基于情境教學(xué)的高分子化學(xué)思政課堂探索

尹守春 黃陳辰

摘 ?要：將思政元素充分融入高分子化學(xué)課程中，可發(fā)揮專業(yè)基礎(chǔ)課程在“立德樹人”方面的重要作用。以聚合物的化學(xué)反應(yīng)章節(jié)為例，將塑料垃圾的處理作為情境進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，構(gòu)建以聚合物的化學(xué)反應(yīng)知識為主體，以塑料垃圾的處理方法、綠色化學(xué)的思想、當(dāng)前科技研究的前沿內(nèi)容等元素為主導(dǎo)的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：高分子化學(xué);課程思政;情境教學(xué);聚合物的化學(xué)反應(yīng);綠色化學(xué)

中圖分類號：G641 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）18-0174-04

Abstract： Professional basic courses can play an important role in "establishing moral integrity in cultivation" by fully integrating ideological and political elements into polymer chemistry courses. Taking the chapter of the chemical reaction of polymers as an example， this paper takes the treatment of plastic waste as the teaching situation for teaching design， the chemical reaction knowledge of polymers as the main body， and the treatment methods of plastic waste， the discipline thoughts of green chemistry and the cutting-edge contents of scientific and technological research as teaching ideas.

Keywords： polymer chemistry; the ideological and political education in all courses; situational teaching; chemical reaction of polymers; green chemistry

“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”，2016年，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議發(fā)表重要講話。[1]為了深化教育改革，發(fā)揮好課程的育人作用，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，高校必須要做好政治思想工作。2020年5月28日教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[2]，提出推進(jìn)高校思政建設(shè)是落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略措施。全面推進(jìn)課程思政建設(shè)，就是要寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。如何在講授專業(yè)知識的同時融入思政元素，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，是專業(yè)課建設(shè)和發(fā)展重點(diǎn)考慮的問題。

高分子化學(xué)是一門發(fā)展迅速的新興學(xué)科，具有理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)。高分子化學(xué)是研究高分子聚合物的結(jié)構(gòu)、特征、合成方法的課程，是高分子專業(yè)的核心課程[3]。如何將課程思政元素有效地融入到高分子化學(xué)課程的教學(xué)過程，以達(dá)到價值引導(dǎo)、能力培養(yǎng)和知識傳授有機(jī)融合[4]，值得專任教師長期的探索和實踐。

運(yùn)用情境教學(xué)法創(chuàng)設(shè)與教學(xué)相關(guān)的場景，可以提高學(xué)生的情感體驗，激發(fā)學(xué)生的積極性，進(jìn)而提高學(xué)生的參與度。以塑料垃圾組成的“第八大陸”作為背景，引發(fā)學(xué)生對人與自然的思考，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)的學(xué)科思想。

一、設(shè)置教學(xué)目標(biāo)

我們從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個層面設(shè)置教學(xué)目標(biāo)。

（一）知識與技能

1. 理解聚合物的化學(xué)反應(yīng)特性和影響因素。

2. 掌握重要的相似轉(zhuǎn)變、聚合度變大、聚合度變小的反應(yīng)。

（二）過程與方法

1. 通過高分子的結(jié)構(gòu)特征引導(dǎo)學(xué)生掌握高分子反應(yīng)的特性和影響因素，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)特性的思維方法。

2. 以“如何避免光敏材料在使用過程降解”為切入點(diǎn)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3. 利用課外閱讀、查找資料和PPT匯報等多種形式分享目前國內(nèi)外可降解塑料的研究進(jìn)展，提高學(xué)生歸納總結(jié)和現(xiàn)場表達(dá)等綜合能力。

（三）情感態(tài)度與價值觀

1. 通過廢棄塑料垃圾的回收處理再利用，鞏固學(xué)生綠色化學(xué)的思想和“創(chuàng)新、綠色、環(huán)保”為宗旨的高分子可持續(xù)發(fā)展觀。

2. 通過了解我國目前的科研進(jìn)展和企業(yè)成果，增強(qiáng)學(xué)生對我國化學(xué)工業(yè)的自信心與自豪感，增強(qiáng)學(xué)生科技強(qiáng)國的意識。

3.通過了解徐僖先生的故事，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷，學(xué)習(xí)徐僖先生艱苦奮斗、開拓創(chuàng)新的科研精神。

