在课堂教学过程中培养学生创新能力——以功能高分子课程为例

杨 文 郝文涛 殷 俊 汪 瑾 张大伟

(合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009)

1 在高等教育阶段培养大学生的科技创新能力是时代的要求

历史的经验表明，科技创新是大国崛起的基础[1,2]。自工业革命以来，世界范围内英、德、美、日等国的崛起，无一不是依靠强大的科技创新能力作为支撑。当前，我国正处于重新崛起的伟大历史复兴进程中，科技创新是实现中华民族伟大复兴的根本。无论是基础科学研究，还是应用技术研究，都需要大量的具备科技创新能力的人才。高等院校是培养科技创新人才的摇篮，在教学过程中着力培养大学生的科技创新能力是当今时代迫切的要求。

2 科技创新能力培养的几个要素

2.1 能够融会贯通基础理论

在当今国情条件下，科技创新能力是科技人员面对科学或技术上的现实问题，提出新的解决办法的能力。要具备这种能力，必须能够融会贯通基础理论，才能熟练运用基础理论去指导科学或技术实践活动。但是，低年级大学生在学习过程中往往还沿用了高中阶段的学习方法，即孤立地学习每一门功课，包括重要的基础课程，比如高分子材料专业大纲要求的“有机化学”和“物理化学”等。甚至在高年级学习过程中，对于专业课程的学习，包括“高分子化学”和“高分子物理”，也依然存在彼此割裂的状态。这种学习方式，不利于科技创新能力的培养。仅仅掌握高分子化学合成方法，不懂得运用高分子物理知识，不能有效地根据性能需要设计分子结构，进而合成新聚合物；仅仅了解高分子物理课程中讲述的结构与性能关系，不会运用高分子化学合成方法，也不能创造新的聚合物材料。因此，在大学里有必要开设新课程，比如“功能高分子”，提供融会贯通基础理论的平台，促使学生在学习过程中改变学习方式，以增强其科技创新能力。

2.2 具备开阔的视野

在经济与科技全球化的大背景下，科技创新不是闭门造车，而是充分运用国内外已报道的科学原理和技术方法，结合本领域、本单位的实际需求，实施渐进性改造、乃至突破性创造的科研活动。无论是继续读研、读博还是毕业后进入企业，高年级的大学生们都将很快走向科研工作的第一线。因此，在校期间就要着力开阔视野，了解本专业在国际上的科技发展前沿，并深入了解国家科技发展的实际需求。在专业课程，如“高分子化学”和“高分子物理”的授课过程中，合肥工业大学教师已经适当地将学科发展的最新报道融入到了课堂教学中去[3]。但是，往往由于受到总课时限制而无法系统地对国际科技发展前沿做更广泛的介绍，也无法对国家科技发展需求做细致、展开的分析。另一方面，上述专业课程是学生奠定专业基础的关键课程，需要讲深、讲透，不宜过分强调前沿性。因此，有必要在“功能高分子”等课程的授课过程中，广泛地介绍国际上科技发展的最新动态，国家、地方、行业发展的实际需求。

2.3 掌握发现问题、解决问题的要领

科技创新能力的最终体现，是创造性地解决科学研究或技术开发中的实际问题。在具备融会贯通基础理论以及具备开阔视野的基础上，还需要教给学生基本的科研方法，提高学生发现问题和解决问题的能力。目前，许多高校已经在实验实践课程、大学生创新计划项目等不同角度、不同层面为提高学生的科技创新能力做出了努力。比如，在合肥工业大学2019版教学大纲修订过程中，突出强调加大开放性、设计性实验比例；近两年的大学生创新计划项目申报过程中，涌现出一大批高水平、挑战性项目，包括“健康环保高弹性储能器件的设计与电化学性能研究”等。但是，目前的实验实践课程多以验证为主，对提高学生创新能力作用有限。通过参与大学生创新计划项目，虽然能够较好地提高学生的科技创新能力，但是不能覆盖所有学生，作用也有限度。如果能够在课堂教学过程中，给予学生系统性的科研方法指导，能够弥补实验实践教学以及大学生创新计划项目的不足。由于在专业基础课程的教学过程中，重在夯实基础，因此科研方法训练不可避免地就要落实到“功能高分子”等课程中。

3 “功能高分子课程”是肩负培养学生科研创新能力重任的课程

功能高分子是具有特殊结构和性能以及特殊用途的高分子材料，设计和合成功能高分子需要有扎实的高分子化学和高分子物理理论知识作为基础，并且需要熟练运用高分子化学合成技巧和高分子物理理论指导合成过程、分析结构与性能关系。比如，为了阐明一类特殊的非共轭类型的脂肪族超支化聚合物的荧光性质，就要运用高分子化学知识合成具有特定结构的聚合物；在合成之后，还要依据高分子物理中有关聚合物结构与性能关系的基本原理，对聚合物的荧光性质与分子结构、聚集态结构之间的关系加以分析。上述讨论过程中所提到的非共轭荧光超支化聚合物是一类典型的功能高分子——光致发光高分子[4]。可以看出，“功能高分子课程”能够提供这样一个平台，能够使学生更加深刻地理解高分子科学的基本原理，并且能促进其融会贯通基础理论。

