在課堂教學過程中培養學生創新能力
——以功能高分子課程為例

楊 文 郝文濤 殷 俊 汪 瑾 張大偉

(合肥工業大學 化學與化工學院，安徽 合肥 230009)

1 在高等教育階段培養大學生的科技創新能力是時代的要求

歷史的經驗表明，科技創新是大國崛起的基礎[1,2]。自工業革命以來，世界范圍內英、德、美、日等國的崛起，無一不是依靠強大的科技創新能力作為支撐。當前，我國正處于重新崛起的偉大歷史復興進程中，科技創新是實現中華民族偉大復興的根本。無論是基礎科學研究，還是應用技術研究，都需要大量的具備科技創新能力的人才。高等院校是培養科技創新人才的搖籃，在教學過程中著力培養大學生的科技創新能力是當今時代迫切的要求。

2 科技創新能力培養的幾個要素

2.1 能夠融會貫通基礎理論

在當今國情條件下，科技創新能力是科技人員面對科學或技術上的現實問題，提出新的解決辦法的能力。要具備這種能力，必須能夠融會貫通基礎理論，才能熟練運用基礎理論去指導科學或技術實踐活動。但是，低年級大學生在學習過程中往往還沿用了高中階段的學習方法，即孤立地學習每一門功課，包括重要的基礎課程，比如高分子材料專業大綱要求的“有機化學”和“物理化學”等。甚至在高年級學習過程中，對于專業課程的學習，包括“高分子化學”和“高分子物理”，也依然存在彼此割裂的狀態。這種學習方式，不利于科技創新能力的培養。僅僅掌握高分子化學合成方法，不懂得運用高分子物理知識，不能有效地根據性能需要設計分子結構，進而合成新聚合物；僅僅了解高分子物理課程中講述的結構與性能關系，不會運用高分子化學合成方法，也不能創造新的聚合物材料。因此，在大學里有必要開設新課程，比如“功能高分子”，提供融會貫通基礎理論的平臺，促使學生在學習過程中改變學習方式，以增強其科技創新能力。

2.2 具備開闊的視野

在經濟與科技全球化的大背景下，科技創新不是閉門造車，而是充分運用國內外已報道的科學原理和技術方法，結合本領域、本單位的實際需求，實施漸進性改造、乃至突破性創造的科研活動。無論是繼續讀研、讀博還是畢業后進入企業，高年級的大學生們都將很快走向科研工作的第一線。因此，在校期間就要著力開闊視野，了解本專業在國際上的科技發展前沿，并深入了解國家科技發展的實際需求。在專業課程，如“高分子化學”和“高分子物理”的授課過程中，合肥工業大學教師已經適當地將學科發展的最新報道融入到了課堂教學中去[3]。但是，往往由于受到總課時限制而無法系統地對國際科技發展前沿做更廣泛的介紹，也無法對國家科技發展需求做細致、展開的分析。另一方面，上述專業課程是學生奠定專業基礎的關鍵課程，需要講深、講透，不宜過分強調前沿性。因此，有必要在“功能高分子”等課程的授課過程中，廣泛地介紹國際上科技發展的最新動態，國家、地方、行業發展的實際需求。

2.3 掌握發現問題、解決問題的要領

科技創新能力的最終體現，是創造性地解決科學研究或技術開發中的實際問題。在具備融會貫通基礎理論以及具備開闊視野的基礎上，還需要教給學生基本的科研方法，提高學生發現問題和解決問題的能力。目前，許多高校已經在實驗實踐課程、大學生創新計劃項目等不同角度、不同層面為提高學生的科技創新能力做出了努力。比如，在合肥工業大學2019版教學大綱修訂過程中，突出強調加大開放性、設計性實驗比例；近兩年的大學生創新計劃項目申報過程中，涌現出一大批高水平、挑戰性項目，包括“健康環保高彈性儲能器件的設計與電化學性能研究”等。但是，目前的實驗實踐課程多以驗證為主，對提高學生創新能力作用有限。通過參與大學生創新計劃項目，雖然能夠較好地提高學生的科技創新能力，但是不能覆蓋所有學生，作用也有限度。如果能夠在課堂教學過程中，給予學生系統性的科研方法指導，能夠彌補實驗實踐教學以及大學生創新計劃項目的不足。由于在專業基礎課程的教學過程中，重在夯實基礎，因此科研方法訓練不可避免地就要落實到“功能高分子”等課程中。

