功能高分子材料课程的教学实践与探索

宇文力辉

【摘 要】功能高分子材料是高分子专业主要的专业课程，它建立在高分子物理、高分子化学等相关学科的基础上，与化工、环境、信息、物理、医学、生物等学科存在广泛的交叉融合，是当前高分子学科中发展最为迅速的领域之一。功能高分子材料具有种类繁多、知识体系复杂、知识更新快等特点，对课堂教学提出了较高的要求。笔者根据自身的教学经验探讨如何较好地开展教学实践并采取相应的教学改革措施。

【关键词】功能高分子材料;结构-性能关系;多媒体;教学实践

Teaching Practice and Exploration of the Course “Functional Polymer Materials”

YUWEN Li-hui

（School of Material Science and Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing Jiangsu 210023， China）

【Abstract】As a main specialized course for undergraduate students majored in polymer， “Functional Polymer Materials” is based on polymer chemistry， polymer physics and other relative courses and intersects with chemical engineering， environmental， information， physics， medicine， biology and other subjects. “Functional Polymer Materials” is one of the most rapidly developing subjects in polymer science field. Due to the numerous kinds of functional polymer materials， complicated knowledge system and rapidly updated novel knowledge， proper classroom teaching pattern for this course should be used. In this manuscript， I will discuss the teaching practice and teaching reforms for this course based on my teaching experience.

【Key words】Functional polymer material; Structure property relationship; Multimedia; Teaching practice

自從20世纪以来，高分子学科发展迅猛，各种新材料、新理论、新模型、新应用不断涌现，在传统的高分子化学与高分子物理的基础上发展出功能高分子材料这一重要分支。功能高分子材料是本科高分子材料专业的专业课，也是化学、材料等相关专业的专业选修课程。功能高分子材料课程教学内容较多，主要包括反应型高分子、导电高分子、电活性高分子、液晶高分子、吸附型高分子、光敏高分子、高分子功能膜、医用高分子等内容。该课程通过系统地总结功能高分子材料的合成、结构、性能、应用和研究方法，使学生掌握功能高分子的基本性质、结构-性能关系、设计方法和制备策略，了解功能高分子研究的方法和应用领域，从而对功能高分子材料具有全面的认识和深入的理解。

1 贯彻结构-性能关系的教学主线

目前合成纤维、合成橡胶、塑料、涂料、高分子粘合剂等高分子材料的应用十分广泛，然而该类材料分子内缺乏反应基团，化学与物理性质较为单一，属于常规高分子材料。相对而言，功能高分子材料则具有光、电、力、热、磁、化学、生物等性能，在化工、环保、能源、信息、医药、农业等领域具有独特的应用价值。功能高分子材料之所以具有不同于常规高分子材料的独特性能，主要与其结构具有直接关系。功能高分子材料学科的主要任务是研究影响材料性能的因素，尤其是结构与性能之间的关系，从而设计出满足工业生产与人们生活所需的各种新型功能材料。因而结构-性能关系在功能高分子材料课程中具有重要地位，它不仅是学生理解材料性能的理论基础，同时也是设计新型功能材料的所遵循的规律。因而，在课堂教学过程中需要贯彻结构-性能关系的教学主线，使学生能够利用结构-性能关系来理解每一类功能高分子的性质特点，进而以此为基础有能力学习并设计新型功能高分子材料。

尽管材料学科中结构-性能关系的研究已经很多，但是功能高分子材料有其自身特点，即存在分子、超分子、微观、宏观等不同层次的结构。层次不同的结构对于材料性能具有不同的影响，因而功能高分子材料的结构-性能关系是学生最难掌握的内容，既是教学的重点也是难点。对此，在课堂教学过程中不仅需要在课程的概述部分重点讲述不同层次结构对于材料性能的影响规律，而且需要在每一章结合实例具体讲解不同类型高分子材料的结构-性能关系，从而使学生能够深入理解并掌握该重要规律。

功能高分子材料的结构具有元素组成、官能团结构、高分子链段结构、高分子微观构象结构、材料的超分子结构和聚集态、材料的宏观结构等不同的层次，依次包括原子、原子团、链段、分子、超分子的微观尺度结构以及宏观结构，其中官能团结构和分子链结构是两个重点内容，前者决定了分子的大部分化学性质，而后者主要影响材料的物理化学性质。例如，高分子还原剂的还原能力来源于分子中包含的有机锡、硫醇等还原性基团，而高分子骨架主要使还原剂的分子量增大、溶解度降低，从而在保持小分子还原剂的还原能力的同时具有不溶性，从而使产物的分离纯化工艺大大简化。

2 通过前沿进展专题补充知识结构

功能高分子材料是一门交叉学科，涉及化工、电子、信息、生命、医学、能源等多个领域，并与相关学科存在深入而广泛的交叉融合，因而功能高分子材料的知识结构也在随着其它学科的发展而迅速变化。为了适应功能高分子材料知识更新快的特点，不仅需要在课堂教学中介绍完整的知识体系，而且要补充相关领域不断产生的最新进展。然而由于教材的版本更新相对较慢，所以需要在课堂教学过程中针对每一章节加入前沿进展专题，以补充相关的最新知识。

