微型高分子化学实验与思维创新教育

李青山 徐明双

(燕山大学材料科学与工程学院高分子材料科学与工程系,亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 河北秦皇岛 066004)

微型高分子化学实验与思维创新教育

李青山 徐明双

(燕山大学材料科学与工程学院高分子材料科学与工程系,亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 河北秦皇岛 066004)

通过微型高分子化学实验,实现本科生人手一套实验装置,独立进行高分子材料的设计合成及改性。在此基础上,组建思维创新实验室,以发明创造成果、创业计划、专利样板等为教材,进行思维创新训练。学生自主提出实验设想,把微型实验与思维创新教育结合起来,探索一条有效培养大学生创新精神和实践能力的教学方法途径。

1 微型化学实验教学

微型化学实验是近 20年来兴起的一种新的实验方法,即用最小的量、最小的装置,获得比较明显、清晰的反应结果和化学信息,以验证化学反应原理[1]。1982年,美国W.Mayo博士在有机化学实验中应用微型化学实验取得成功,继而开发出微型无机化学实验和中学化学实验[2]。从 1984年开始,我们首先将微型实验应用到高分子化学实验教学中,并逐步创立具有特色的大学本科学生常规基础实验,开发了一系列微型高分子化学实验装置,出版了相应的教材,并获得若干教学研究成果[3-6]。

高分子化学实验是高分子材料与工程专业的一门专业基础理论实践课,也是应用化学、高分子材料等专业的必修课。学生在学习无机化学、有机化学、分析化学和物理化学课程的基础上,学习和掌握高分子化学的理论与实践,可为学好高分子专业的后续课打下坚实基础。同时,可进一步培养学生分析问题、研究问题和解决问题的能力,培养学生的创新精神和自学能力。由于高分子化学课程的重要性,国内各学校对此课程都很重视。中华人民共和国教育部高分子专业教学指导委员会就课程的建设单独立项开展研究,我们作为委员单位参加了部分工作,主要负责微型高分子化学实验和高分子化学演习的部分工作。国外也很重视高分子化学的实验教学,美国与西欧各国都有专门的高分子专业实验教材,日本高分子学会还专门为大学生编写了《高分子演习》,我们翻译了这本书,并准备交出版社出版。2006年,我校的高分子化学课程在学校立项,并被评为河北省精品课。高分子化学、微型实验、功能高分子材料学课件已经制作出版,并与东华大学、四川大学、华南理工大学等多所院校交流,其中已经在网上交流的微型高分子化学实验内容得到的反响最大。

在多年教学实践的基础上,我们编写了《微型高分子化学实验》一书[7]。为继续推广和促进微型实验的发展,我们选取《微型高分子化学实验》中的部分内容,结合燕山大学的实际情况与国内外先进的实验及研究进展,编写了《高分子材料工程实验教程》[8]。《微型高分子化学实验》(第 2版)[9]作为燕山大学的特色教材,已于 2009年 7月出版。该书首先介绍了 20年来微型化学实验的研究情况,然后按高分子化学的理论体系给出了连锁聚合、逐步聚合、高分子反应的微型化学实验方法,包括单体、原料的微型化学制备与精制,聚合物的微型化学纯化方法。该书特点是图文并茂,实验理论与仪器设备相结合,目的是培养学生的创新思维,倡导和树立绿色环保理念。为了配合双语教学,将主要实验译成英文附于文后。

我们还建设了高分子化学实验室,并创立了一系列微型高分子化学实验,开发了一系列微型高分子化学实验装置,于 2001年获得国家教学成果二等奖。2006年,我们在中国微型化学实验研究中心、教育部高分子教学指导委员会召开的全国微型高分子化学实验教学研讨会之后,建立了中国微型高分子化学实验中心,推广国家级教学成果。现已实现本科生人手一套微型实验装置,学生可以独立进行高分子材料的设计合成及改性实验。现在国内已有多所院校及研究所应用这些装置开展实验教学和研究工作。

2001年,日本金子秀夫提出了创造热力学的概念,我们应用创造热力学观点与方法,首先将创造思维过程用数学模型建立起来,2002年 8月参加了上海国际创造学学术研讨会,首先提出思维创新的热力学、动力学、心理学、生理学、方法学、工程学、成功学等 7个理论模型,并围绕思维创新构建了一个系统工程,创建了思维创新实验室,把微型高分子化学实验作为验证与制备实验的物质手段,把功能高分子材料、智能材料的设计与思维创新系统工程相联系,把思维、思考的物质性与创新、创业教育相联系[10-11]。

