案例教學在高分子化學課程中的探索與實踐

＊薛丹 張笑 史俊 吳亞 趙益霏

（西安石油大學化學化工學院 陜西 710065）

引言

《高分子化學》是高校材料化學類專業(yè)重要的基礎課，是高分子學科的入門課程，該課程主要解決聚合物的結(jié)構(gòu)性能、分子設計、聚合機理及動力學等問題。在高分子化學研究過程中，以實際工業(yè)生產(chǎn)問題為導向，注重理論與實踐的有機融合，強調(diào)化學基礎與數(shù)理理論的交叉運用，因此又是一門理論性強、內(nèi)容抽象的課程。

為了達到特定的教育目的和學習指定的教學內(nèi)容，以科學研究或?qū)嶋H生產(chǎn)過程的案例為基本教學材料，通過剖析案例中存在的實際問題，將學習者引入教育實踐的情境中，引導其參與分析、討論與表達，從而使學習者在面對復雜教育情境時，具有快速科學的決策能力和執(zhí)行能力，這一系列教學方式的總和稱為案例教學[1-2]。在大力倡導發(fā)展工科教育及提高本科教學整體水平的背景下，案例教學獨特的運行模式和綜合優(yōu)勢頗受關注[3]，也正在成為工科人才能力培養(yǎng)的有效手段和工科類課程的基本教學法之一。

在學校支持下，近幾年一直開展高分子化學課程教學改革與創(chuàng)新。在教學環(huán)節(jié)中，有針對性地引入科研案例，讓學生積極思考、主動探索，老師及時反饋案例相關技術的理論依據(jù)、解決問題思路、具有可操作性的實施方法，幫助學生將抽象的書本理論轉(zhuǎn)化為解決實際問題的具體方法，逐步提高學生思考和解決問題的能力。

1.可實施科研案例的建立

在講授高分子反應相關內(nèi)容時，由于聚合反應是微觀的隨機過程，動力學推導需借助微積分、數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學工具，聚合物分子設計又需要逆向思維[4]，內(nèi)容抽象而且復雜。引入與專業(yè)相近的科研案例，可以讓學生在學習高分子理論知識的同時對專業(yè)有具象化認識。但科研成果未必能很好地將基本理論與物質(zhì)構(gòu)效關系有機結(jié)合，因此，建立完整的科研案例是十分必要的[5-6]，課程組到油田企業(yè)、相關技術院所等單位進行調(diào)查研究，著力職業(yè)崗位分析，將現(xiàn)階段油田用高分子類產(chǎn)品的種類與特點，融入課程教學內(nèi)容，設計并建立了油田化學專業(yè)特色案例—兩性離子鉆井液體系的構(gòu)建與評價，涵蓋抑制劑的結(jié)構(gòu)特點—分子設計—反應單體的選擇—聚合方法選擇—結(jié)構(gòu)分析及表征的全過程，該案例成功入選陜西省第一批研究生案例教學庫，通過“教師為主導、學生為主體”的課堂形式，培養(yǎng)學生全面分析問題、創(chuàng)新解決問題的能力[7]。

2.案例教學法的應用探索

選定案例之后需要對案例進行梳理，要考慮案例中包含的知識點，有針對地設置問題，有條理地展開問題，有深度地總結(jié)問題（圖1）。加工案例既要注重實踐中的現(xiàn)實問題，又要提升凝練其中隱含的科學理論。通過案例分析推進理論的革新，探索解決現(xiàn)實問題的方法。

圖1 案例教學的實施路徑圖

在教學過程中拿出56個學時中的6個學時進行案例教學法嘗試，以某科學探井地質(zhì)構(gòu)造復雜，漏失現(xiàn)象突出等“卡脖子”問題引出案例，對該井進行鉆井液技術研究，建立適合該地區(qū)地層特點的鉆井液體系。為了突顯學生的主體地位，呈現(xiàn)高質(zhì)量的判斷和討論環(huán)節(jié)，教師提前告知學生案例的核心內(nèi)容，即鉆井液用高聚物的性能要求、聚合物鉆井液關鍵劑的結(jié)構(gòu)設計、單體選擇、共聚方式等，將學生分成4個小組，每組6～10人圍繞一個主題查閱文獻，教師對學生所選內(nèi)容做介紹，重點強調(diào)應包括的課程知識點。

（1）鉆井液用高聚物的性能要求。鉆井液需要具備良好性能以滿足安全快速的鉆進，同時也要具備良好的封堵能力和承壓能力來防止漏失，防止并應對井下“噴、漏、卡、塌”復雜情況發(fā)生，同時還要滿足保護儲層、保護環(huán)境的需求，主要體現(xiàn)在以下四個方面：

