形象化教學(xué)法在“聚合物改性原理”中的應(yīng)用

王 平,周意楊,劉文秀,曹 田,丁運(yùn)生,劉 瑾

(1.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽省先進(jìn)建筑材料國(guó)際聯(lián)合研究中心,安徽 合肥 230601;3.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009)

通過(guò)特定方法向聚合物中引入異相聚合物、有機(jī)小分子、無(wú)機(jī)填料等物質(zhì),或直接在聚合物分子鏈中引入特定官能團(tuán)等,可在滿(mǎn)足較高經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)聚合物的高性能化,并有望賦予聚合物特殊功能,是高效開(kāi)發(fā)新型高性能聚合物材料、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的重要手段[1-2]。熟練掌握聚合物改性的各類(lèi)知識(shí)點(diǎn),是該領(lǐng)域人才應(yīng)具備的重要基本能力。

教師通過(guò)有效的教學(xué)手段調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性,使學(xué)生迅速建立起對(duì)聚合物改性復(fù)雜知識(shí)體系的初步認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,是保證學(xué)生主動(dòng)且高效地理解聚合物改性領(lǐng)域各階段知識(shí)點(diǎn)、構(gòu)筑符合自身學(xué)情的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、形成特定概念群的重要基礎(chǔ)。尤為重要的是,通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的上述能力,可向社會(huì)輸送大量聚合物改性領(lǐng)域相關(guān)人才,促進(jìn)我國(guó)聚合物領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

然而,作為高分子材料專(zhuān)業(yè)的必修課,“聚合物改性原理”與“高分子化學(xué)”“高分子物理”等課程存在承上啟下的關(guān)系,學(xué)生如果沒(méi)有充分掌握上述兩門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的知識(shí),學(xué)習(xí)“聚合物改性原理”的過(guò)程中就極易出現(xiàn)知識(shí)斷層的現(xiàn)象。另外,“聚合物改性原理”中的系列重要理論還需要“聚合物成型加工基礎(chǔ)”“高分子材料助劑”和“材料研究方法”等課程的知識(shí)點(diǎn)作為支撐[3-4]。在當(dāng)前“聚合物改性原理”教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生普遍存在對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)缺乏感性認(rèn)識(shí)、無(wú)法建立完整“聚合物改性原理”知識(shí)體系架構(gòu)的問(wèn)題,導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率較低,嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)興趣,甚至產(chǎn)生畏難的情緒。因此,如何解決這些問(wèn)題,使學(xué)生能夠快速建立對(duì)“聚合物改性原理”核心知識(shí)點(diǎn)的理性認(rèn)識(shí),激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,充分發(fā)揮其主觀(guān)能動(dòng)性,對(duì)于新時(shí)期聚合物改性人才的培養(yǎng)具有重要意義。

針對(duì)上述問(wèn)題,授課教師可以采用形象化的教學(xué)方法,將抽象的概念與生活中常見(jiàn)的事物相聯(lián)系,首先使學(xué)生產(chǎn)生容易接受的感性認(rèn)識(shí),降低學(xué)生對(duì)“聚合物改性原理”核心知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知門(mén)檻,并由此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使其樂(lè)于參與教學(xué)過(guò)程,達(dá)到“寓教于樂(lè)”“事半功倍”的效果[5-6]。更為重要的是,通過(guò)該方法可明顯提高學(xué)生對(duì)“聚合物改性原理”課程的興趣,使得學(xué)生通過(guò)對(duì)課程整體知識(shí)架構(gòu)的掌握及對(duì)聚合物改性領(lǐng)域最新發(fā)展現(xiàn)狀的了解,將對(duì)課程的感性認(rèn)識(shí)上升至理性認(rèn)識(shí);使得學(xué)生在學(xué)習(xí)后能夠正確使用聚合物改性的基本研究方法、科學(xué)理解聚合物材料基本理論和應(yīng)用性能的關(guān)系,養(yǎng)成理論與實(shí)踐相結(jié)合的科學(xué)態(tài)度,能夠探索高分子材料改性的配方設(shè)計(jì)、加工制備及工程應(yīng)用,分析“全生命周期”成本管理;同時(shí),使其樹(shù)立正確的聚合物改性觀(guān),并培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和探索精神。

1 融入日常生活的形象化教學(xué)在“聚合物改性原理”中的應(yīng)用

教師可以以“聚合物改性原理”中的重要章節(jié)“聚合物的共混改性”作為范例,考察形象化教學(xué)在“聚合物改性原理”中的應(yīng)用。在教學(xué)過(guò)程中,教師首先講述聚合物共混改性的基本概念,強(qiáng)調(diào)組成共混體系聚合物的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變時(shí),體系中各相聚合物之間的相容性及相互作用力也隨之發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致共混材料的宏觀(guān)性能發(fā)生明顯變化。而如何在對(duì)不同聚合物結(jié)構(gòu)和性能全面理解的基礎(chǔ)上正確選用合適的材料,并通過(guò)特定方法改變共混體系中各組分間的相互作用力,達(dá)到對(duì)共混材料結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)性能的高效調(diào)控,實(shí)現(xiàn)共混材料的高性能化,是目前的科學(xué)研究和工業(yè)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

