形象化教學法在“聚合物改性原理”中的應用

王 平,周意楊,劉文秀,曹 田,丁運生,劉 瑾

(1.安徽建筑大學 材料與化學工程學院,安徽 合肥 230601;2.安徽省先進建筑材料國際聯合研究中心,安徽 合肥 230601;3.合肥工業大學 化學與化工學院,安徽 合肥 230009)

通過特定方法向聚合物中引入異相聚合物、有機小分子、無機填料等物質,或直接在聚合物分子鏈中引入特定官能團等,可在滿足較高經濟效益的基礎上實現聚合物的高性能化,并有望賦予聚合物特殊功能,是高效開發新型高性能聚合物材料、拓展其應用領域的重要手段[1-2]。熟練掌握聚合物改性的各類知識點,是該領域人才應具備的重要基本能力。

教師通過有效的教學手段調動學生的主觀能動性,使學生迅速建立起對聚合物改性復雜知識體系的初步認識,激發學生的學習興趣,是保證學生主動且高效地理解聚合物改性領域各階段知識點、構筑符合自身學情的知識網絡結構、形成特定概念群的重要基礎。尤為重要的是,通過培養學生的上述能力,可向社會輸送大量聚合物改性領域相關人才,促進我國聚合物領域相關產業的健康發展。

然而,作為高分子材料專業的必修課,“聚合物改性原理”與“高分子化學”“高分子物理”等課程存在承上啟下的關系,學生如果沒有充分掌握上述兩門專業基礎課程的知識,學習“聚合物改性原理”的過程中就極易出現知識斷層的現象。另外,“聚合物改性原理”中的系列重要理論還需要“聚合物成型加工基礎”“高分子材料助劑”和“材料研究方法”等課程的知識點作為支撐[3-4]。在當前“聚合物改性原理”教學過程中,學生普遍存在對課程知識點缺乏感性認識、無法建立完整“聚合物改性原理”知識體系架構的問題,導致學習效率較低,嚴重影響學習興趣,甚至產生畏難的情緒。因此,如何解決這些問題,使學生能夠快速建立對“聚合物改性原理”核心知識點的理性認識,激發其學習興趣,充分發揮其主觀能動性,對于新時期聚合物改性人才的培養具有重要意義。

針對上述問題,授課教師可以采用形象化的教學方法,將抽象的概念與生活中常見的事物相聯系,首先使學生產生容易接受的感性認識,降低學生對“聚合物改性原理”核心知識點的認知門檻,并由此提高學生的學習積極性,使其樂于參與教學過程,達到“寓教于樂”“事半功倍”的效果[5-6]。更為重要的是,通過該方法可明顯提高學生對“聚合物改性原理”課程的興趣,使得學生通過對課程整體知識架構的掌握及對聚合物改性領域最新發展現狀的了解,將對課程的感性認識上升至理性認識;使得學生在學習后能夠正確使用聚合物改性的基本研究方法、科學理解聚合物材料基本理論和應用性能的關系,養成理論與實踐相結合的科學態度,能夠探索高分子材料改性的配方設計、加工制備及工程應用,分析“全生命周期”成本管理;同時,使其樹立正確的聚合物改性觀,并培養其創新能力和探索精神。

1 融入日常生活的形象化教學在“聚合物改性原理”中的應用

教師可以以“聚合物改性原理”中的重要章節“聚合物的共混改性”作為范例,考察形象化教學在“聚合物改性原理”中的應用。在教學過程中,教師首先講述聚合物共混改性的基本概念,強調組成共混體系聚合物的種類、結構等發生改變時,體系中各相聚合物之間的相容性及相互作用力也隨之發生改變,進而導致共混材料的宏觀性能發生明顯變化。而如何在對不同聚合物結構和性能全面理解的基礎上正確選用合適的材料,并通過特定方法改變共混體系中各組分間的相互作用力,達到對共混材料結構與宏觀性能的高效調控,實現共混材料的高性能化,是目前的科學研究和工業開發的熱點和重點。

由于所涉及知識點較為抽象,學生認知難度相對偏高。針對該現象,授課教師可以首先將聚合物共混材料與現實生活中的實例進行類比,提出最為普通的“家常小菜的制作”的問題,吸引學生眼球,盡可能從心理上消除其畏難情緒。教學過程中,授課教師向學生提出問題:“一道小炒的食材組成可以選擇哪些?肉類和素菜種類的選擇對菜品的口感有何影響”(共混物中各相聚合物種類的選擇),“若將烹飪方式從爆炒改為涼拌,或是同樣的食材,由不同的人去烹飪,菜品的口感是否會存在顯著差異?”(共混工藝選擇),“添加不同的調味品將對菜的口感造成什么影響?”(增容劑等功能性助劑選擇),“是否能在不明顯改變菜品口感的前提下,選用較為經濟實惠的食材進行烹飪?”(成本管理)等,巧妙地將源于日常生活的意象與課程結合。這樣學生極易產生如下聯想:選用不同的肉類與素菜進行混合烹飪,菜品的味道將千差萬別,若選擇得當,幾種食材之間的口感優勢可發生結合,菜品味道較為理想;但如果幾種食材選擇不當,菜品口感較差。共混材料亦然,若共混體系中各相聚合物種類選擇得當,則共混材料的宏觀性能較為優異,但如果選擇不當,則可能導致各相聚合物間的相互作用力較弱,材料宏觀性能較差。通過上述聯想,學生將對聚合物共混改性形成感性認識,并產生濃厚的興趣[7-8],并以此為基礎,在教師的正確引導下,迅速形成對聚合物共混改性概念、方法及目的等知識點的概念群,對于復雜晦澀的聚合物改性原理知識體系將不再產生畏難情緒,學習效果得到明顯改善。

