基于应用型人才培养的高分子化学案例教学实践活动

张妍，张世国

(湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

近年来，随着社会的快速发展和科技的不断进步，高分子化学作为一门重要的学科，对于推动材料科学、能源开发、生物医学等众多领域的发展具有重要作用。然而，传统的高分子化学教学往往注重理论知识的传授，忽视了学生的实践能力和创新思维的培养，难以满足社会对高分子化学应用型人才的需求[1-3]。基于应用型人才培养的教学方法强调学生的主动参与和实践能力的培养，有利于通过将理论知识与实际问题相结合，帮助学生理解高分子化学的基本原理和应用，培养学生的实验操作能力、科学研究能力和创新思维，培养学生解决实际问题的能力，提高学生的综合素质。

然而，目前对于基于应用型人才培养的高分子化学案例教学实践的研究还相对较少。因此，有必要进行相关研究，探索如何将应用型人才培养的教学方法应用于高分子化学教学中，并评估其对学生实践能力和创新思维的影响。

1 案例型教学

1.1 案例来源及积累

案例教学通常来源于生活用品或经典案例，例如生活中常见的“免钉胶”“微波专用饭盒”“装饰画”“车载内饰”“仿真皮衣”“建筑工棚的箱式板房”“醋酸缎面衣服”“儿童变色衣服”以及“光敏胶”等。在2020 年新冠疫情爆发之际，防止病毒扩散蔓延并彻底消灭病毒的最佳办法是隔断传染，口罩可以阻隔呼吸道飞沫传播。口罩中最重要的功能材料是中间层PP 熔喷无纺布(M层)，它的基础材质就是常说的四大塑料之一的聚丙烯(PP)，它也是可用于制作微波炉内加热器皿的热塑性材料，无毒、耐高温。另外一种日常使用的塑料聚乙烯(PE)，可以作为食物保鲜膜。那么问题就来了，这两种材料是如何合成的？合成机理是什么？谁为此作出了重大贡献，因此获得了诺贝尔化学奖？此外，发生火灾后发现电源插座盒除了变黑，发现并没有变形，这属于热固性材料还是热塑性材料？经常看到回收矿泉水瓶和饮料瓶，又属于哪一类热塑性材料？高分子材料已经渗透到生活的各个方面，在日常生活中收集和积累相关问题，可以根据案例所涉及的问题和解决途径进行分类，建立案例库[4]，有助于帮助学生更深入地理解书本知识。

1.2 案例选择

在教学活动中，选择适当的案例是确保教学顺利进行的前提。这些案例应该能够融合学生所学课程的理论基础，同时结合实验室条件和学生的实际情况。综合以上因素，对功能高分子材料教学，可以选用502 胶水、固体胶、免钉胶等作为教学案例。该案例内容包括了功能高分子材料的理解以及如何在生活中应用进行扩展等内容。人们对“胶水”这个词不陌生，其实就是胶黏剂。在我国3 000 年前的夏商周时期，人们用泥浆、石灰、黏土、糯米等原料得到天然胶黏剂，但这种胶黏剂对黏附基材普适性差。1910 年，以酚醛树脂为代表的合成胶黏剂的出现，标志着胶黏剂的发展进入化学品时期，黏结剂在化学合成聚合物中仅次于塑料、橡胶、纤维和涂料。在生活中，常见的胶黏剂包括哥俩好、固体胶以及近年来出现的免钉胶。这些胶黏剂在市场上广泛应用，尤其是免钉胶能够承重大，免去了钻墙打孔的操作。随着科技的不断发展，越来越多的仿生功能被应用于现代技术中。如果仔细观察过海洋中的海龟和鲸鱼，其身上到处都是藤壶、贻贝，这些生物会产生黏附蛋白的黏合剂[5]，有利于其黏附在岩石中。据了解，很多人造黏合剂能够在空气环境下将各材料牢固粘接在一起，然而却无法在水中或海洋环境下使用。

类似这样具有独特功能和行为的案例还有哪些？学生在课后归纳整理，进行案例引入，可以对目前简单应用的高分子材料有更深入的认识。在选择案例时，应该考虑难易程度适当、可操作性强等特点。这样可以兼顾成绩不同的学生，也可以为成绩上游的学生提供挑战空间，激发他们解决问题的积极性。

1.3 案例深入和小组讨论

案例引入是一种教学方法，旨在实现教学目标。该方法的目的是让学生以理解知识问题为核心，围绕这些问题进行思考和讨论，从而深入理解知识的关键点。然而，如果仅仅停留在这个阶段，学生只能掌握表面知识，难以深入理解。下面，仍选取高分子材料胶黏剂为例进行讨论。