由于所涉及知識(shí)點(diǎn)較為抽象,學(xué)生認(rèn)知難度相對(duì)偏高。針對(duì)該現(xiàn)象,授課教師可以首先將聚合物共混材料與現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例進(jìn)行類(lèi)比,提出最為普通的“家常小菜的制作”的問(wèn)題,吸引學(xué)生眼球,盡可能從心理上消除其畏難情緒。教學(xué)過(guò)程中,授課教師向?qū)W生提出問(wèn)題:“一道小炒的食材組成可以選擇哪些?肉類(lèi)和素菜種類(lèi)的選擇對(duì)菜品的口感有何影響”(共混物中各相聚合物種類(lèi)的選擇),“若將烹飪方式從爆炒改為涼拌,或是同樣的食材,由不同的人去烹飪,菜品的口感是否會(huì)存在顯著差異?”(共混工藝選擇),“添加不同的調(diào)味品將對(duì)菜的口感造成什么影響?”(增容劑等功能性助劑選擇),“是否能在不明顯改變菜品口感的前提下,選用較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的食材進(jìn)行烹飪?”(成本管理)等,巧妙地將源于日常生活的意象與課程結(jié)合。這樣學(xué)生極易產(chǎn)生如下聯(lián)想:選用不同的肉類(lèi)與素菜進(jìn)行混合烹飪,菜品的味道將千差萬(wàn)別,若選擇得當(dāng),幾種食材之間的口感優(yōu)勢(shì)可發(fā)生結(jié)合,菜品味道較為理想;但如果幾種食材選擇不當(dāng),菜品口感較差。共混材料亦然,若共混體系中各相聚合物種類(lèi)選擇得當(dāng),則共混材料的宏觀(guān)性能較為優(yōu)異,但如果選擇不當(dāng),則可能導(dǎo)致各相聚合物間的相互作用力較弱,材料宏觀(guān)性能較差。通過(guò)上述聯(lián)想,學(xué)生將對(duì)聚合物共混改性形成感性認(rèn)識(shí),并產(chǎn)生濃厚的興趣[7-8],并以此為基礎(chǔ),在教師的正確引導(dǎo)下,迅速形成對(duì)聚合物共混改性概念、方法及目的等知識(shí)點(diǎn)的概念群,對(duì)于復(fù)雜晦澀的聚合物改性原理知識(shí)體系將不再產(chǎn)生畏難情緒,學(xué)習(xí)效果得到明顯改善。

在此基礎(chǔ)上,授課教師展示相關(guān)示意圖(圖1),以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的認(rèn)識(shí)。

圖1 共混改性中各要素與生活中常見(jiàn)意象的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)選取不同的食材、調(diào)味品等,采取不同的烹飪方式,可烹飪出味道迥異的多道菜肴。若食材與調(diào)味品選擇得當(dāng),烹飪方式適當(dāng),可烹飪出兼具所選食材特點(diǎn)的菜品,甚至所烹飪出的菜品的綜合口感遠(yuǎn)勝所選的幾種食材單獨(dú)作為一道菜時(shí)的口感。通過(guò)在學(xué)生腦海里形成上述感性認(rèn)識(shí)并加以引導(dǎo),使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到聚合物共混改性的實(shí)質(zhì)為:不同結(jié)構(gòu)、在特定方面性能較為優(yōu)異的聚合物,在特定溫度、剪切速率等加工條件下,相互間充分混合,并形成新的材料,若幾種聚合物基體及增容劑等選擇得當(dāng),共混工藝適當(dāng),所制得材料的綜合性能將明顯優(yōu)于聚合物基體。相對(duì)于傳統(tǒng)的講解方式,通過(guò)將知識(shí)點(diǎn)形象化,不僅可降低學(xué)生的認(rèn)知難度,激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,提高其學(xué)習(xí)積極性,更重要之處在于,學(xué)生形成興趣后,其主觀(guān)能動(dòng)性可明顯增強(qiáng),并能夠在汲取知識(shí)的過(guò)程中舉一反三。

在學(xué)生掌握課程基本知識(shí)的基礎(chǔ)上,授課教師進(jìn)一步結(jié)合自身的科研成果,通過(guò)“看得見(jiàn)、摸得著”的實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。如在聚合物相容性知識(shí)板塊,授課教師以環(huán)境友好高分子材料聚乳酸(PLA)為例,為解決PLA的脆性通過(guò)聚己內(nèi)酯(PCL)對(duì)其進(jìn)行增韌,但PLA和PCL的相容性較差,因此在共混體系中添加了離子液體(ILs)作為界面增容劑,制得了PLA/PCL/ILs共混材料,并在課堂教學(xué)中請(qǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)檢測(cè)ILs添加前后的PLA/PCL共混物樣品的耐彎曲性能。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步分析ILs的引入對(duì)材料性能影響的機(jī)理,同時(shí)呈現(xiàn)示意圖(圖2),幫助學(xué)生理解。

