地方高校高分子材料檢測方法的課程教學(xué)改革

劉瑞來，丁曉紅

（武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，武夷山 福建 354300）

進(jìn)入21世紀(jì)，人們生活水平的不斷提高，對科技發(fā)展需求日益提高。其中生命科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、信息技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[1]。材料科學(xué)作為眾多科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科，有著舉足輕重的地位[2]。高分子材料作為材料學(xué)的一個分支，其研究領(lǐng)域包括橡膠、塑料、纖維、膠黏劑、涂料和復(fù)合材料等，廣泛應(yīng)用于電氣電子工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、航空航天、生物工程、環(huán)境保護(hù)、能源存儲和醫(yī)療器械等國民經(jīng)濟領(lǐng)域，為新技術(shù)革命發(fā)揮著重要作用。我國對高分子材料的基礎(chǔ)研究、工業(yè)化生產(chǎn)和實際技術(shù)應(yīng)用投入了大量的人力和物力。其中，高分子材料與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)是高分子材料學(xué)科能否快速發(fā)展的關(guān)鍵。如何培養(yǎng)學(xué)生獨立獲取知識能力、工程實踐能力、工程創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力，成為高校人才培養(yǎng)的重點[3-5]。

高分子材料檢測方法講述的是利用各種大型儀器分析和檢測高分子材料的各種性能，包括結(jié)構(gòu)鑒定、熱性能、形貌分析和力學(xué)性能等，是一門理論性和實踐性并重的課程。通過本門課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握高分子材料研究中最常用的測試分析技術(shù)，涵蓋結(jié)構(gòu)鑒定、形貌表征分析、熱分析、分子量及分子量分布、力學(xué)性能和吸附性能研究等。掌握各種大型分析儀器的工作原理、儀器組成、儀器維護(hù)等；掌握大型儀器檢測中樣品制備、測試、Origin繪圖、譜圖分析等。培養(yǎng)學(xué)生解決高分子實際問題的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和培養(yǎng)造就高級高分子技術(shù)人才打好一定基礎(chǔ)。然而該課程內(nèi)容廣、實踐性強、課程理論層次深、多學(xué)科交叉以及教學(xué)重、難點分散等特點，這些都對任課教師知識儲備和學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)提出較高的要求。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，對該課程教學(xué)過程的現(xiàn)狀及普遍存在的問題提出幾點探究，以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 課程現(xiàn)狀

以武夷學(xué)院高分子專業(yè)為例，對該門課程進(jìn)行教學(xué)現(xiàn)狀分析。本課程教材為陳厚等主編、2013年化學(xué)工業(yè)出版社出版的《高分子材料分析測試與研究方法（第二版）》。該教材分為7章分別為結(jié)構(gòu)鑒定、分子量及分子量分布的測定、形態(tài)及形貌表征、熱分析技術(shù)、流變性研究、力學(xué)性能測定和吸附性能測定。該課程應(yīng)該是理論學(xué)習(xí)和實踐相結(jié)合的一門課程，然而在培養(yǎng)方案中，該課程并無實踐課，因此學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)感到單一、枯燥、難懂，從而影響到后續(xù)的學(xué)習(xí)。

2 教學(xué)存在問題

2.1 課程內(nèi)容過廣、深度不夠

《高分子材料分析測試與研究方法》總共分為七章，幾乎涵蓋了高分子材料所有的檢測方法，內(nèi)容非常齊全，但是其內(nèi)容深度不夠，大部分測試方法理論部分講授極少、實例應(yīng)用較少，大部分內(nèi)容蜻蜓點水，沒有深度。例如，第一章節(jié)結(jié)構(gòu)鑒定，包括紅外光譜、拉曼光譜、紫外光譜、熒光光譜、質(zhì)譜法、氣相色譜、核磁共振、毛細(xì)管電泳、X射線分析和X射線光電子能譜。第一章就涵蓋了10種大型儀器的檢測方法。以紅外光譜為例，該部分只有3頁內(nèi)容介紹紅外光譜，對紅外光譜的工作原理、儀器結(jié)構(gòu)、維護(hù)與保養(yǎng)、紅外光譜圖的解析只是用少量的文字帶過，學(xué)生一知半解，無法到達(dá)滿意的教學(xué)效果。

2.2 課程重理論，輕實踐

高分子材料檢測方法的課程為32學(xué)時，全部為理論課，無實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動性差，課堂學(xué)習(xí)目的性不強，導(dǎo)致“聽，不知所云”“學(xué)，不知所用”現(xiàn)象[6]。以紅外光譜為例，紅外光譜的基本工作原理為“用一定頻率的紅外線聚焦照射被分析的試樣，如果分子中某個基團(tuán)的振動頻率與照射紅外線相同就會產(chǎn)生共振，這個基團(tuán)就吸收一定頻率的紅外線，把分子吸收的紅外線的情況用儀器記錄下來，便能得到全面反映試樣成份特征的光譜，從而推測化合物的類型和結(jié)構(gòu)”。光從文字上去理解紅外光譜的工作原理是比較難懂的。如果有一臺紅外光譜儀，測試一個有機物樣品，結(jié)合樣品得到的譜圖去分析介紹紅外光譜的工作原理，這樣更加深入淺出、直觀、易懂。另外單純的理論課教學(xué)枯燥，容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、棄學(xué)心理。

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足

由于課程內(nèi)容過廣、深度不夠、重理論、輕實踐，學(xué)時不足，課程內(nèi)容難度較大。因此，大部分學(xué)生對課程學(xué)習(xí)主動性不強、積極性不高、過渡依賴于教師講授，屬于填鴨式教學(xué)。不利于學(xué)生學(xué)習(xí)自主能力提高、創(chuàng)新思維培養(yǎng)、實踐動手能力培養(yǎng)，最終不利于應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)[7]。

