形象化教学法在“聚合物改性原理”中的应用

王 平,周意杨,刘文秀,曹 田,丁运生,刘 瑾

(1.安徽建筑大学 材料与化学工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽省先进建筑材料国际联合研究中心,安徽 合肥 230601;3.合肥工业大学 化学与化工学院,安徽 合肥 230009)

通过特定方法向聚合物中引入异相聚合物、有机小分子、无机填料等物质,或直接在聚合物分子链中引入特定官能团等,可在满足较高经济效益的基础上实现聚合物的高性能化,并有望赋予聚合物特殊功能,是高效开发新型高性能聚合物材料、拓展其应用领域的重要手段[1-2]。熟练掌握聚合物改性的各类知识点,是该领域人才应具备的重要基本能力。

教师通过有效的教学手段调动学生的主观能动性,使学生迅速建立起对聚合物改性复杂知识体系的初步认识,激发学生的学习兴趣,是保证学生主动且高效地理解聚合物改性领域各阶段知识点、构筑符合自身学情的知识网络结构、形成特定概念群的重要基础。尤为重要的是,通过培养学生的上述能力,可向社会输送大量聚合物改性领域相关人才,促进我国聚合物领域相关产业的健康发展。

然而,作为高分子材料专业的必修课,“聚合物改性原理”与“高分子化学”“高分子物理”等课程存在承上启下的关系,学生如果没有充分掌握上述两门专业基础课程的知识,学习“聚合物改性原理”的过程中就极易出现知识断层的现象。另外,“聚合物改性原理”中的系列重要理论还需要“聚合物成型加工基础”“高分子材料助剂”和“材料研究方法”等课程的知识点作为支撑[3-4]。在当前“聚合物改性原理”教学过程中,学生普遍存在对课程知识点缺乏感性认识、无法建立完整“聚合物改性原理”知识体系架构的问题,导致学习效率较低,严重影响学习兴趣,甚至产生畏难的情绪。因此,如何解决这些问题,使学生能够快速建立对“聚合物改性原理”核心知识点的理性认识,激发其学习兴趣,充分发挥其主观能动性,对于新时期聚合物改性人才的培养具有重要意义。

针对上述问题,授课教师可以采用形象化的教学方法,将抽象的概念与生活中常见的事物相联系,首先使学生产生容易接受的感性认识,降低学生对“聚合物改性原理”核心知识点的认知门槛,并由此提高学生的学习积极性,使其乐于参与教学过程,达到“寓教于乐”“事半功倍”的效果[5-6]。更为重要的是,通过该方法可明显提高学生对“聚合物改性原理”课程的兴趣,使得学生通过对课程整体知识架构的掌握及对聚合物改性领域最新发展现状的了解,将对课程的感性认识上升至理性认识;使得学生在学习后能够正确使用聚合物改性的基本研究方法、科学理解聚合物材料基本理论和应用性能的关系,养成理论与实践相结合的科学态度,能够探索高分子材料改性的配方设计、加工制备及工程应用,分析“全生命周期”成本管理;同时,使其树立正确的聚合物改性观,并培养其创新能力和探索精神。

1 融入日常生活的形象化教学在“聚合物改性原理”中的应用

教师可以以“聚合物改性原理”中的重要章节“聚合物的共混改性”作为范例,考察形象化教学在“聚合物改性原理”中的应用。在教学过程中,教师首先讲述聚合物共混改性的基本概念,强调组成共混体系聚合物的种类、结构等发生改变时,体系中各相聚合物之间的相容性及相互作用力也随之发生改变,进而导致共混材料的宏观性能发生明显变化。而如何在对不同聚合物结构和性能全面理解的基础上正确选用合适的材料,并通过特定方法改变共混体系中各组分间的相互作用力,达到对共混材料结构与宏观性能的高效调控,实现共混材料的高性能化,是目前的科学研究和工业开发的热点和重点。

由于所涉及知识点较为抽象,学生认知难度相对偏高。针对该现象,授课教师可以首先将聚合物共混材料与现实生活中的实例进行类比,提出最为普通的“家常小菜的制作”的问题,吸引学生眼球,尽可能从心理上消除其畏难情绪。教学过程中,授课教师向学生提出问题:“一道小炒的食材组成可以选择哪些?肉类和素菜种类的选择对菜品的口感有何影响”(共混物中各相聚合物种类的选择),“若将烹饪方式从爆炒改为凉拌,或是同样的食材,由不同的人去烹饪,菜品的口感是否会存在显著差异?”(共混工艺选择),“添加不同的调味品将对菜的口感造成什么影响?”(增容剂等功能性助剂选择),“是否能在不明显改变菜品口感的前提下,选用较为经济实惠的食材进行烹饪?”(成本管理)等,巧妙地将源于日常生活的意象与课程结合。这样学生极易产生如下联想:选用不同的肉类与素菜进行混合烹饪,菜品的味道将千差万别,若选择得当,几种食材之间的口感优势可发生结合,菜品味道较为理想;但如果几种食材选择不当,菜品口感较差。共混材料亦然,若共混体系中各相聚合物种类选择得当,则共混材料的宏观性能较为优异,但如果选择不当,则可能导致各相聚合物间的相互作用力较弱,材料宏观性能较差。通过上述联想,学生将对聚合物共混改性形成感性认识,并产生浓厚的兴趣[7-8],并以此为基础,在教师的正确引导下,迅速形成对聚合物共混改性概念、方法及目的等知识点的概念群,对于复杂晦涩的聚合物改性原理知识体系将不再产生畏难情绪,学习效果得到明显改善。

