為了更好地培養創新人才，服務于社會主義建設事業，有必要在功能高分子課程教學過程中講透高分子物理的基本原理。

2 教學研究現狀

近年來涌現出不少功能高分子教學研究的相關報道，歸納起來，主要進行了如下幾個方面的教學研究。

(1) 教學內容：張澤等人[3]提出，要針對地方高校學生特點，有選擇性地講授幾大類功能高分子，要緊跟科學前沿不斷完善和更新教學內容，要緊密聯系行業格局與地方經濟突出重點。

(2) 教學方法：肖谷清等人[4]對課堂提問的增長點進行了詳盡的分析，指出在新舊知識的“聯系處”提問，在概念和原理的“關鍵處”提問等七種提問增長點。李曉東等人[5]探討了在功能高分子課程教學過程中實施研究型教學的可行性。

(3) 考核方式：楊榮等人[6]探討了基于過程導向的功能高分子材料課程考核方式改革策略，新的考核方式由出勤、課堂作業、課后作業、PPT 演講、綜述小論文等構成。

以上教學改革措施都較好地實現了教學目標，提高了學生的學習積極性，加深了學生對于功能高分子材料設計、合成和制備的理解。但是，目前還沒有專項研究，討論如何在功能高分子課程教學過程中講透高分子物理的基本原理。

3 教學改革設想

3.1 教學內容

3.1.1 認真設計授課內容

3.1.2 精心選擇學生報告用學術論文

功能高分子研究是高分子科學發展的前沿領域，除需要在課堂上由教師對常見功能高分子的結構與性能關系加以闡述之外，還需要學生閱讀分析最新的研究報告，從中體會功能高分子的結構與性能關系。功能高分子報告涵蓋研究范圍廣泛、學科交叉特色明顯，并非所有報告都清晰地闡述了功能高分子的結構與性能關系。因此需要教師精心地選擇學生報告用學術論文。在近幾年的功能高分子課程中，我們根據授課內容范圍選擇了有關高吸水性高分子材料、高分子分離膜、仿生功能自修復高分子材料以及刺激響應型高分子材料等方面的SCI論文。以2019年的課程為例，我們分別選擇了 “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting (2019，Adv. Mater)”[8]，“Key-and-lock commodity self-healing copolymers (2018, Science)”[9]，“Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles (2019, Adv. Func. Mater.)”[10]等研究論文。這些研究論文充分體現了功能-結構的密切關系，便于學生在講報告和聽報告的過程中體會。

3.1.3 闡述結構與功能的關系

高分子物理的基本原理告訴我們，實現高分子功能的根本在于聚合物的化學結構，即近程結構。但是，高分子材料的最終性能不僅取決于化學結構，還取決于凝聚態結構。因此，十分有必要在課堂上分別講述清楚功能高分子的化學結構和凝聚態結構是如何影響其最終的功能。以《導電高分子材料》章節為例，本征型導電高分子包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等，它們都具有長而連續的共軛結構。而共混型導電高分子包括炭黑、金屬顆粒填充的高分子材料，它們的導電性依賴于導電填料在聚合物基體中形成的逾滲網絡，即聚合物復合材料的凝聚態結構。高分子的分子運動，在決定材料性能方面也有著重要的作用。潘才元老師[11]的研究論文表明，當叔胺基團被固定在超支化高分子的支化點上，松弛受到限制時，具有最強的發光強度；當叔胺基團被連接在線型高分子上時，分子松弛相對自由，發光強度就變得很低。通過從化學結構、凝聚態結構以及分子運動角度去闡述功能高分子的結構與性能關系，有效地鞏固了高分子物理課程中所闡述過的基本原理，并且為學生今后從事功能高分子研究工作點亮了一盞明燈。

3.2 教學方法

3.2.1 案例式教學法

案例教學是功能高分子課程的經典教學方法[12]。不講案例，只講原理，相當于給學生搭起了一個空中樓閣。既不能充分引起學生共鳴，也不能有效地闡明功能高分子結構與性能關系的科學原理。通過案例教學，在上課過程中列舉大量具體實例，則能夠很好地將結構與性能關系融會貫通。

在教學過程中，首先要從總體上說明結構與性能的關系在《功能高分子課程》中的重要性。結構決定功能，這是高分子物理的基本原理，在各類功能高分子材料中都得到了充分體現。根據結構層次，可以將功能高分子的結構與性能關系分為如下幾類：(1)官能團的影響；(2)鏈結構的影響；(3)聚集態的影響；(4)宏觀結構的影響。在各個層次的結構與性能關系上，經典案例比比皆是，例如聚丙烯酸帶有大量羧基，能夠與三價鋁離子形成絡合，從而能夠構成自修復水凝膠[13]。通過案例法教學，在《功能高分子》第一課就能夠引導同學們運用高分子物理基本原理去分析不同類型功能高分子的結構與性能關系。

其次，在講述每大類功能高分子的過程中，列舉1～2個具體實例，結合材料性能特點說明結構與性能關系。依據功能高分子材料的功能分類，大致可以將功能高分子分為：吸附與分離功能高分子、光學功能高分子、導電高分子、形狀記憶高分子、生物醫用功能高分子和仿生功能高分子等。在授課過程中，通過具體實例能夠充分說明功能高分子的結構與性能關系。