3 “功能高分子課程”是肩負培養學生科研創新能力重任的課程

功能高分子是具有特殊結構和性能以及特殊用途的高分子材料，設計和合成功能高分子需要有扎實的高分子化學和高分子物理理論知識作為基礎，并且需要熟練運用高分子化學合成技巧和高分子物理理論指導合成過程、分析結構與性能關系。比如，為了闡明一類特殊的非共軛類型的脂肪族超支化聚合物的熒光性質，就要運用高分子化學知識合成具有特定結構的聚合物；在合成之后，還要依據高分子物理中有關聚合物結構與性能關系的基本原理，對聚合物的熒光性質與分子結構、聚集態結構之間的關系加以分析。上述討論過程中所提到的非共軛熒光超支化聚合物是一類典型的功能高分子——光致發光高分子[4]。可以看出，“功能高分子課程”能夠提供這樣一個平臺，能夠使學生更加深刻地理解高分子科學的基本原理，并且能促進其融會貫通基礎理論。

功能高分子研究是當前高分子材料研究的熱點和前沿，國際頂級期刊，包括Nature，Science上發表的有關高分子材料研究的成果無一不與功能高分子相關。在近二十年內，中國學者在功能高分子研究領域緊緊貼合國家科技發展戰略，在新興的柔性導電材料領域、自修復材料領域、超疏水/超疏油表界面領域等各個方面做出了突出的貢獻。比如，合肥工業大學的從懷萍教授連續在Nature子刊上發表研究論文，報道了具有自修復功能和導電功能的高分子水凝膠[5,6]。這些自修復導電材料在不久的將來有可能用于可穿戴電子設備、柔性電子電路，對于提高生活質量、提升健康監測水平以及服務國防事業都有著重要的貢獻。再比如，中國科學技術大學的俞書宏教授在Nature Nanotechnology上報道了基于三聚氰胺海綿的具有焦耳效應且能夠連續吸收高粘度原油的油水分離材料[7]。這種材料在防治海上原油泄漏、清理工業廢水污染以及處理餐廚垃圾等諸多方面都有重要的應用，對于我國的海洋石油開采、遠洋石油運輸以及環境保護方面都有著重要的價值。“功能高分子”課程能夠充分地向學生展現國際上最新的科技成果，極大地開闊學生的視野，使學生清晰地了解國家科技發展的實際需求。