2.4 授課方式單一

目前該課程主要以講授為主，輔以板書和多媒體教學(xué)手段，該方式已經(jīng)無法滿足新工科條件下大學(xué)生對于課堂的要求。因此，對于本身就較為枯燥無聊的工科課程的學(xué)習(xí)非常被動，不利于學(xué)生知識的消化和吸收[7-8]。

3 教學(xué)改革建議

3.1 教學(xué)內(nèi)容整合

教材涉及內(nèi)容廣泛，但是內(nèi)容泛泛而深度不夠。因此根據(jù)高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)時數(shù)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，整合后的內(nèi)容包括：紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜圖、質(zhì)譜、氣相色譜、凝膠滲透色譜法、熱重分析、差示掃描量熱分析、掃描電鏡和透射電鏡、X-射線粉末衍射和比表面積分析儀。其中紅外光譜、核磁共振譜圖、掃描電鏡分別為4個學(xué)時，其余8個內(nèi)容分別為2個學(xué)時，合計理論學(xué)時為28個學(xué)時。通過以上11個大型分析儀器學(xué)習(xí)，已基本上能滿足學(xué)生日常科研和工作需要，其余大型分析儀器，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主。

3.2 改革授課模式，融入多元教學(xué)手段

建立以課堂教學(xué)為主、自主學(xué)習(xí)為輔、實踐教學(xué)相結(jié)合的多元教學(xué)體系。其中理論學(xué)時為28個學(xué)時，實踐學(xué)時為22個學(xué)時，即每個大型分析儀器安排2個實踐課時。以紅外光譜圖為例詳細(xì)敘述多元教學(xué)體系的實施。課前先將紅外光譜圖需要了解和掌握的知識點發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生課前通過查閱文獻(xiàn)、收集資料等方式制作PPT課件，通過制作PPT方式自主學(xué)習(xí)，對紅外光譜圖有一個大概的了解，帶著疑問聽課，學(xué)習(xí)目的性更強。課堂教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，突出重難點，運用提問式、互動式和參與式等教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和目標(biāo)。結(jié)合筆者科研實踐經(jīng)驗，引入科研案例、工程案例和最新科研前沿，讓學(xué)生切身體會到本課程的重要性和實用性，開闊學(xué)生視野，提高實踐和創(chuàng)新能力。紅外光譜的理論課程講授完成后，讓學(xué)生上機操作紅外光譜儀（實踐操作每個儀器2個學(xué)時）。例如如何測試一個未知的有機化合物，通過紅外譜圖判斷其含有哪些基團(tuán)。實踐操作過程包括樣品制備、測試、儀器維護(hù)、Origin繪圖、譜圖分析等。對該過程的操作和譜圖分析評分，作為成績考核的一部分。

3.3 建立教研相融、提升創(chuàng)新能力機制

高分子檢測方法是一門理論抽象、實踐性強、更新速度快的實用課程，缺乏實踐訓(xùn)練能力的培養(yǎng)。對于科研大型儀器缺乏的地方高校而言，實踐訓(xùn)練能力的培養(yǎng)尤為突出。因此如何將教學(xué)與科研相結(jié)合顯得尤為重要[9]。以紅外光譜測試為例，講授如何在教學(xué)中引入科研，讓學(xué)生更加徹底理解教學(xué)內(nèi)容。如“物質(zhì)的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動形式相對應(yīng)”，該內(nèi)容為紅外光譜圖的核心重點，如何理解這句話意思，對紅外譜圖的掌握起到了至關(guān)重要的作用。因此筆者引入了科研過程中發(fā)表的紅外光譜圖，如圖1所示。圖1b中1 729和1 429 cm-1處分別為聚丙烯酸分子支鏈羧基上C=O伸縮振動峰和丙烯酸鏈節(jié)-CH變形振動吸收峰，圖1a中并沒有出現(xiàn)上述兩個特征吸收峰，而圖1c中出現(xiàn)了上述兩個特征吸收峰，說明聚丙烯酸成功接枝到纖維素納米纖維上。因為紅外光譜中吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動形式是一一相對關(guān)系。通過引入科研過程中碰到的現(xiàn)象，讓學(xué)生對紅外譜圖的核心重點有了深刻的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主創(chuàng)新能力。

圖1 紅外光譜圖：a)纖維素納米纖維，b)聚丙烯酸，c)纖維素接枝聚丙烯酸[10]Fig.1 Infrared spectrum:a)cellulose nanofiber;b)polyacrylic acid;c)cellulose grafted polyacrylic acid[10]

3.4（平時考核+實踐考核+PPT制作+期末考試）四位一體的評價體系建立

傳統(tǒng)的考核方式為平時成績30%、期末考試70%，這種考核方式很難提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)主體的地位，引入四位一體的評價體系，包括平時考核20%、實踐考核25%、PPT制作25%、期末考試30%。其中，平時成績由出勤率、課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)組成；實踐考核包括制樣、大型儀器操作和維護(hù)、origin作圖及其譜圖分析等。PPT制作包括課件、視頻動畫和課堂試講等組成；通過四位一體的評價體系建立，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生分析、解決問題和實際動手能力，實現(xiàn)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

4 總結(jié)

針對該課程普遍存在的問題，提出的教學(xué)改革建議，包括教學(xué)內(nèi)容整合，融入多元教學(xué)手段，建立教研相融和四位一體的評價體系。以期引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提升分析問題、解決問題和實際動手能力，實現(xiàn)應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。