2 组建微型高分子化学实验室和思维创新实验室

创建思维创新实验室的目的是通过微型高分子化学实验,为高分子材料与工程、化学、材料学等专业学生提供化学实验手段;从热力学、动力学、心理学、生理学、方法学、工程学、成功学等 7个方面建立思维创新的理论框架;用数理方程表征思维的物质过程,用思维创新实验室和现代仪器分析来证明思维的物质过程,从而获得理论知识与实践结合的教学条件。

国内的大学生经过了多年的应试教育,比较缺乏善于质疑的态度,创新能力也在一定程度上受到限制。为了培养学生的创新能力,我们进行了以下尝试:首先,在课堂教育中始终贯穿创新教育,在教学中留给学生足够的思考余地,鼓励学生主动参与、大胆提问,激发学生的求知欲及发散思维,以培养学生的创新能力;其次,积极开展多层次的科技创新活动,鼓励学生建立富有活力的科技团队,团队间以科学的专业课程体系为保障,通过交流与合作,培育和营造良好的科技创新氛围,鼓励学生参加各种创新竞赛;最后,在现有条件的基础上,通过简单的教学实例,激发学生的创造力,鼓励学生设计实验并实践其创新结果。

我们设计的微型高分子化学实验,通常都对同一实验项目设计不同的合成路线,使用不同的原料或几个不同的用量,并在相似或是同类物质基础上探索新的实验,从而克服了传统的实验内容和实验要求单一的缺点。

我们以微型高分子化学实验中心为基础,经多年探索,创建了思维创新实验室,其主要工作是以发明创造成果、创业计划、专利样板等为教材,开展头脑运动会,组织学术交流,科学与实验讨论;学生可以自由提出实验研究设想,通过审批、立项、实验,学术交流及分析总结等环节,把课内外知识有机结合起来,把微型高分子化学实验与思维创新教育结合起来。借此探索一条培养大学生创新精神和实践能力的教学方法与途径,以解决理论与实践脱节,课内课外脱节,学校与社会脱节等问题。

为了验证思维创新理论与过程机理,我们还建立了思维创新与发明创造实践基地。包括:文献资料、示范样本、专利代理、测试仪器、评价系统等,我们总结开发的应用大学本科生创造力开发三阶段三层次模式,获得 2003年度黑龙江省优秀教学成果一等奖。思维创新教育的 3种方式是:①开设思维创新学课程(如创造与开发、思维创新心理学等),进行高层次的思维创新学专业培训;②在其他文化课、基础课、专业课的教学中,渗透创新性人格,创造性思维、思维创新技法的培训内容;③开展社会调查、科技竞赛、科技成果展览等活动,扩大思维创新成果。我们的思维创新教育是一个新的教学模式,正在不断地实践探索中,我们将不断分析总结、改进完善,使其进一步健康发展。

3 微型高分子化学实验的发展前景

高分子微型实验装置是我们自己的专利技术,可长时间大转矩运转,适合有机高分子高黏性、长时间反应,可以应用于很多高分子化学实验中;用机械锁定机构,可方便地拆卸、装配;有专门的玻璃仪器装置,以保证快速、准确和实验安全。

现在我国每年有 150余所院校招收高分子材料专业 8000多名学生。微型高分子化学实验装置的开发,有助于推动各高校特别是师范院校及地方院校的实验教学改革,同时也可由毕业生带到社会,形成每人一套的“流动实验室”。

[1] 周宁怀.微型化学实验.杭州:浙江科学技术出版社,1992

[2] 钱贵晴.化学通报,1999(5):2

[3] 李青山,李荫常,叶大铿.高分子材料科学与工程,1990,6(5):83

[4] 李青山.1999全国高分子学术年会预印集.上海:上海交通大学,1999,17～20

[5] 马立群,张晓辉,王雅珍.微型高分子化学实验技术.北京:中国纺织出版社,1999

[6] 李青山,富彦珍,闻全意.微型高分子化学实验装置.ZL 00266050.4,2002.8.14

[7] 李青山,王雅珍,周宁怀.微型高分子化学实验.北京:化学工业出版社,2009

[8] 沈新元,李青山.高分子材料工程实验教程.北京:中国纺织出版社,2010

[9] 李青山.微型高分子化学实验.第 2版.北京:化学工业出版社,2009

[10] 杨德治,常成,李青山,等.广西师范大学学报,2002,1(5):14

[11] Jin J X F.J of Scorety of Non-Traditional Technology,2001,15(2):1