二、設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

（一）塑料垃圾組成“第八大陸”——課程導(dǎo)入

1. 教學(xué)設(shè)計

幾百年來，海員和漁夫們從來不會去的一塊區(qū)域——第八大陸，也稱為“海洋中的沙漠”（圖1），這是在太平洋上一片由塑料垃圾組成的“島嶼”，我國“深海勇士”潛水器在海底2 000 m竟然也發(fā)現(xiàn)了大量的塑料垃圾，垃圾污染已然成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。針對這些廢棄的高分子材料，如何進(jìn)行有效的處理以減少對環(huán)境的污染呢？目前有兩種具有前景的解決方案：一是廢舊塑料的回收利用;二是可降解高分子的設(shè)計。

廢棄塑料的回收利用主要包括物質(zhì)回收和能量回收兩大類。能量回收，即燃燒回收熱能。物質(zhì)回收則可細(xì)分為物理回收和化學(xué)回收。其中，物理回收在不改變塑料的化學(xué)組成的同時，只需通過簡單的熔融加工即可制備再生塑料制品（俗稱“舊料”）。這種方法由于工藝簡單、成本低廉，是目前廢棄塑料的主要回收技術(shù)。化學(xué)回收則是指利用各種塑料-塑料的再聚合技術(shù)以及塑料制燃料技術(shù)，將塑料轉(zhuǎn)變成液體或氣體后，再來制造新的塑料。

圖1 第八大陸

2. 教學(xué)思路

塑料是以單體為原料通過聚合反應(yīng)得到的高分子化合物，而塑料垃圾是一個與我們生活密切相關(guān)的話題。以塑料垃圾在海洋中的堆積作為導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，觸目驚心的同時也發(fā)人深省，激發(fā)學(xué)生的興趣，引起學(xué)生對科技發(fā)展與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的思考[5]。同時，“熱解”“溶劑分解”和“解聚”等術(shù)語也用于指代塑料垃圾化學(xué)回收的不同技術(shù)。通過塑料的回收技術(shù)來學(xué)習(xí)聚合物的一些基本知識和概念，并由此衍生出許多聚合物的化學(xué)反應(yīng)。

（二）塑料垃圾回收利用的困難——總體把握

1. 教學(xué)設(shè)計

研究塑料垃圾的回收利用，首先要明確研究目標(biāo)對象。日常生活中使用的絕大多數(shù)塑料制品都由一小部分化學(xué)結(jié)構(gòu)相對簡單的“單體”形成的高分子聚合物。這些聚合物幾乎和斯陶丁格的分子鏈結(jié)構(gòu)理論一樣古老。雖然說單體是“古老的”，但是人們常常通過控制高分子分子量、高分子鏈拓?fù)鋵W(xué)、高分子結(jié)構(gòu)序列等方法來改變材料的熱、機(jī)械和其他重要特性，從而得到新的性能優(yōu)異的高分子材料。因此，研究塑料垃圾的回收利用，其實也就是研究高分子材料的化學(xué)反應(yīng)。

其次，要了解高分子化學(xué)反應(yīng)的分類。根據(jù)聚合度的變化可將高分子化學(xué)反應(yīng)分為聚合度基本不變的反應(yīng)、聚合度變小的反應(yīng)和聚合度變大的反應(yīng)。采用裂解技術(shù)將廢棄塑料降級回收為可再次使用的燃料（汽油、柴油等）或化工原料（乙烯、丙烯等）屬于降解，其包括熱降解、力化學(xué)降解、化學(xué)降解和生物降解等。如果降解后的產(chǎn)物多為單體，則稱之為解聚。

最后，導(dǎo)出為什么塑料垃圾回收利用如此困難。這就要研究塑料高分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即具體講解高分子特有的結(jié)構(gòu)使得聚合物的化學(xué)反應(yīng)具有速率低、反應(yīng)復(fù)雜、反應(yīng)不完全等特點(diǎn)，并進(jìn)一步介紹基團(tuán)轉(zhuǎn)換率的概念以及反應(yīng)活性的影響因素。

2. 教學(xué)思路

結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)特性，高分子特有的化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致塑料垃圾化學(xué)回收困難。引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，并結(jié)合已學(xué)過的基礎(chǔ)專業(yè)知識提出解決問題的方案。將聚合物的化學(xué)反應(yīng)章節(jié)內(nèi)容不著痕跡地帶入此過程，使得學(xué)生在思考問題的過程中對高分子的化學(xué)反應(yīng)有一個框架的了解（圖2），促進(jìn)其在掌握專業(yè)知識的同時提高解決實踐問題的能力。