胶黏剂是一类非常常见的以合成聚合物为基础材料制作的化学品，其种类与化学特性与塑料、橡胶、纤维和涂料等传统意义上的聚合物既有相同性也有差异性。在我国，胶黏剂的产量占全球市场的1/3。针对“胶黏剂的种类”，指导老师可以提出一系列问题，例如“在日常生活中，有哪些物品属于胶黏剂”通过这些问题，可以引发学生的兴趣和关注，促使他们自主进行查阅。通过学生的调查可以发现，胶黏剂可以应用在很多领域，例如黏鞋胶、固体胶、免钉胶、家具颗粒板黏合胶、伤口黏合剂、牙科补牙硬组织胶黏剂、密封胶等。为了更加深入地理解胶黏剂，可以将参与调查的学生分成三组，扩展调查内容。

第一组调查住宅装修。现在人们普遍都关注新房的装修污染，早期的油漆和家具颗粒板粘合胶存在有害气体甲醛释放的问题隐患，现在三醛胶(酚醛树脂胶黏剂；脲醛树脂胶黏剂；三聚氰胺甲醛树脂胶黏剂)[6]逐渐被生物质基胶黏剂取代。请学生收集一些常用的生物质基胶黏剂，并把它们的原理成分列出来。第二组可调查牙医诊所。牙医在处置牙齿缺损的时候会使用一种光敏胶，请学生调查目前可以使用的生物质基医用无毒胶黏剂有哪些[6]，各有什么用途。第三组可调查免钉胶(又称液体钉)[7]的使用。这种建筑用胶黏剂可以代替钉子，实现无钉孔黏接。免钉胶具有固化速度快、粘接强度高、被广泛应用于装饰装修、家具制造、工艺品制作等行业，请同学们把它们的合成方法列出来。

在学生查阅资料一周后，每个小组负责一种材料的整理工作，包括物理性质、特性、合成方法及用途等方面内容。在课堂上，他们可使用自己制作的PPT 进行讲解，内容丰富，图文清楚，便于充分展示同学们的调查分析成果，然后可由教师进行点评。通过方案设计中的讨论，每个小组已经基本掌握了所选材料的性能，同时也让其他小组的同学们学习到了新知识。此外，这种活动还能够培养学生的动手能力和团队合作精神。经过实践证明，案例型教学法在激发学生的探索欲望和提高学生学习兴趣方面发挥了积极的作用。同时，通过分析和解决问题的过程，学生们的综合素质得到逐渐充实和培育。

1.4 案例扩展

将科研项目引入具体的课程教学中是一种新的智能型人才培养途径，也是将书本知识扩展到实际应用的有效方法[8]。在前面的案例中，介绍了许多人造黏合剂，它们能够快速牢固地粘结金属、石头(陶瓷)、玻璃、塑料等材料，具有非常高的粘结强度。然而，大多数品种的黏合剂无法在水中和海洋中使用。在日常生活和生产实践中，不可避免地会遇到有水的环境，而在海洋环境中，船舶和海洋工程也必须面对海水的侵蚀。因此，研发适用于海水中使用的黏合剂势在必行，这对于传统黏合剂学科而言是新兴的和需要重点发展的一个领域。将相关的科研项目融入到该课程的教学中，可以激发学生的学习兴趣，提高他们查阅文献资料的能力，并积极引导他们参与科研活动。通过这种方式，学生可以将理论知识应用于实践中，学会如何解决实际问题。这种方法不仅可以帮助学生掌握知识，还可以培养其创新思维和实践能力。

通过学生对资料查阅，可以了解到科学家已采用“相邻共聚法”，制备了一种阳离子位点与芳香环相邻排列的高分子化合物。该化合物在海水中具有较强的吸附性能，能够牢固地黏附在玻璃等材质上。为了进一步探索其应用潜力，将该化合物交联并固化，得到了一种具有伸缩性的凝胶状黏合剂。这种黏合剂与被粘物(玻璃) 在海水环境中按压5 s 后便能够牢牢粘结。虽然粘结面积不及一元硬币的1/4，但该黏合剂仍可以反复剥离和重新粘结，展现出出色的耐久性和可重复性。通过调研资料，学生可以更深入地了解该高分子化学物的结构、合成方法和应用。

1.5 三个具体案例

作为一名从事高分子化学教学科研工作的教师，将自己的研究成果与课程相结合，可以有效地激发学生的学习兴趣。在此，笔者整理了三个具体的研究案例，介绍给读者。

一是提出了一种聚离子液体胶黏剂的制备方法。以N-乙烯基咪唑为原料逐步进行季铵化反应、自由基聚合反应、阴离子交换反应，最终得到所需的聚离子液体胶黏剂。烷氧基聚离子液体对各种基材如玻璃、陶瓷、不锈钢、铝合金和聚合物等都具有很强的黏附作用。利用聚离子液体与多壁碳纳米管或银纳米纤维等材料间的高相容性，还制备出了光响应型和导电复合胶黏剂。有趣的是，PIL-2-TFSI 胶黏剂表现出了对外界电场独特的可逆响应，在外界电场作用下，宏观黏接强度可提升35%左右。

