“高分子化學”課程教學與核心素養的融合

侯桂香 尚宏周 石 強 閆 莉

(華北理工大學 材料科學與工程學院,河北 唐山 063210)

高等教育是學生步入社會前的最后一環,高等教育的任務是從社會發展需求出發,培養學生具有與之相適應的必備品格和關鍵能力[1,2]。2016年,教育部頒布《學生發展核心素養》,指出學生發展的核心素養分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面,綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養[3]。課程是人才培養的關鍵環節,是實現教育目標的重要載體,高等學校課程教學應將核心素養融入教學過程的始終,將核心素養與已有課程體系、知識內容相聯系、融合[4],利用好課程教學這個重要環節,實現知識、能力與素養的合體。

“高分子化學”課程是高分子材料與工程專業的必修課,課程主要內容涉及高分子化合物的合成反應原理、規律特征[5]。通過課程學習提高學生對高分子科學的興趣,使之具有合成預定高分子材料以及解決合成過程問題的工程能力,形成環境保護及可持續發展的理念,具備自主和繼續學習的能力。因此,在核心素養理念指引下,挖掘課程知識所蘊含的人文、社會、科研等素養理念,將抽象的理論知識與素質提高、成長發展相結合,激發學生學習熱情,樹立專業信心,以實現專業知識和素質培養的雙效達成。作者在“高分子化學”課程教學過程中,嘗試將核心素養與專業知識相融合,對課程中蘊含的核心素養進行了分析。

1 了解高分子材料的廣泛應用,產生專業認同,努力學習,爭做棟梁

課程從列舉高分子材料制品入手,使學生了解高分子材料的應用已從人們的衣食住行擴展到了智能材料、航空航天和軍事等高精尖領域,高分子材料對人類社會產生了無法估量的影響。通過實例讓同學們真切地感受到高分子材料在社會發展中的重要地位和作用,以此激發學習興趣與熱情,樹立專業自豪感和自信心。

高分子材料按照用途可分為塑料、橡膠、纖維、涂料、膠黏劑和功能高分子六大類,不同用途的產品具有不同的結構組成、相對分子質量及其分布(內因),三大高分子合成材料的平均相對分子質量大小及其分布寬度是:橡膠>塑料>纖維。橡膠的高彈性來源于其相對分子質量大,構象多。纖維的高模量來源于本身的極性結構和相對規整的分子鏈的分布。控制不同的制備條件和成型過程(外因),可以獲得不同性能的制品。學生的成長與發展也與自身因素和成長經歷有關,要結合自身的“個性”全方位地提高、塑造、磨煉自己,使自己成為社會的可用之才。“寶劍鋒從磨礪出,梅花香自苦寒來”,進而培養學生努力學習、歷經磨礪的核心素養。

2 講好科學家的故事,培養科學精神

高分子學科發展到今天,凝聚了無數中外科學家的智慧。借助案例融入科學家的故事[6],培養學生的科研思維、探索創新等核心素養。如講授高分子材料發展史時,引入不隨波逐流的高分子化學之父施陶丁格的故事。他在首次提出長鏈大分子的觀點時,遭到了當時權威膠體論者的激烈反對和諷刺質疑,但是他沒有退卻,堅信自己的理論是正確的,更認真地開展深入研究,與膠體論者展開了面對面的辯論。后來,在事實面前,人們接受了高分子的概念,一個學科應運而生。這個故事可以融入“堅持科學理性,不畏權威,勇于探索,持之以恒”的科研精神。

支撐聚合機理和動力學的“等活性”理論,即反應活性中心(包括自由基、陰陽離子、官能團)的活性和鏈的長短沒有關系,使得復雜的高分子合成反應可以遵循一定的規律,進行動力學模型的建構。這個理論由Flory先生提出。他花了一生時間,從僅有的少量實驗數據中提煉出高分子合成理論。這項偉業對于高分子工業而言,就如同點亮了一盞燈,讓工業操作變得有章可依。此案例可以讓學生領悟到其中“利用科學假設建立模型”的科研思維方法和“甘于奉獻、孜孜不倦、探究真理”的科研精神。

在學習Carothers法預測凝膠點時,引入對縮聚反應發展作出了突出貢獻的科學家Carothers發明尼龍的小故事。Carothers在未清洗干凈的玻璃棒上發現了幾縷乳白色的細絲,這個偶然的發現促使了尼龍的研究和合成。這項合成技術應用于實際生產,為社會發展作出了巨大的貢獻。通過這個故事讓學生體會到“敏銳的洞察力,細微的觀察力”在科研實驗中的重要性,啟迪創造性思維,培養透過現象看本質的分析能力。

3 剖析高分子化合物的合成原理,感悟人文素養,培養良好的學習生活習慣

高分子是由原子或原子團以共價鍵的形式連接而成的同系混合物,具有很多優異的性能,如質輕、高強、高模、高彈等。單個小分子是不具有這些性質的,大分子的結構與材料性能體現出了個體只有將自己的力量與集體融合在一起,才能發揮作用,物盡其用。一滴水只有放進大海里才永遠不會干涸,最偉大的力量就是團結。就像這次新冠肺炎疫情一樣,每個人從自身做好防護和隔離,在力所能及的范圍內去貢獻,全國人民萬眾一心,就一定能戰勝疫情,“篝火能把嚴寒驅散,團結能把困難趕跑”。