功能高分子研究不僅著眼于實際需求，而且也面向未來人類社會發展的需要，是科學與技術研究的前沿。與功能高分子材料相關研究報道不僅體現了先進的科研思想，也體現了科學的研究方法。2012年潘才元老師等人在JACS上發表了有關含三級胺基團的熒光超支化聚合物的研究論文[8]。在這個研究充分體現了科研方法所包含的三個主要方面：(1)發現問題(含三級胺的分子在氣態下能夠發生熒光，但是在液態下卻不發光，三級胺的碰撞松弛可能是導致其熒光淬滅的重要原因)；(2)指出解決問題的可能思路(通過將三級胺限制在支化點上，抑制碰撞松弛，有可能實現強的熒光發射，從而在一定程度上闡明三級胺的發光機理)；(3)提出解決問題的方案(設計合成含三級胺的超支化聚合物，并設計合成含主鏈三級胺的線型聚合物和含側基三級胺的線型聚合物進行對比)。研究結果表明：超支化聚合物的熒光強度最高，而其他兩種聚合物的熒光強度很弱；這一結果充分驗證了通過限制三級胺的碰撞松弛能夠獲得強的熒光發射。2019年余桂華等人在Adv. Mater.上報道了一種能夠高效吸收空氣中水分的聚合物材料，這種材料將能夠用于解決干旱地區人們的飲用水問題[9]。同樣的，這篇報道中也充分體現了科研方法所包含的三個主要方面：(1)發現問題(現有吸收空氣中水分的材料多為超吸濕材料，吸水能力強，但是卻因此無法將所吸收的水分釋放出來)；(2)指出解決問題的可能思路(通過將溫敏性聚合物與超強吸濕聚合物結合形成網絡結構，利用溫敏性聚合物受熱體積相變的原理，在太陽光照射升溫后將超強吸濕聚合物所吸收的水分擠壓釋放出來)；(3)提出解決問題的方案(設計并合成聚N-異丙基丙烯酰胺與聚吡咯的互穿網絡，研究互穿網絡的吸水與鎖水機理，研究在機械擠壓以及受熱相變過程中的水分釋放過程，等)。通過對功能高分子研究領域內的相關報道的分析可以發現，在“功能高分子”課程授課過程中適當地選取典型性的實例并細致分析，能夠給予學生以系統性的科研方法指導，配合實驗實踐教學課程以及大學生創新計劃項目，利于培養和提升學生的科技創新能力。

4 “功能高分子”課程主講人、授課內容、授課方式是培養大學生科技創新能力的關鍵

在教學大綱中設置“功能高分子”課程是提升大學生科技創新能力的充分條件，不斷提升“功能高分子”課程主講人的科學素養、合理選擇授課內容、優化授課方式則是培養和提升大學生科技創新能力的必要條件。作為“功能高分子”課程的主講人，應當承擔過國家級自然科學基金項目或省部級課題，并且能夠連續在功能高分子研究領域發表高水平論文。只有在科學研究過程中，不斷深化對功能高分子的結構與性能關系認識，才能在教學實踐中將這種認識融入到每堂課的教學過程里。功能高分子的研究范圍很廣，因此傳統的功能高分子的授課內容包括“吸附、分離功能高分子材料”、“導電高分子材料”、“生物醫用高分子材料”、“光功能高分子材料”等諸多方面。在授課過程中，合理選擇廣度與范圍是一個重要的問題。功能高分子的研究可以做到非常深入。比如在2018年Science上發表的論文“Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking”就深入地分析了聚合物材料的自修復機理，提出了不規則氫鍵概念以及醚鍵在分子間氫鍵交換過程中起到了臨時受體作用等關鍵點[10]。這種研究深度能夠為本科階段的學生所理解和掌握？“功能高分子”課程的授課深度也是一個重要的問題。總體來說，合理選擇授課內容非常考驗授課教師對課程的把握能力。授人以魚不如授人以漁，要上好“功能高分子”課程，不能僅僅依賴教師的上課講授。每個人創新能力的培養和提升，從來都不是課堂灌輸的結果，而是思考與實踐的結果。在“功能高分子”教學過程中，要充分發揮同學們的主觀能動性，鼓勵他們閱讀最新的科技文獻，在課堂上作報告。引導他們在閱讀文獻過程中有意識地思考三個方面的問題：“為什么？做什么？怎么做？”從發現問題、提出假設、設定方案三個方面去剖析文獻，在讀文獻的過程中領會科研的要領，培養與提升創新能力。

5 結束語

“功能高分子”課程能夠有效促使學生融會貫通基礎理論，具備開闊的科研視野，掌握發現問題、解決問題的方法。為此，“功能高分子”課程主講人必須提高自己的科研能力，合理設定授課內容的廣度與深度，并不斷優化授課方式。“功能高分子”課堂教學要持續深化改革，通過緊密配合其他教改措施，為培養和提高大學生科技創新能力做出積極的貢獻。