（三）塑料垃圾降解回收和再次利用——深入學(xué)習(xí)

1. 教學(xué)設(shè)計

高分子材料常會出現(xiàn)因熱的作用發(fā)生降解的現(xiàn)象，其熱穩(wěn)定性與高分子結(jié)構(gòu)有很大關(guān)聯(lián)。在受熱時，高分子主鏈上的任一部位都可能發(fā)生斷裂，導(dǎo)致分子量迅速降低。由于高分子結(jié)構(gòu)的不同，高分子裂解成單體的難易程度有很大的不同。例如聚異丁烯等主鏈帶有季碳原子的高分子易發(fā)生解聚，而聚乙烯幾乎無單體產(chǎn)生。熱降解的應(yīng)用范圍不僅僅局限于回收單體，還可以制備芳烴類等化合物。如Miandad等人在450℃下催化熱解混合廢塑料制備芳烴[6]。由此在傳授熱降解知識的同時可以講述熱穩(wěn)定性的研究方法和聚合物的熱降解行為。

力化學(xué)降解被看作由力學(xué)應(yīng)力誘發(fā)的分子斷裂。這些應(yīng)力可能是剪切應(yīng)力或拉伸應(yīng)力，或這兩種的組合。當(dāng)作用力大于鍵能時，材料結(jié)構(gòu)的價鍵就會產(chǎn)生斷裂。經(jīng)常被用來制作各種一次性泡沫飯盒的聚苯乙烯就可以通過力化學(xué)降解。

光降解是受陽光尤其是紫外線照射發(fā)生降解。整個光降解過程是光降解和自由基斷裂氧化反應(yīng)的結(jié)合，稱為Norrish反應(yīng)[7]。例如常見的可見光裂解物質(zhì)有鄰硝基芐酯（ONB）及其衍生物、truxillic酸衍生物（TRA）等，這些基團(tuán)可以在特定波長下的照射下降解。光可降解高分子材料在使用過程中，由于易于發(fā)生的光降解行為，而會影響到高分子材料的正常使用。因此，為了延緩使用過程中的光降解行為，在光可降解高分子材料中需要加入一定量的光穩(wěn)定劑。在這里，從提高材料穩(wěn)定性和使用壽命角度展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考光穩(wěn)定劑可以從哪些角度延緩或是防止光降解。同時，正是由于光降解高分子材料的光降解特性限制了其大規(guī)模使用，生物降解塑料[8]。

生物降解是指在自然條件下通過真菌、細(xì)菌等微生物和酶的作用而導(dǎo)致的高分子材料降解。常見的可生物降解的合成高分子主要有聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、聚乙烯醇（PVA）等。以淀粉為基礎(chǔ)，通過添加交聯(lián)劑和嫁接支鏈等改性處理可得到淀粉基生化合成塑料。這些塑料可以通過生物降解的方式減少對環(huán)境的破壞。

廢棄塑料除了還原成油品、單體和化學(xué)原料，還可改性加工成高科技復(fù)合材料、人造木材等。通過接枝、共聚、交聯(lián)等聚合度變大的方式，或者采用氯化等化學(xué)手段引入新的具有一定功能的官能團(tuán)或者將官能團(tuán)進(jìn)行相似轉(zhuǎn)變，從而對聚合物進(jìn)行化學(xué)改性和功能化，使得廢舊塑料獲得優(yōu)良的性能。由此可以具體講述一些重要的相似轉(zhuǎn)變反應(yīng)。例如以二烯烴為基礎(chǔ)的橡膠。由于分子鏈中存在雙鍵，具有易氧化和老化的特性，通過加氫成飽和橡膠或是氯化則可以使其玻璃化溫度和結(jié)晶度有所改變。聚苯乙烯由于側(cè)鏈上具有多活性位點(diǎn)的苯環(huán)，可以通過一系列的化學(xué)改性獲得各種產(chǎn)物。如通過與液溴反應(yīng)制得溴化聚苯乙烯制的阻燃劑;用順丁烯二酸酐接枝改性、酚醛樹脂共混改性和乳化后制得乳液型膠粘劑。

