案例教学在高分子化学课程中的探索与实践

＊薛丹 张笑 史俊 吴亚 赵益霏

（西安石油大学化学化工学院 陕西 710065）

引言

《高分子化学》是高校材料化学类专业重要的基础课，是高分子学科的入门课程，该课程主要解决聚合物的结构性能、分子设计、聚合机理及动力学等问题。在高分子化学研究过程中，以实际工业生产问题为导向，注重理论与实践的有机融合，强调化学基础与数理理论的交叉运用，因此又是一门理论性强、内容抽象的课程。

为了达到特定的教育目的和学习指定的教学内容，以科学研究或实际生产过程的案例为基本教学材料，通过剖析案例中存在的实际问题，将学习者引入教育实践的情境中，引导其参与分析、讨论与表达，从而使学习者在面对复杂教育情境时，具有快速科学的决策能力和执行能力，这一系列教学方式的总和称为案例教学[1-2]。在大力倡导发展工科教育及提高本科教学整体水平的背景下，案例教学独特的运行模式和综合优势颇受关注[3]，也正在成为工科人才能力培养的有效手段和工科类课程的基本教学法之一。

在学校支持下，近几年一直开展高分子化学课程教学改革与创新。在教学环节中，有针对性地引入科研案例，让学生积极思考、主动探索，老师及时反馈案例相关技术的理论依据、解决问题思路、具有可操作性的实施方法，帮助学生将抽象的书本理论转化为解决实际问题的具体方法，逐步提高学生思考和解决问题的能力。

1.可实施科研案例的建立

在讲授高分子反应相关内容时，由于聚合反应是微观的随机过程，动力学推导需借助微积分、数理统计等数学工具，聚合物分子设计又需要逆向思维[4]，内容抽象而且复杂。引入与专业相近的科研案例，可以让学生在学习高分子理论知识的同时对专业有具象化认识。但科研成果未必能很好地将基本理论与物质构效关系有机结合，因此，建立完整的科研案例是十分必要的[5-6]，课程组到油田企业、相关技术院所等单位进行调查研究，着力职业岗位分析，将现阶段油田用高分子类产品的种类与特点，融入课程教学内容，设计并建立了油田化学专业特色案例—两性离子钻井液体系的构建与评价，涵盖抑制剂的结构特点—分子设计—反应单体的选择—聚合方法选择—结构分析及表征的全过程，该案例成功入选陕西省第一批研究生案例教学库，通过“教师为主导、学生为主体”的课堂形式，培养学生全面分析问题、创新解决问题的能力[7]。

2.案例教学法的应用探索

选定案例之后需要对案例进行梳理，要考虑案例中包含的知识点，有针对地设置问题，有条理地展开问题，有深度地总结问题（图1）。加工案例既要注重实践中的现实问题，又要提升凝练其中隐含的科学理论。通过案例分析推进理论的革新，探索解决现实问题的方法。

图1 案例教学的实施路径图

在教学过程中拿出56个学时中的6个学时进行案例教学法尝试，以某科学探井地质构造复杂，漏失现象突出等“卡脖子”问题引出案例，对该井进行钻井液技术研究，建立适合该地区地层特点的钻井液体系。为了突显学生的主体地位，呈现高质量的判断和讨论环节，教师提前告知学生案例的核心内容，即钻井液用高聚物的性能要求、聚合物钻井液关键剂的结构设计、单体选择、共聚方式等，将学生分成4个小组，每组6～10人围绕一个主题查阅文献，教师对学生所选内容做介绍，重点强调应包括的课程知识点。

（1）钻井液用高聚物的性能要求。钻井液需要具备良好性能以满足安全快速的钻进，同时也要具备良好的封堵能力和承压能力来防止漏失，防止并应对井下“喷、漏、卡、塌”复杂情况发生，同时还要满足保护储层、保护环境的需求，主要体现在以下四个方面：

①需要满足循环使用的要求。

②密度适当且稳定，保证钻进全过程中井底及井壁压力平衡。

③滤失量小且对地层中黏土的水化作用弱、泥饼薄而韧、固相含量适当等。

④保护环境和生态，无害、无毒。

（2）关键剂的分子结构设计。钻井液中常采用共聚物作为抑制剂，共聚物具有以下结构特点（图2）。

图2 共聚物抑制剂的结构特点

（3）反应单体的选择。根据上述分子设计可知，所选单体均应含有不饱和双键以满足共聚需要，同时-C-C-键键能极高，可提供优良的抗温性能。亲水基团大致可分为三类：阳离子类（季铵基团）、阴离子类（-SO32-、-COOH等）和极性非离子类（-OH、-O-、-CONH2等）。含酰胺基、羧基、胺基等的物质易降解。

（4）聚合方法选择。一般烯类单体聚合机理的选择原则如图3所示。

图3 烯类单体聚合机理的选择原则

学生分成4组准备教学内容，查阅资料，了解与案例内容相关的背景知识。案例内容准备完成后，每组学生推选1～3名组员上台讲述。指导教师通过启发设问等调动大家积极性，共同参与讨论以提升他们的沟通能力并及时记录学生讨论中的不足，总结案例所蕴含的聚合理论及构效规律，使学生获取全面系统的理论认知和实践认知，具体流程如图4所示。

图4 具体案例流程图

经过同学讨论、老师反馈，大家一致形成以下案例结论：以二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮三种单体，通过自由基聚合方式制备抗高温抑制剂[8]。根据烯类单体聚合方法选择原则，三种单体共聚可采用阴离子或自由基聚合的任一种方式，从反应条件的经济性角度考虑，阴离子聚合需要在无氧无水环境下进行，反应条件较为苛刻，故本案例选用自由基聚合来进行聚合物的合成。

3.案例教学法的反馈

案例教学可以培养学生发现问题的敏锐性，提高学生理论联系实际、解决问题的能力。案例教学在高分子化学教学中已经实施了3年，学生学习兴趣浓厚，课堂气氛活跃，期末平均成绩连年增加，优秀率也从原来的18%提升到了40%以上。尤其教学过程采取“设疑（提出问题）—假想（设计解决问题方案）—释疑（讲解案例解决的技术途径）”模式，极大地激发了学生的创新思维，学生独立思考解决问题的能力也有显著提升。

案例教学模式的实施结果表明，在基础理论知识讲授中穿插相关的应用性案例是一种非常有效的教学方式[9]。教学过程中的积极互动与高效反馈，增强了学生的自学能力，激发了学生积极思考、主动参与、深入探索的欲望，学生积极参加各种化学实验竞赛，均取得不俗的成绩，如全国大学生化学实验创新设计竞赛的参赛作品“聚苯乙烯多孔微球的乳液聚合及其驱油性能研究”，将高分子化学中分散聚合理论和油田化学实验单元操作整合；“互联网+”大学生创新创业大赛作品“改性石墨烯净化空气装置”利用高分子理论完成材料的功能改性，并设计装置进行空气净化，将所学知识兼容贯通来解决实际问题，中国大学生高分子材料创新创业大赛的参赛作品“CO2响应凝胶驱油实验研究”是将智能材料引入油田作业，获取优异的驱油性能，学生参赛的同时授权发明专利一项。

4.结语

将案例教学与理论教学有机结合，形成了独特视角提出问题、沟通合作分析问题、高效反馈解决问题的授课模式。案例教学的实施不但可以调动学生主动探索的内在动力，也可有效提升授课教师理论联系实际的基本功和科研反哺教学的能力,在以后的教学实践中,还需根据最新研究成果不断丰富完善案例库，契合工科教育不断创新的实践需要。