二是开展一种新型黏结剂的研究。为了解决锂硫电池中硫正极在循环过程中的体积膨胀和多硫化物穿梭等问题，通过聚丙烯酸(PAA) 和小分子乙醇胺(EA)之间的简单中和反应制备了一种低成本的水溶性、3D 交联聚离子液体黏结剂(D-PAA/C-EA)。在PAA 中引入交联剂可以将聚合物从线性分子转化为连续、稳定的三维网络，提升其黏附强度。EA 使PAA去质子化，将-COOH 变为带负电的-COO-，得到聚离子液体黏结剂。由于引入了更多的氢键受体和供体(-NH2和-OH)，增强了分子链的氢键作用，使得聚离子液体中呈现出离子交联和氢键交联的三维网络。因此其粘结强度和Li+传输相较于电中性的PAA 均有显著提高。该研究通过简单的混合即可制备高性能的锂硫电池黏结剂，并且价格低廉，环保，容易量产，对新型电池黏结剂的设计和开发具有重要意义。

三是采用低分子量胶黏剂巧妙规避聚合物胶黏剂原料聚合步骤带来的系列问题。这些问题包括：聚合过程耗时长、聚合物分子量不易控制、单体种类受限、引发剂易残留等。在本工作通过在咪唑阳离子/双三氟甲基磺酰亚胺阴离子型的离子液体三聚体结构中引入脲基，使独立的离子液体单元之间能够通过局部氢键组装形成动态物理交联的三维网络。所得低分子量的离子液体胶黏剂在宏观黏接性能测试中能够表现出极强的黏附性，定量测试表明其剪切强度高达12.20 MPa。并且，将其与碳纳米管结合可以进一步制备出具有一定导电性、自愈合行为和电控黏附性的复合型胶黏剂。

在这些案例教研活动中，采用将理论与实际相结合的教学方法，可以激发学生的科学家意识，让他们认识到通过努力具备改变生活的能力。这种学习过程旨在培养学生积极向上的态度，使他们能够根据个人兴趣自主选择课题，积极参与科研项目和竞赛，并培养他们在未来的学习和工作中发现问题、设计解决方案、实施方案、讨论结果以及扩展问题的能力。

2 走进实验室，培养学生的创新思维

选取一个感观性强、容易操作、易于入门的开放性实验课题，并招募同学参加大学生创新训练项目。该课题仍以胶黏剂为研究对象，重点研究了光响应偶氮苯离子液体的黏附性能调控。在介绍当前研究进展的基础上，培养了学生独立查阅文献资料和设计开展实验的能力。由于合成和纯化是实验的难点，因此在实验过程中，积极引导学生并经常讨论总结，帮助他们克服这些困难。

在进行黏结剂紫外光性能测试时，学生们发现光响应偶氮苯离子液体黏附性能具有可控调节的能力，能够轻松实现黏附和剥离的可控性能，创新训练小组获得了巨大的鼓舞，学生自主整理研究成果并成功申报大学生创新训练项目。小组获得了“国家级大学生创新创业训练计划项目”支持，学生们非常有成就感。这种案例教学改革带着学生走出了传统的“课本—课堂—实验室”的教学模式，提高了现有实验室的开放性，并培养了学生的专业技能和创新意识。

在教学实践中，学校积极推动教师实验室、研究生实验室以及校企联合研发中心的开放，便于带领学生到工厂实习，深入了解社会需求。这种教学机制不仅提高了学生的实践能力和科研水平，也使学生更好地了解社会和行业需求，更好地适应未来的职业生涯。

3 结语

综上所述，基于应用型人才培养的高分子化学案例教学实践活动取得了初步的成功。在以上的案例式教学法实施过程中，学生的学习主动性得到很大提高，他们积极利用周末和暑假积极进入实验室，不断尝试解决问题，最终取得了良好的实验成果。此外，同学们也主动地参与申报科研项目，展示不断提升的科研创新能力，成功激发了同学们的学术探索欲和专业自信心，体验成就感、获得感。在教师的指导下，通过小组合作，学生逐渐掌握解决问题的方法，培养了解决问题的能力，团队协作精神得到了锻炼。这种将案例引入课堂教学，并延伸至实际应用的教学模式，推动了专业教育的不断改进，提升了教育质量，真正体现了“成果导向”和“以学生为中心”的工程教育专业认证理念，有利于高分子应用型人才的培养。