在此基础上,授课教师展示相关示意图(图1),以强化学生对相关概念的认识。

图1 共混改性中各要素与生活中常见意象的对应关系

通过选取不同的食材、调味品等,采取不同的烹饪方式,可烹饪出味道迥异的多道菜肴。若食材与调味品选择得当,烹饪方式适当,可烹饪出兼具所选食材特点的菜品,甚至所烹饪出的菜品的综合口感远胜所选的几种食材单独作为一道菜时的口感。通过在学生脑海里形成上述感性认识并加以引导,使学生充分认识到聚合物共混改性的实质为:不同结构、在特定方面性能较为优异的聚合物,在特定温度、剪切速率等加工条件下,相互间充分混合,并形成新的材料,若几种聚合物基体及增容剂等选择得当,共混工艺适当,所制得材料的综合性能将明显优于聚合物基体。相对于传统的讲解方式,通过将知识点形象化,不仅可降低学生的认知难度,激发其学习兴趣,提高其学习积极性,更重要之处在于,学生形成兴趣后,其主观能动性可明显增强,并能够在汲取知识的过程中举一反三。

在学生掌握课程基本知识的基础上,授课教师进一步结合自身的科研成果,通过“看得见、摸得着”的实验样品强化学生的知识结构。如在聚合物相容性知识板块,授课教师以环境友好高分子材料聚乳酸(PLA)为例,为解决PLA的脆性通过聚己内酯(PCL)对其进行增韧,但PLA和PCL的相容性较差,因此在共混体系中添加了离子液体(ILs)作为界面增容剂,制得了PLA/PCL/ILs共混材料,并在课堂教学中请学生现场手动检测ILs添加前后的PLA/PCL共混物样品的耐弯曲性能。并以此为基础进一步分析ILs的引入对材料性能影响的机理,同时呈现示意图(图2),帮助学生理解。

图2 ILs对PLA/PCL共混材料结构调控机制的示意图

由于PLA的脆性较为明显,且PLA与PCL界面粘结力较弱,PCL的引入无法明显改善PLA的韧性,学生可较为轻易地折断不含ILs的PLA/PCL共混物样品,但由于ILs对PLA/PCL界面结构及相形态具有较强调控作用,共混物的韧性显著提高, PLA/PCL/ILs样品的折断难度明显增加。在示意图中,授课教师将PLA、PCL比作“食材”,离子液体比作“调味品”,经离子液体改性后,共混材料耐弯曲性能的提高比作“菜品口感的改善”,以此降低学生的理解难度。在确保学生对该体系产生一定兴趣的基础上,授课教师进一步向学生讲述“共混物界面”“分子链相互作用”等知识点,并观察到,学生在目睹两种样品的巨大性能差异后,对课程具有较高的学习热情,对每一个细节问题均要刨根问底,求知欲极强,学习效果较为理想。通过上述方式,使学生在了解聚合物共混改性知识体系大致结构的前提下,充分感受到其科研魅力,由此可进一步加强学生的主观能动性,提高其学习效率,并极大程度地巩固了其对聚合物改性领域的兴趣,同时培养其科研和工程化的意识。

2 教学效果

在形成感性认识后,学生对课程的参与兴趣明显提高,学习相关知识的主动性显著增强,同时,通过该课程的开展,学生还掌握了类推的能力,部分学生将菜肴自身的特点归结为“热力学因素”,而厨师的手艺归结为“动力学因素”,并认为,两种食材,若“热力学因素”匹配程度过低,“动力学因素”调控得再好,所烹饪出的菜肴也难有好的口感。材料亦然,若两种热力学相容性过差的聚合物,仅通过共混温度、剪切速率、剪切强度等动力学手段调控,难以得到性能优异的共混材料。在产生上述联想的过程中,学生对“聚合物改性原理知识点”的认识不断深化,主观能动性得到提高。

为检验“聚合物改性原理课程”形象化教学的教学效果,学校教师发展中心调查了该课程的“学评教”情况,如表1所示。通过81位学生对课程的打分情况来看,学生对于形象化教学法的认可度及接受度均较高;特别是在平时的教学活动中,学生向授课教师询问有关聚合物改性领域硕士研究生的报考情况及相关课题研究进展的情况明显增多,并直言是学习了该课程后产生了对聚合物改性领域的兴趣。上述现象证明了形象化教学方法在“聚合物改性原理”授课过程中的必要性。

表1 81位学生采用形象化教学法的评价情况

3 结语

通过将“聚合物改性原理”中晦涩抽象的知识点类比为生活中常见事物,辅以启发式的教学方式,充分引导学生的主观能动性,可达到破除其畏难心理、激发其学习欲及探知欲的效果,为加深学生对高分子领域知识的理解、提高其创新能力奠定了坚实基础。同时,课程的开展有望使学生充分审视自身对聚合物改性领域的兴趣,在保证其能力得到充分锻炼的基础上,掌握聚合物的一般改性方法和原理,树立正确的聚合物改性观,为其将来的择业和发展提供一定的理论基础。