第三，既要從教材中尋找經典案例，也要從最新文獻中尋找合適的案例。優秀的功能高分子教材近年來不斷涌現[14-17]，其中都列舉了大量的實例，是上課過程中必不可少的經典案例。通過對經典案例的剖析，能夠使學生快速把握功能高分子的結構與性能關系要點。由于功能高分子的研究是高分子科學領域的熱點，優秀的學術論文不斷涌現。因此，還十分有必要在《功能高分子》課程教學過程中引入最新的研究成果，分析結構與性能關系，加深學生對相關原理的理解。在我們的教學過程中，經典案例在第一個模塊，教師分類別講述功能高分子的結構與性能關系中運用；而最新案例在第二個模塊，學生讀文獻、做報告、課堂討論過程中運用。

3.2.2 啟發式教學

為了培養具有創新思維的新時代人才，啟發式教學必不可少。通過啟發學生思考教學案例中功能高分子的結構與性能關系，達到訓練創新思維、培養突破性思考能力的目的。設問和提問，是啟發式教學的兩種常見形式。由于《功能高分子》課程具有知識領域廣泛、學科交叉明顯的特點，因而十分便于設置問題。設問與提問一方面活躍了課堂氣氛，另一方面也有效地提升了學習積極性。

在關鍵點上設置問題對于《功能高分子》課程教學十分重要，比如要實現某種功能，高分子應當具有怎樣的分子結構？為什么這樣一種組裝結構能夠實現特定的功能？要多問幾個“為什么”。設問后，不用急于給出答案，而是通過提示，來引導同學們積極思考，進一步提升學習效果。提問，并非簡單地隨機選擇學生，而是有意識地選擇那些已經有了初步思考結果的學生，或者鼓勵那些稍許靦腆的學生來回答問題。教師是教學過程的主導者，也是知識殿堂的引路人。因此，教師必須要在教學過程中熟練運用啟發式教學。

3.2.3 研討式教學

研討式教學是《功能高分子》課程中另一個必不可少的教學方式[18]。所謂研討，是師生一同研究與討論。在學生報告模塊，一般按照每小組4-5人的規模對全體學生進行分組，每小組負責匯報一篇近兩年內發表的高水平SCI論文。在學生報告后，留下充裕的時間給其他小組的同學和任課老師來提問，共同探討報告中有關結構與性能的關系的問題。這里的提問，就不再是以教師為主導，而是以廣大的學生為主導。每位提問的學生都能從不同的視角和不同的結構層次去提出有關功能高分子結構與性能關系的問題。甚至，還能從中發現報告論文中的不足之處。不僅能加深學生對高分子物理原理在設計新結構功能高分子中作用的理解，而且還能提升學生的學術鑒賞力。研討式教學有著非常重要的意義。

在研討式教學過程中，教師的作用在于適時引導和及時糾正。被提問的學生報告人有可能較好地回答問題，也有可能只能部分地回答問題或者不能準確回答問題。這時候就需要教師及時出面，引導全體同學思考，共同回答。

3.2.4 課上課下混合式教學

功能高分子課程不僅內容多、范圍廣，而且前沿性強、理論深度大，因此有限的課時不能滿足高質量的授課要求。課上課下混合式教學是一個非常理想的解決途徑。所謂課上，是在教師講授模塊中，由教師提綱挈領地對功能高分子的結構與性能原理進行講述；所謂課下，是在學生報告模塊，由學生自主閱讀文獻，自主思考，自主歸納總結，完成報告。課下教學還有另一層含義，是指教師與學生通過課程QQ群互動、研討。

目前，課上課下混合式教學將逐步發展為線上線下混合式金課。其主要特點是把記憶、理解、事實性、概念性知識的低階學習放在課前的線上學習，線下課堂教學重在引導學生進行應用、分析、評價和創造類的高階認知訓練，實現高階性教學目標。線上線下混合式金課十分適用于《功能高分子》課程教學。

3.3 考核方式

3.3.1 提出有效問題

如果學生在學習過程中能夠提出有效問題，就反映了他們對課程內容進行了思考。這里，有效問題是指那些并非顯而易見的問題，而是需要經過適當思考后才能回答的問題。在教師講授模塊和學生報告模塊，我們都非常鼓勵學生提問。每人至少提出一個有效問題，并以此為依據作為基準評定成績，提問多的同學有加分。

3.3.2 學生報告

學生報告用文獻由教師從高水平期刊選取，選擇那些發表在近1～2年內的最新文獻。文獻通過競標方式分發，由學生自發報名選擇文獻后聯系同學成立小組。學生報告由小組集體完成，小組成員分別完成閱讀、翻譯、制作PPT和報告。報告人通常為競標人和小組長。由于需要協調組織并且需要對報告內容有全面和深入的理解，因此報告人有加分項。學生報告結束，會有提問環節，報告人與小組成員共同回答問題。

3.3.3 開卷考試

功能高分子課程設置的意義在于開拓視野、引發思考、提高能力，因此考試形式不用拘泥于傳統的閉卷方式。通過開卷考試，設計開放性思考題，提高學生對科學原理理解和運用的能力。考試內容一般由兩部分組成，第一部分為基礎問題，考察學生對教師授課內容和學生報告中有關結構與性能基本原理的理解程度，占比85%左右；第二部分為提高問題，考察學生對基本原理的運用能力，占比15%左右。

4 結論與展望

功能高分子課程是一門建立在高分子化學、高分子物理課程基礎上的專業選修課，教學內容集中體現了對于高分子科學原理的運用，學習功能高分子課程是學生走向科研之路的起點。因此，它既是一個匯集點，也是一個發散點。要想上好這門課，需要教師從兩個方面持續努力：第一，要在功能高分子研究上不斷創新，做出高水平的研究工作；第二，要在教學過程中不斷思考，持續修訂教學內容，并結合新技術，比如雨課堂，改進教學方法。在點滴間傳遞科學的思想，讓自己化作一根火柴去點燃學生心中的智慧之火。