《功能高分子》课程中讲透高分子物理的基本原理

杨 文 郝文涛 唐龙祥

(合肥工业大学 化学与化工学院高分子材料与工程系，安徽 合肥 230009)

1 在《功能高分子》课程中讲透高分子物理基本原理的必要性

功能高分子，比如超疏水性高分子和自修复高分子等等都是当前高分子科学领域的研究热点[1,2]。此外，高分子分离膜、阻燃高分子材料等功能性高分子材料在国民经济的各个领域发挥着巨大的作用。因此，《功能高分子》不是一门科普课程，而是引领学生独立思考、培养创新人才的必经之路。

功能高分子是以功能为导向的材料设计、合成与制备的结果，集中体现了高分子化学、高分子物理的科学原理及其巧妙应用。材料功能的实现取决于结构，只有深刻理解功能高分子的结构与性能关系，才能有效地设计和制备功能高分子。但是，在功能高分子课程教学过程中，往往会偏向于高分子化学，即详细描述功能高分子的合成路径。为了更好地培养创新人才，服务于社会主义建设事业，有必要在功能高分子课程教学过程中讲透高分子物理的基本原理。

2 教学研究现状

近年来涌现出不少功能高分子教学研究的相关报道，归纳起来，主要进行了如下几个方面的教学研究。

(1) 教学内容：张泽等人[3]提出，要针对地方高校学生特点，有选择性地讲授几大类功能高分子，要紧跟科学前沿不断完善和更新教学内容，要紧密联系行业格局与地方经济突出重点。

(2) 教学方法：肖谷清等人[4]对课堂提问的增长点进行了详尽的分析，指出在新旧知识的“联系处”提问，在概念和原理的“关键处”提问等七种提问增长点。李晓东等人[5]探讨了在功能高分子课程教学过程中实施研究型教学的可行性。

(3) 考核方式：杨荣等人[6]探讨了基于过程导向的功能高分子材料课程考核方式改革策略，新的考核方式由出勤、课堂作业、课后作业、PPT 演讲、综述小论文等构成。

以上教学改革措施都较好地实现了教学目标，提高了学生的学习积极性，加深了学生对于功能高分子材料设计、合成和制备的理解。但是，目前还没有专项研究，讨论如何在功能高分子课程教学过程中讲透高分子物理的基本原理。

3 教学改革设想

3.1 教学内容

3.1.1 认真设计授课内容

3.1.2 精心选择学生报告用学术论文

功能高分子研究是高分子科学发展的前沿领域，除需要在课堂上由教师对常见功能高分子的结构与性能关系加以阐述之外，还需要学生阅读分析最新的研究报告，从中体会功能高分子的结构与性能关系。功能高分子报告涵盖研究范围广泛、学科交叉特色明显，并非所有报告都清晰地阐述了功能高分子的结构与性能关系。因此需要教师精心地选择学生报告用学术论文。在近几年的功能高分子课程中，我们根据授课内容范围选择了有关高吸水性高分子材料、高分子分离膜、仿生功能自修复高分子材料以及刺激响应型高分子材料等方面的SCI论文。以2019年的课程为例，我们分别选择了 “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting (2019，Adv. Mater)”[8]，“Key-and-lock commodity self-healing copolymers (2018, Science)”[9]，“Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles (2019, Adv. Func. Mater.)”[10]等研究论文。这些研究论文充分体现了功能-结构的密切关系，便于学生在讲报告和听报告的过程中体会。