①需要滿足循環(huán)使用的要求。

②密度適當且穩(wěn)定，保證鉆進全過程中井底及井壁壓力平衡。

③濾失量小且對地層中黏土的水化作用弱、泥餅薄而韌、固相含量適當?shù)取?/p>

④保護環(huán)境和生態(tài)，無害、無毒。

（2）關鍵劑的分子結(jié)構(gòu)設計。鉆井液中常采用共聚物作為抑制劑，共聚物具有以下結(jié)構(gòu)特點（圖2）。

圖2 共聚物抑制劑的結(jié)構(gòu)特點

（3）反應單體的選擇。根據(jù)上述分子設計可知，所選單體均應含有不飽和雙鍵以滿足共聚需要，同時-C-C-鍵鍵能極高，可提供優(yōu)良的抗溫性能。親水基團大致可分為三類：陽離子類（季銨基團）、陰離子類（-SO32-、-COOH等）和極性非離子類（-OH、-O-、-CONH2等）。含酰胺基、羧基、胺基等的物質(zhì)易降解。

（4）聚合方法選擇。一般烯類單體聚合機理的選擇原則如圖3所示。

圖3 烯類單體聚合機理的選擇原則

學生分成4組準備教學內(nèi)容，查閱資料，了解與案例內(nèi)容相關的背景知識。案例內(nèi)容準備完成后，每組學生推選1～3名組員上臺講述。指導教師通過啟發(fā)設問等調(diào)動大家積極性，共同參與討論以提升他們的溝通能力并及時記錄學生討論中的不足，總結(jié)案例所蘊含的聚合理論及構(gòu)效規(guī)律，使學生獲取全面系統(tǒng)的理論認知和實踐認知，具體流程如圖4所示。

圖4 具體案例流程圖

經(jīng)過同學討論、老師反饋，大家一致形成以下案例結(jié)論：以二甲基二烯丙基氯化銨、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮三種單體，通過自由基聚合方式制備抗高溫抑制劑[8]。根據(jù)烯類單體聚合方法選擇原則，三種單體共聚可采用陰離子或自由基聚合的任一種方式，從反應條件的經(jīng)濟性角度考慮，陰離子聚合需要在無氧無水環(huán)境下進行，反應條件較為苛刻，故本案例選用自由基聚合來進行聚合物的合成。

3.案例教學法的反饋

案例教學可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的敏銳性，提高學生理論聯(lián)系實際、解決問題的能力。案例教學在高分子化學教學中已經(jīng)實施了3年，學生學習興趣濃厚，課堂氣氛活躍，期末平均成績連年增加，優(yōu)秀率也從原來的18%提升到了40%以上。尤其教學過程采取“設疑（提出問題）—假想（設計解決問題方案）—釋疑（講解案例解決的技術途徑）”模式，極大地激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，學生獨立思考解決問題的能力也有顯著提升。

案例教學模式的實施結(jié)果表明，在基礎理論知識講授中穿插相關的應用性案例是一種非常有效的教學方式[9]。教學過程中的積極互動與高效反饋，增強了學生的自學能力，激發(fā)了學生積極思考、主動參與、深入探索的欲望，學生積極參加各種化學實驗競賽，均取得不俗的成績，如全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽的參賽作品“聚苯乙烯多孔微球的乳液聚合及其驅(qū)油性能研究”，將高分子化學中分散聚合理論和油田化學實驗單元操作整合；“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作品“改性石墨烯凈化空氣裝置”利用高分子理論完成材料的功能改性，并設計裝置進行空氣凈化，將所學知識兼容貫通來解決實際問題，中國大學生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的參賽作品“CO2響應凝膠驅(qū)油實驗研究”是將智能材料引入油田作業(yè)，獲取優(yōu)異的驅(qū)油性能，學生參賽的同時授權(quán)發(fā)明專利一項。

4.結(jié)語

將案例教學與理論教學有機結(jié)合，形成了獨特視角提出問題、溝通合作分析問題、高效反饋解決問題的授課模式。案例教學的實施不但可以調(diào)動學生主動探索的內(nèi)在動力，也可有效提升授課教師理論聯(lián)系實際的基本功和科研反哺教學的能力,在以后的教學實踐中,還需根據(jù)最新研究成果不斷豐富完善案例庫，契合工科教育不斷創(chuàng)新的實踐需要。