高分子合成原理包括逐步聚合和連鎖聚合,逐步聚合機理特征:逐步、可逆,相對分子質量逐漸增加,反應后期才有高分子,反應歷程如圖1所示。

圖1 逐步聚合機理示意圖

連鎖聚合分成鏈引發、增長、終止等基元反應,相對分子質量瞬間變大,即一旦有單體被引發,大分子迅速生成。自由基聚合反應歷程如圖2所示。

圖2 自由基聚合反應歷程

運用豐富的想象力和聯想能力,讓抽象的高分子合成理論和微觀結構形象化。逐步聚合過程就像接繩子,由短(小分子)匯成長(預聚物),再到更長(大分子)。分子鏈的增長需要時間的積累,就如同學生將來的成就需要每天堅持不懈的努力與付出,不積跬步無以至千里,不積小流無以成江海,融入“腳踏實地、惜時、進取”的思想。連鎖聚合則需要活性中心,只要具備了這個小的誘因,聚合過程就像被觸動了的“多米諾骨牌”,瞬間完成高分子的形成。從中給我們啟示:一個微小的力量能夠引起的或許只是察覺不到的改變,但是它所引發的卻可能是翻天覆地的變化,亡羊補牢不如防患于未然。我們做人、做事要謹記不以惡小而為之,要謙虛謹慎、防微杜漸、未雨綢繆。

配位聚合由過渡金屬鹵化物與有機金屬化合物組成的絡合型催化劑體系催化,產物具有立體規整性。如TiCl4與Al(C2H5)2Cl催化乙烯聚合可以獲得高密度聚乙烯。同樣的單體乙烯如采用自由基聚合,在高溫、高壓的苛刻條件下才能聚合成低密度聚乙烯。TiCl3與Al(C2H5)2Cl催化丙烯聚合可以獲得全同聚丙烯,而采用自由基聚合只能得到低分子預聚物。這是由其特殊的催化體系造成的,催化機理如圖3所示。

圖3 配位聚合催化機理

通過剖析這些高分子合成機理,感悟一定的人文哲學和健康生活、學習的理念,進而形成一種長久、健康發展的精神動力和精神支撐。

4 聚焦高分子合成前沿,自強自信,勇于創新

活性可控聚合、配位聚合等內容均屬于高分子合成理論的前沿。目前關于配位聚合的反應機理及催化劑的問題仍是高分子合成領域研究的熱點。過去我國只能購買現成的催化劑,價格高昂,受壟斷的限制。我國學者在烯烴配位聚合的應用研究領域做了大量工作。如,中國科學院的研究員設計了新型單中心聚烯烴催化劑,為聚乙烯多樣性鏈結構的選擇性合成提供了高效的途徑。這些內容以專題講解、案例分析的形式引入課堂。使同學們了解到科研學者們不畏艱難、持之以恒的堅持,最終取得了一些世界矚目的成就。同時看到我國產業發展依然面臨許多問題,高端產品依然依賴進口。這在對我國高分子合成基礎研究提出巨大挑戰的同時,也提供了巨大的機遇。激勵學生勤奮刻苦學習專業知識,培養創新精神和責任擔當,勇挑重擔,攀登科學技術難題。

5 認識高分子化學發展面臨的制約,形成具有責任擔當的職業素養

縱觀高分子材料的發展史,從出現到大規模使用,直至現在人們的生活已經無法離開高分子。但同時高分子也有危害人體健康、破壞自然環境、加劇資源枯竭的負面效應,如白色污染、有毒奶瓶、裝修污染等。我們正在經歷的例子:一次性口罩的主要原料熔噴布,主要由聚丙烯纖維熱黏合制備,疫情出現以來被大量使用。熔噴布具有通氣性好,過濾細菌和有毒氣體,伸縮性、彈性好,價格比較低等優點。但因其纖維的排列具有一定的方向,所以也比較容易被撕開,使用周期短。大量廢棄的一次性口罩給環境帶來負擔,廢棄的高分子如何處理對環境保護和資源節約具有重要的意義。

學習高分子的降解和老化這一部分內容時,明確高分子難降解的原因、降解的機理,老化的特征、影響因素及老化原理;認識降解和老化對環境的意義,了解廢棄高分子材料的處理方法及其與環境保護、資源節約之間的關系;利用不同種類高分子降解與回收再利用的原理,為資源的循環利用找到依據;利用聚合物降解與老化的原理,實現高分子材料使用壽命的延長和廢棄高分子材料的回收再利用;并能在以后的學習和工作中,時刻以“綠水青山和藍天白云的可持續發展思想”為引領,有意識地加強廢棄高分子的快速降解的研究與實踐。以此培養學生具有責任擔當的職業素養。

6 理論與實踐相結合,學以致用,實踐創新

合成高分子的原理涉及縮聚反應、自由基聚合、離子聚合,理論性強、公式多、難度大,因此教學過程要貫穿 “理論與實踐相結合”的思想。將抽象的公式與工廠實際生產相聯系。采用創設問題情境、案例分析等教學方法,引導學生思考聚合物合成過程的實際問題,產生對枯燥知識探索學習的內在驅動力。如學習自由基聚合度的公式:

7 結語

在專業課程的教學中貫徹核心素養的教育理念,將專業知識與人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養相聯系,使枯燥、抽象的專業知識變得生動、豐滿,提高學生學習興趣與積極性,促使學生在獲取知識的過程中增長能力、明確事理,提高人格素養、綜合素質和對社會的適應能力。