3.1.3 阐述结构与功能的关系

高分子物理的基本原理告诉我们，实现高分子功能的根本在于聚合物的化学结构，即近程结构。但是，高分子材料的最终性能不仅取决于化学结构，还取决于凝聚态结构。因此，十分有必要在课堂上分别讲述清楚功能高分子的化学结构和凝聚态结构是如何影响其最终的功能。以《导电高分子材料》章节为例，本征型导电高分子包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等，它们都具有长而连续的共轭结构。而共混型导电高分子包括炭黑、金属颗粒填充的高分子材料，它们的导电性依赖于导电填料在聚合物基体中形成的逾渗网络，即聚合物复合材料的凝聚态结构。高分子的分子运动，在决定材料性能方面也有着重要的作用。潘才元老师[11]的研究论文表明，当叔胺基团被固定在超支化高分子的支化点上，松弛受到限制时，具有最强的发光强度；当叔胺基团被连接在线型高分子上时，分子松弛相对自由，发光强度就变得很低。通过从化学结构、凝聚态结构以及分子运动角度去阐述功能高分子的结构与性能关系，有效地巩固了高分子物理课程中所阐述过的基本原理，并且为学生今后从事功能高分子研究工作点亮了一盏明灯。

3.2 教学方法

3.2.1 案例式教学法

案例教学是功能高分子课程的经典教学方法[12]。不讲案例，只讲原理，相当于给学生搭起了一个空中楼阁。既不能充分引起学生共鸣，也不能有效地阐明功能高分子结构与性能关系的科学原理。通过案例教学，在上课过程中列举大量具体实例，则能够很好地将结构与性能关系融会贯通。

在教学过程中，首先要从总体上说明结构与性能的关系在《功能高分子课程》中的重要性。结构决定功能，这是高分子物理的基本原理，在各类功能高分子材料中都得到了充分体现。根据结构层次，可以将功能高分子的结构与性能关系分为如下几类：(1)官能团的影响；(2)链结构的影响；(3)聚集态的影响；(4)宏观结构的影响。在各个层次的结构与性能关系上，经典案例比比皆是，例如聚丙烯酸带有大量羧基，能够与三价铝离子形成络合，从而能够构成自修复水凝胶[13]。通过案例法教学，在《功能高分子》第一课就能够引导同学们运用高分子物理基本原理去分析不同类型功能高分子的结构与性能关系。

其次，在讲述每大类功能高分子的过程中，列举1～2个具体实例，结合材料性能特点说明结构与性能关系。依据功能高分子材料的功能分类，大致可以将功能高分子分为：吸附与分离功能高分子、光学功能高分子、导电高分子、形状记忆高分子、生物医用功能高分子和仿生功能高分子等。在授课过程中，通过具体实例能够充分说明功能高分子的结构与性能关系。

第三，既要从教材中寻找经典案例，也要从最新文献中寻找合适的案例。优秀的功能高分子教材近年来不断涌现[14-17]，其中都列举了大量的实例，是上课过程中必不可少的经典案例。通过对经典案例的剖析，能够使学生快速把握功能高分子的结构与性能关系要点。由于功能高分子的研究是高分子科学领域的热点，优秀的学术论文不断涌现。因此，还十分有必要在《功能高分子》课程教学过程中引入最新的研究成果，分析结构与性能关系，加深学生对相关原理的理解。在我们的教学过程中，经典案例在第一个模块，教师分类别讲述功能高分子的结构与性能关系中运用；而最新案例在第二个模块，学生读文献、做报告、课堂讨论过程中运用。

3.2.2 启发式教学

为了培养具有创新思维的新时代人才，启发式教学必不可少。通过启发学生思考教学案例中功能高分子的结构与性能关系，达到训练创新思维、培养突破性思考能力的目的。设问和提问，是启发式教学的两种常见形式。由于《功能高分子》课程具有知识领域广泛、学科交叉明显的特点，因而十分便于设置问题。设问与提问一方面活跃了课堂气氛，另一方面也有效地提升了学习积极性。

在关键点上设置问题对于《功能高分子》课程教学十分重要，比如要实现某种功能，高分子应当具有怎样的分子结构？为什么这样一种组装结构能够实现特定的功能？要多问几个“为什么”。设问后，不用急于给出答案，而是通过提示，来引导同学们积极思考，进一步提升学习效果。提问，并非简单地随机选择学生，而是有意识地选择那些已经有了初步思考结果的学生，或者鼓励那些稍许腼腆的学生来回答问题。教师是教学过程的主导者，也是知识殿堂的引路人。因此，教师必须要在教学过程中熟练运用启发式教学。