功能高分子研究是当前高分子材料研究的热点和前沿，国际顶级期刊，包括Nature，Science上发表的有关高分子材料研究的成果无一不与功能高分子相关。在近二十年内，中国学者在功能高分子研究领域紧紧贴合国家科技发展战略，在新兴的柔性导电材料领域、自修复材料领域、超疏水/超疏油表界面领域等各个方面做出了突出的贡献。比如，合肥工业大学的从怀萍教授连续在Nature子刊上发表研究论文，报道了具有自修复功能和导电功能的高分子水凝胶[5,6]。这些自修复导电材料在不久的将来有可能用于可穿戴电子设备、柔性电子电路，对于提高生活质量、提升健康监测水平以及服务国防事业都有着重要的贡献。再比如，中国科学技术大学的俞书宏教授在Nature Nanotechnology上报道了基于三聚氰胺海绵的具有焦耳效应且能够连续吸收高粘度原油的油水分离材料[7]。这种材料在防治海上原油泄漏、清理工业废水污染以及处理餐厨垃圾等诸多方面都有重要的应用，对于我国的海洋石油开采、远洋石油运输以及环境保护方面都有着重要的价值。“功能高分子”课程能够充分地向学生展现国际上最新的科技成果，极大地开阔学生的视野，使学生清晰地了解国家科技发展的实际需求。

功能高分子研究不仅着眼于实际需求，而且也面向未来人类社会发展的需要，是科学与技术研究的前沿。与功能高分子材料相关研究报道不仅体现了先进的科研思想，也体现了科学的研究方法。2012年潘才元老师等人在JACS上发表了有关含三级胺基团的荧光超支化聚合物的研究论文[8]。在这个研究充分体现了科研方法所包含的三个主要方面：(1)发现问题(含三级胺的分子在气态下能够发生荧光，但是在液态下却不发光，三级胺的碰撞松弛可能是导致其荧光淬灭的重要原因)；(2)指出解决问题的可能思路(通过将三级胺限制在支化点上，抑制碰撞松弛，有可能实现强的荧光发射，从而在一定程度上阐明三级胺的发光机理)；(3)提出解决问题的方案(设计合成含三级胺的超支化聚合物，并设计合成含主链三级胺的线型聚合物和含侧基三级胺的线型聚合物进行对比)。研究结果表明：超支化聚合物的荧光强度最高，而其他两种聚合物的荧光强度很弱；这一结果充分验证了通过限制三级胺的碰撞松弛能够获得强的荧光发射。2019年余桂华等人在Adv. Mater.上报道了一种能够高效吸收空气中水分的聚合物材料，这种材料将能够用于解决干旱地区人们的饮用水问题[9]。同样的，这篇报道中也充分体现了科研方法所包含的三个主要方面：(1)发现问题(现有吸收空气中水分的材料多为超吸湿材料，吸水能力强，但是却因此无法将所吸收的水分释放出来)；(2)指出解决问题的可能思路(通过将温敏性聚合物与超强吸湿聚合物结合形成网络结构，利用温敏性聚合物受热体积相变的原理，在太阳光照射升温后将超强吸湿聚合物所吸收的水分挤压释放出来)；(3)提出解决问题的方案(设计并合成聚N-异丙基丙烯酰胺与聚吡咯的互穿网络，研究互穿网络的吸水与锁水机理，研究在机械挤压以及受热相变过程中的水分释放过程，等)。通过对功能高分子研究领域内的相关报道的分析可以发现，在“功能高分子”课程授课过程中适当地选取典型性的实例并细致分析，能够给予学生以系统性的科研方法指导，配合实验实践教学课程以及大学生创新计划项目，利于培养和提升学生的科技创新能力。

4 “功能高分子”课程主讲人、授课内容、授课方式是培养大学生科技创新能力的关键

在教学大纲中设置“功能高分子”课程是提升大学生科技创新能力的充分条件，不断提升“功能高分子”课程主讲人的科学素养、合理选择授课内容、优化授课方式则是培养和提升大学生科技创新能力的必要条件。作为“功能高分子”课程的主讲人，应当承担过国家级自然科学基金项目或省部级课题，并且能够连续在功能高分子研究领域发表高水平论文。只有在科学研究过程中，不断深化对功能高分子的结构与性能关系认识，才能在教学实践中将这种认识融入到每堂课的教学过程里。功能高分子的研究范围很广，因此传统的功能高分子的授课内容包括“吸附、分离功能高分子材料”、“导电高分子材料”、“生物医用高分子材料”、“光功能高分子材料”等诸多方面。在授课过程中，合理选择广度与范围是一个重要的问题。功能高分子的研究可以做到非常深入。比如在2018年Science上发表的论文“Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking”就深入地分析了聚合物材料的自修复机理，提出了不规则氢键概念以及醚键在分子间氢键交换过程中起到了临时受体作用等关键点[10]。这种研究深度能够为本科阶段的学生所理解和掌握？“功能高分子”课程的授课深度也是一个重要的问题。总体来说，合理选择授课内容非常考验授课教师对课程的把握能力。授人以鱼不如授人以渔，要上好“功能高分子”课程，不能仅仅依赖教师的上课讲授。每个人创新能力的培养和提升，从来都不是课堂灌输的结果，而是思考与实践的结果。在“功能高分子”教学过程中，要充分发挥同学们的主观能动性，鼓励他们阅读最新的科技文献，在课堂上作报告。引导他们在阅读文献过程中有意识地思考三个方面的问题：“为什么？做什么？怎么做？”从发现问题、提出假设、设定方案三个方面去剖析文献，在读文献的过程中领会科研的要领，培养与提升创新能力。

5 结束语

“功能高分子”课程能够有效促使学生融会贯通基础理论，具备开阔的科研视野，掌握发现问题、解决问题的方法。为此，“功能高分子”课程主讲人必须提高自己的科研能力，合理设定授课内容的广度与深度，并不断优化授课方式。“功能高分子”课堂教学要持续深化改革，通过紧密配合其他教改措施，为培养和提高大学生科技创新能力做出积极的贡献。