圖2 ILs對(duì)PLA/PCL共混材料結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制的示意圖

由于PLA的脆性較為明顯,且PLA與PCL界面粘結(jié)力較弱,PCL的引入無(wú)法明顯改善PLA的韌性,學(xué)生可較為輕易地折斷不含ILs的PLA/PCL共混物樣品,但由于ILs對(duì)PLA/PCL界面結(jié)構(gòu)及相形態(tài)具有較強(qiáng)調(diào)控作用,共混物的韌性顯著提高, PLA/PCL/ILs樣品的折斷難度明顯增加。在示意圖中,授課教師將PLA、PCL比作“食材”,離子液體比作“調(diào)味品”,經(jīng)離子液體改性后,共混材料耐彎曲性能的提高比作“菜品口感的改善”,以此降低學(xué)生的理解難度。在確保學(xué)生對(duì)該體系產(chǎn)生一定興趣的基礎(chǔ)上,授課教師進(jìn)一步向?qū)W生講述“共混物界面”“分子鏈相互作用”等知識(shí)點(diǎn),并觀(guān)察到,學(xué)生在目睹兩種樣品的巨大性能差異后,對(duì)課程具有較高的學(xué)習(xí)熱情,對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題均要刨根問(wèn)底,求知欲極強(qiáng),學(xué)習(xí)效果較為理想。通過(guò)上述方式,使學(xué)生在了解聚合物共混改性知識(shí)體系大致結(jié)構(gòu)的前提下,充分感受到其科研魅力,由此可進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性,提高其學(xué)習(xí)效率,并極大程度地鞏固了其對(duì)聚合物改性領(lǐng)域的興趣,同時(shí)培養(yǎng)其科研和工程化的意識(shí)。

2 教學(xué)效果

在形成感性認(rèn)識(shí)后,學(xué)生對(duì)課程的參與興趣明顯提高,學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的主動(dòng)性顯著增強(qiáng),同時(shí),通過(guò)該課程的開(kāi)展,學(xué)生還掌握了類(lèi)推的能力,部分學(xué)生將菜肴自身的特點(diǎn)歸結(jié)為“熱力學(xué)因素”,而廚師的手藝歸結(jié)為“動(dòng)力學(xué)因素”,并認(rèn)為,兩種食材,若“熱力學(xué)因素”匹配程度過(guò)低,“動(dòng)力學(xué)因素”調(diào)控得再好,所烹飪出的菜肴也難有好的口感。材料亦然,若兩種熱力學(xué)相容性過(guò)差的聚合物,僅通過(guò)共混溫度、剪切速率、剪切強(qiáng)度等動(dòng)力學(xué)手段調(diào)控,難以得到性能優(yōu)異的共混材料。在產(chǎn)生上述聯(lián)想的過(guò)程中,學(xué)生對(duì)“聚合物改性原理知識(shí)點(diǎn)”的認(rèn)識(shí)不斷深化,主觀(guān)能動(dòng)性得到提高。

為檢驗(yàn)“聚合物改性原理課程”形象化教學(xué)的教學(xué)效果,學(xué)校教師發(fā)展中心調(diào)查了該課程的“學(xué)評(píng)教”情況,如表1所示。通過(guò)81位學(xué)生對(duì)課程的打分情況來(lái)看,學(xué)生對(duì)于形象化教學(xué)法的認(rèn)可度及接受度均較高;特別是在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生向授課教師詢(xún)問(wèn)有關(guān)聚合物改性領(lǐng)域碩士研究生的報(bào)考情況及相關(guān)課題研究進(jìn)展的情況明顯增多,并直言是學(xué)習(xí)了該課程后產(chǎn)生了對(duì)聚合物改性領(lǐng)域的興趣。上述現(xiàn)象證明了形象化教學(xué)方法在“聚合物改性原理”授課過(guò)程中的必要性。

表1 81位學(xué)生采用形象化教學(xué)法的評(píng)價(jià)情況

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將“聚合物改性原理”中晦澀抽象的知識(shí)點(diǎn)類(lèi)比為生活中常見(jiàn)事物,輔以啟發(fā)式的教學(xué)方式,充分引導(dǎo)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性,可達(dá)到破除其畏難心理、激發(fā)其學(xué)習(xí)欲及探知欲的效果,為加深學(xué)生對(duì)高分子領(lǐng)域知識(shí)的理解、提高其創(chuàng)新能力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí),課程的開(kāi)展有望使學(xué)生充分審視自身對(duì)聚合物改性領(lǐng)域的興趣,在保證其能力得到充分鍛煉的基礎(chǔ)上,掌握聚合物的一般改性方法和原理,樹(shù)立正確的聚合物改性觀(guān),為其將來(lái)的擇業(yè)和發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。