2. 教學(xué)思路

以塑料垃圾降解回收和再次利用的方法為主線，講解高分子材料幾種重要的降解方法和改性利用的方法;由塑料垃圾的處理出發(fā)講解聚合物的幾種重要的化學(xué)反應(yīng)（圖3），充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。在講述“光降解”的同時，從核心素養(yǎng)發(fā)展的角度引導(dǎo)學(xué)生思考如何避免光敏材料在使用過程中降解的問題，深化“實踐是認(rèn)識的目的，學(xué)習(xí)掌握知識，是為了更好地指導(dǎo)實踐”的認(rèn)識，培育學(xué)生思考問題和解決問題能力。在整體知識傳授的同時展示高分子科學(xué)與高分子材料領(lǐng)域近年來的研究成果和發(fā)展趨勢，將“創(chuàng)新、綠色、環(huán)保”為宗旨的高分子可持續(xù)發(fā)展觀潛移默化地融入教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生及時關(guān)注相關(guān)專業(yè)前沿研究動態(tài)和進(jìn)展，緊跟時代潮流、與時俱進(jìn)。

（四）可降解塑料垃圾設(shè)計——思維拓展

既然可以通過化學(xué)反應(yīng)的思路降解塑料垃圾，那也可以通過化學(xué)反應(yīng)的思路設(shè)計可降解塑料。引導(dǎo)學(xué)生思考可降解塑料的設(shè)計，讓學(xué)生自行查閱資料、分享匯報目前可降解塑料的研究進(jìn)展，聯(lián)系課本前幾章的基礎(chǔ)知識對某一可降解塑料的合成方法進(jìn)行學(xué)習(xí)整理歸納，在思維拓展的同時鞏固前面章節(jié)的知識內(nèi)容。與此同時，教師可以通過學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評估，評價其“理論聯(lián)系實際”“運(yùn)用所學(xué)解決問題”的能力和課堂思維參與度。

三、補(bǔ)充材料

（一）我國部分產(chǎn)業(yè)化的塑料垃圾回收技術(shù)以及實

驗室研究進(jìn)展

變廢為寶、循環(huán)利用是朝陽產(chǎn)業(yè)，垃圾是放錯位置的資源，把垃圾資源化，化腐朽為神奇，既科學(xué)，也是藝術(shù)。目前處理塑料的綠色高值化解決方案不斷持續(xù)創(chuàng)新。例如北京福海藍(lán)天公司研究開發(fā)了廢棄塑料熱裂解“柔性油化技術(shù)”，這項技術(shù)相比國際同類“油化”技術(shù)更加綠色環(huán)保，更具有商業(yè)價值，既能避免二次污染，具有顯著的可持續(xù)發(fā)展的綠色社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。除了已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)化生成的方法，科研人員還在不斷研究更高效、成本更低、適用范圍更廣的的塑料處理方法。如中國航天科工集團(tuán)公司二院23所已經(jīng)研制出利用微波技術(shù)裂解垃圾的裝置[9]。

人心齊泰山移，通過對我國目前的科研進(jìn)展和企業(yè)成功的展示，增強(qiáng)學(xué)生對我國化學(xué)工業(yè)的自信心與自豪感，增強(qiáng)學(xué)生對“綠色”“創(chuàng)新”發(fā)展理念的理解，增強(qiáng)學(xué)生科技強(qiáng)國的意識，鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識，為國家的建設(shè)添磚加瓦。

（二）“中國塑料之父”——徐僖

徐僖先生是我國高分子材料事業(yè)的奠基人[10]。徐僖先生在祖國石油缺乏、石油化工一片空白的背景下，他別開蹊徑，放棄傳統(tǒng)以石油為原料制備塑料的方法，通過數(shù)年堅持不懈地努力成功開發(fā)五棓子塑料，并創(chuàng)建了我國第一家塑料廠。后來徐僖先生將全部精力投入我國高分子材料的建設(shè)和教學(xué)工作，他創(chuàng)建了我國第一個塑料專業(yè)，并撰寫了我國第一本高分子專業(yè)教科書。

徐僖先生的事跡充分體現(xiàn)了以愛國主義為核心的民族精神，結(jié)合徐僖先生的事跡激發(fā)學(xué)生的家國情懷，鼓勵學(xué)生勤于思考、不斷探索。

四、結(jié)束語

20世紀(jì)以來，高分子材料迅速發(fā)展，如今高分子材料已經(jīng)是材料科學(xué)發(fā)展研究的重要領(lǐng)域。高分子塑料作為我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的高分子材料，是教學(xué)的重要素材。源于這些真實素材情境，通過學(xué)科化地處理，表現(xiàn)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生“運(yùn)用所學(xué)解決問題”的能力。通過將思政課程和專業(yè)課程相結(jié)合，將課本知識教學(xué)與實際生活緊密結(jié)合[11]，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生不斷鉆研，開拓創(chuàng)新。

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