在此基礎上,授課教師展示相關示意圖(圖1),以強化學生對相關概念的認識。

圖1 共混改性中各要素與生活中常見意象的對應關系

通過選取不同的食材、調味品等,采取不同的烹飪方式,可烹飪出味道迥異的多道菜肴。若食材與調味品選擇得當,烹飪方式適當,可烹飪出兼具所選食材特點的菜品,甚至所烹飪出的菜品的綜合口感遠勝所選的幾種食材單獨作為一道菜時的口感。通過在學生腦海里形成上述感性認識并加以引導,使學生充分認識到聚合物共混改性的實質為:不同結構、在特定方面性能較為優異的聚合物,在特定溫度、剪切速率等加工條件下,相互間充分混合,并形成新的材料,若幾種聚合物基體及增容劑等選擇得當,共混工藝適當,所制得材料的綜合性能將明顯優于聚合物基體。相對于傳統的講解方式,通過將知識點形象化,不僅可降低學生的認知難度,激發其學習興趣,提高其學習積極性,更重要之處在于,學生形成興趣后,其主觀能動性可明顯增強,并能夠在汲取知識的過程中舉一反三。

在學生掌握課程基本知識的基礎上,授課教師進一步結合自身的科研成果,通過“看得見、摸得著”的實驗樣品強化學生的知識結構。如在聚合物相容性知識板塊,授課教師以環境友好高分子材料聚乳酸(PLA)為例,為解決PLA的脆性通過聚己內酯(PCL)對其進行增韌,但PLA和PCL的相容性較差,因此在共混體系中添加了離子液體(ILs)作為界面增容劑,制得了PLA/PCL/ILs共混材料,并在課堂教學中請學生現場手動檢測ILs添加前后的PLA/PCL共混物樣品的耐彎曲性能。并以此為基礎進一步分析ILs的引入對材料性能影響的機理,同時呈現示意圖(圖2),幫助學生理解。

圖2 ILs對PLA/PCL共混材料結構調控機制的示意圖

由于PLA的脆性較為明顯,且PLA與PCL界面粘結力較弱,PCL的引入無法明顯改善PLA的韌性,學生可較為輕易地折斷不含ILs的PLA/PCL共混物樣品,但由于ILs對PLA/PCL界面結構及相形態具有較強調控作用,共混物的韌性顯著提高, PLA/PCL/ILs樣品的折斷難度明顯增加。在示意圖中,授課教師將PLA、PCL比作“食材”,離子液體比作“調味品”,經離子液體改性后,共混材料耐彎曲性能的提高比作“菜品口感的改善”,以此降低學生的理解難度。在確保學生對該體系產生一定興趣的基礎上,授課教師進一步向學生講述“共混物界面”“分子鏈相互作用”等知識點,并觀察到,學生在目睹兩種樣品的巨大性能差異后,對課程具有較高的學習熱情,對每一個細節問題均要刨根問底,求知欲極強,學習效果較為理想。通過上述方式,使學生在了解聚合物共混改性知識體系大致結構的前提下,充分感受到其科研魅力,由此可進一步加強學生的主觀能動性,提高其學習效率,并極大程度地鞏固了其對聚合物改性領域的興趣,同時培養其科研和工程化的意識。

2 教學效果

在形成感性認識后,學生對課程的參與興趣明顯提高,學習相關知識的主動性顯著增強,同時,通過該課程的開展,學生還掌握了類推的能力,部分學生將菜肴自身的特點歸結為“熱力學因素”,而廚師的手藝歸結為“動力學因素”,并認為,兩種食材,若“熱力學因素”匹配程度過低,“動力學因素”調控得再好,所烹飪出的菜肴也難有好的口感。材料亦然,若兩種熱力學相容性過差的聚合物,僅通過共混溫度、剪切速率、剪切強度等動力學手段調控,難以得到性能優異的共混材料。在產生上述聯想的過程中,學生對“聚合物改性原理知識點”的認識不斷深化,主觀能動性得到提高。

為檢驗“聚合物改性原理課程”形象化教學的教學效果,學校教師發展中心調查了該課程的“學評教”情況,如表1所示。通過81位學生對課程的打分情況來看,學生對于形象化教學法的認可度及接受度均較高;特別是在平時的教學活動中,學生向授課教師詢問有關聚合物改性領域碩士研究生的報考情況及相關課題研究進展的情況明顯增多,并直言是學習了該課程后產生了對聚合物改性領域的興趣。上述現象證明了形象化教學方法在“聚合物改性原理”授課過程中的必要性。

表1 81位學生采用形象化教學法的評價情況

3 結語

通過將“聚合物改性原理”中晦澀抽象的知識點類比為生活中常見事物,輔以啟發式的教學方式,充分引導學生的主觀能動性,可達到破除其畏難心理、激發其學習欲及探知欲的效果,為加深學生對高分子領域知識的理解、提高其創新能力奠定了堅實基礎。同時,課程的開展有望使學生充分審視自身對聚合物改性領域的興趣,在保證其能力得到充分鍛煉的基礎上,掌握聚合物的一般改性方法和原理,樹立正確的聚合物改性觀,為其將來的擇業和發展提供一定的理論基礎。