3.2.3 研讨式教学

研讨式教学是《功能高分子》课程中另一个必不可少的教学方式[18]。所谓研讨，是师生一同研究与讨论。在学生报告模块，一般按照每小组4-5人的规模对全体学生进行分组，每小组负责汇报一篇近两年内发表的高水平SCI论文。在学生报告后，留下充裕的时间给其他小组的同学和任课老师来提问，共同探讨报告中有关结构与性能的关系的问题。这里的提问，就不再是以教师为主导，而是以广大的学生为主导。每位提问的学生都能从不同的视角和不同的结构层次去提出有关功能高分子结构与性能关系的问题。甚至，还能从中发现报告论文中的不足之处。不仅能加深学生对高分子物理原理在设计新结构功能高分子中作用的理解，而且还能提升学生的学术鉴赏力。研讨式教学有着非常重要的意义。

在研讨式教学过程中，教师的作用在于适时引导和及时纠正。被提问的学生报告人有可能较好地回答问题，也有可能只能部分地回答问题或者不能准确回答问题。这时候就需要教师及时出面，引导全体同学思考，共同回答。

3.2.4 课上课下混合式教学

功能高分子课程不仅内容多、范围广，而且前沿性强、理论深度大，因此有限的课时不能满足高质量的授课要求。课上课下混合式教学是一个非常理想的解决途径。所谓课上，是在教师讲授模块中，由教师提纲挈领地对功能高分子的结构与性能原理进行讲述；所谓课下，是在学生报告模块，由学生自主阅读文献，自主思考，自主归纳总结，完成报告。课下教学还有另一层含义，是指教师与学生通过课程QQ群互动、研讨。

目前，课上课下混合式教学将逐步发展为线上线下混合式金课。其主要特点是把记忆、理解、事实性、概念性知识的低阶学习放在课前的线上学习，线下课堂教学重在引导学生进行应用、分析、评价和创造类的高阶认知训练，实现高阶性教学目标。线上线下混合式金课十分适用于《功能高分子》课程教学。

3.3 考核方式

3.3.1 提出有效问题

如果学生在学习过程中能够提出有效问题，就反映了他们对课程内容进行了思考。这里，有效问题是指那些并非显而易见的问题，而是需要经过适当思考后才能回答的问题。在教师讲授模块和学生报告模块，我们都非常鼓励学生提问。每人至少提出一个有效问题，并以此为依据作为基准评定成绩，提问多的同学有加分。

3.3.2 学生报告

学生报告用文献由教师从高水平期刊选取，选择那些发表在近1～2年内的最新文献。文献通过竞标方式分发，由学生自发报名选择文献后联系同学成立小组。学生报告由小组集体完成，小组成员分别完成阅读、翻译、制作PPT和报告。报告人通常为竞标人和小组长。由于需要协调组织并且需要对报告内容有全面和深入的理解，因此报告人有加分项。学生报告结束，会有提问环节，报告人与小组成员共同回答问题。

3.3.3 开卷考试

功能高分子课程设置的意义在于开拓视野、引发思考、提高能力，因此考试形式不用拘泥于传统的闭卷方式。通过开卷考试，设计开放性思考题，提高学生对科学原理理解和运用的能力。考试内容一般由两部分组成，第一部分为基础问题，考察学生对教师授课内容和学生报告中有关结构与性能基本原理的理解程度，占比85%左右；第二部分为提高问题，考察学生对基本原理的运用能力，占比15%左右。

4 结论与展望

功能高分子课程是一门建立在高分子化学、高分子物理课程基础上的专业选修课，教学内容集中体现了对于高分子科学原理的运用，学习功能高分子课程是学生走向科研之路的起点。因此，它既是一个汇集点，也是一个发散点。要想上好这门课，需要教师从两个方面持续努力：第一，要在功能高分子研究上不断创新，做出高水平的研究工作；第二，要在教学过程中不断思考，持续修订教学内容，并结合新技术，比如雨课堂，改进教学方法。在点滴间传递科学的思想，让自己化作一根火柴去点燃学生心中的智慧之火。