例如，近年来纳米科技发展迅猛，新型的高分子-纳米复合功能材料成为当前的研究热点，各种新颖的研究成果不断涌现，极大丰富了功能高分子材料的构成与应用。根据这些变化，教学中增加了高分子光电功能纳米材料的专题，重点介绍共轭高分子与富勒烯、量子点等复合材料在太阳能电池中的应用进展;在医用高分子材料一章，针对当前高分子在药物输运与控制释放方面的研究进展，归纳了响应性高分子载药专题，列举对于化学、光、热、磁等外界刺激信号具有响应能力的高分子载药体系。由于相关领域在肿瘤治疗中具有重要应用价值，同时载药体系往往具有有趣的控制释放机理，提高了学生的学习兴趣，也补充了教材在相关内容上的不足。

3 利用多媒体增强教学内容的表现力

功能高分子材料课程的知识点较多，信息量很大，而教材中的图形较少，大多为文字内容。心理学的研究表明，人们在学习过程中依靠单一的文字阅读获得知识时容易疲劳，记忆与理解的效率也会降低;相对而言，人们对于形象信息的感知速度更快，记忆能力更强。为此，授课过程中需要借助PowerPoint（PPT）的多媒体功能对教学内容进行图形化。首先，需要对教材的内容进行提炼，总结出主要知识点，利用关系图构建知识框架，将文字内容形象化、条理化;细节内容进行列表，有利于归纳和比较;重点内容进行色彩处理，从而提高了可读性。其次，功能高分子材料的应用性较强，与工业生产与生活关系紧密，受限于篇幅和印刷用纸的材质，教材中多无相关的图形，尤其是彩图。在准备PPT课件时，通过网络搜集相关资料并利用PPT的图形制作能力，补充相关的示意图、示例图，使得相关的功能高分子材料从应用背景、化学结构、性能原理、器件结构等均做到“有图有真相”，显著提升了学生的注意力和学习兴趣，使得抽象的结构-性能关系更容易理解，同时也使得学生能够联系到实际生活，感受到功能高分子材料的应用价值。

例如，在电活性高分子材料一章中，高分子电致发光材料与器件是其中的重要内容，相关领域产品已经开始商业化并展示出良好的发展前景，但是相关的器件工作原理较为复杂，对于高分子专业的学生具有一定的难度。为此，在实际授课过程中，首先将当前某著名品牌的手机显示屏作为实例，介绍相关材料的成分與结构，并借助立体的器件结构示意图解释器件的工作机理与高分子材料在其中的作用，使得学生可以通过直观的方式学习抽象的知识。在高分子功能膜材料一章中，膜分离机制是重点内容，而其中过筛分离是最常见的一种机制。为增强学生对于该原理的认识，PPT课件中使用了动画示意图，将不同尺寸的粒子依次通过不同孔径的筛网而被截留的过程直观表现出来，使抽象的分离机理一目了然。

4 借助课外科研实践提升学生创新能力

当前社会经济对高分子学科人才的要求不断提高，高素质的人才不仅需要具有良好的知识基础，而且需要具有创新能力。受到课堂教学课时与形式的限制，高分子材料专业学生仅能够接触到基本的合成与表征实验，而功能高分子材料的相关实验较少，缺乏相关的实践训练和能力培养过程。为增强学生独立的研究与开发能力，我们向学生开放实验室，设置与功能高分子材料课程内容相关的科研课题，吸引有兴趣的学生，尤其是打算毕业后读研究生或从事研发工作的同学，在课余时间进入实验室参与功能高分子合成、结构与成分表征。近两年来已有超过十名同学参与了课外科研实践，申请并获得多项学校本科生创新实践项目的支持，掌握了原子自由基转移聚合等高分子可控合成技术，制备了多种嵌段高分子材料并用于调控纳米粒子的组装，制备了一系列具有优异光电性能的新型高分子纳米复合材料。课外科研实践活动培养了学生探索未知的兴趣，提高了学习的主动性与积极性，拓展了他们的知识面，培养了新型功能高分子材料的设计能力，有助于实现学生创新能力的个性化培养。

5 课程的考核方式

功能高分子材料课程的教学目标是让学生掌握功能高分子材料的结构-性能关系、制备方法、表征手段及应用的知识，初步具备新型功能高分子材料的设计能力。传统的评价模式注重学生对于知识掌握的系统性和准确性，主要采用闭卷考试的方式，然而本课程具有知识系统复杂、知识量大、知识更新快等特点，所以闭卷考试的考核方式容易导致学生采用死记硬背的方式学习;另一方面，当前大力提倡素质教育，更为注重学生创新能力，因而在课程的考核评价模式需要相应调整。课程的总评成绩由期末成绩和平时成绩组成，期末成绩占总评的70%，采用开卷考试方式，平时成绩占总评的30%。首先，采用开卷考试可以弱化知识记忆在评估中的比例，通过设计较多的综合题以突出学生对知识的理解和运用能力的考核，减少学生突击复习应付考试的现象，也有助于减少学生的课业负担;另一方面，平时成绩主要用于考察学生上课时回答提问与课程讨论的情况，对于评价学生的知识掌握与运用能力具有重要参考价值，不仅是考试的重要补充部分，还可以提高学生参与课堂教学的积极性。

6 结语

针对功能高分材料课程的特点及其在高分子专业学生培养中的重要地位，在课堂教学中坚持贯彻结构-性能关系的教学主线，补充相关领域的进展专题以丰富课程的知识结构，充分利用多媒体教学的优势增强教学内容的形象性和生动性，提供课外科研见习课题供学生进行科研实践，从而提高了学生的学习积极性、实践能力和创新能力，发展出有效的教学模式和评价方法。

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[责任编辑：汤静]