“高分子化学”课程教学与核心素养的融合

2023-09-19侯桂香尚宏周

化工时刊 2023年3期

侯桂香尚宏周石强闫莉

(华北理工大学材料科学与工程学院,河北唐山 063210)

高等教育是学生步入社会前的最后一环,高等教育的任务是从社会发展需求出发,培养学生具有与之相适应的必备品格和关键能力[1,2]。2016年,教育部颁布《学生发展核心素养》,指出学生发展的核心素养分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面,综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养[3]。课程是人才培养的关键环节,是实现教育目标的重要载体,高等学校课程教学应将核心素养融入教学过程的始终,将核心素养与已有课程体系、知识内容相联系、融合[4],利用好课程教学这个重要环节,实现知识、能力与素养的合体。

“高分子化学”课程是高分子材料与工程专业的必修课,课程主要内容涉及高分子化合物的合成反应原理、规律特征[5]。通过课程学习提高学生对高分子科学的兴趣,使之具有合成预定高分子材料以及解决合成过程问题的工程能力,形成环境保护及可持续发展的理念,具备自主和继续学习的能力。因此,在核心素养理念指引下,挖掘课程知识所蕴含的人文、社会、科研等素养理念,将抽象的理论知识与素质提高、成长发展相结合,激发学生学习热情,树立专业信心,以实现专业知识和素质培养的双效达成。作者在“高分子化学”课程教学过程中,尝试将核心素养与专业知识相融合,对课程中蕴含的核心素养进行了分析。

1 了解高分子材料的广泛应用,产生专业认同,努力学习,争做栋梁

课程从列举高分子材料制品入手,使学生了解高分子材料的应用已从人们的衣食住行扩展到了智能材料、航空航天和军事等高精尖领域,高分子材料对人类社会产生了无法估量的影响。通过实例让同学们真切地感受到高分子材料在社会发展中的重要地位和作用,以此激发学习兴趣与热情,树立专业自豪感和自信心。

高分子材料按照用途可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂和功能高分子六大类,不同用途的产品具有不同的结构组成、相对分子质量及其分布(内因),三大高分子合成材料的平均相对分子质量大小及其分布宽度是:橡胶>塑料>纤维。橡胶的高弹性来源于其相对分子质量大,构象多。纤维的高模量来源于本身的极性结构和相对规整的分子链的分布。控制不同的制备条件和成型过程(外因),可以获得不同性能的制品。学生的成长与发展也与自身因素和成长经历有关,要结合自身的“个性”全方位地提高、塑造、磨炼自己,使自己成为社会的可用之才。“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”,进而培养学生努力学习、历经磨砺的核心素养。

2 讲好科学家的故事,培养科学精神

高分子学科发展到今天,凝聚了无数中外科学家的智慧。借助案例融入科学家的故事[6],培养学生的科研思维、探索创新等核心素养。如讲授高分子材料发展史时,引入不随波逐流的高分子化学之父施陶丁格的故事。他在首次提出长链大分子的观点时,遭到了当时权威胶体论者的激烈反对和讽刺质疑,但是他没有退却,坚信自己的理论是正确的,更认真地开展深入研究,与胶体论者展开了面对面的辩论。后来,在事实面前,人们接受了高分子的概念,一个学科应运而生。这个故事可以融入“坚持科学理性,不畏权威,勇于探索,持之以恒”的科研精神。

支撑聚合机理和动力学的“等活性”理论,即反应活性中心(包括自由基、阴阳离子、官能团)的活性和链的长短没有关系,使得复杂的高分子合成反应可以遵循一定的规律,进行动力学模型的建构。这个理论由Flory先生提出。他花了一生时间,从仅有的少量实验数据中提炼出高分子合成理论。这项伟业对于高分子工业而言,就如同点亮了一盏灯,让工业操作变得有章可依。此案例可以让学生领悟到其中“利用科学假设建立模型”的科研思维方法和“甘于奉献、孜孜不倦、探究真理”的科研精神。

在学习Carothers法预测凝胶点时,引入对缩聚反应发展作出了突出贡献的科学家Carothers发明尼龙的小故事。Carothers在未清洗干净的玻璃棒上发现了几缕乳白色的细丝,这个偶然的发现促使了尼龙的研究和合成。这项合成技术应用于实际生产,为社会发展作出了巨大的贡献。通过这个故事让学生体会到“敏锐的洞察力,细微的观察力”在科研实验中的重要性,启迪创造性思维,培养透过现象看本质的分析能力。

3 剖析高分子化合物的合成原理,感悟人文素养,培养良好的学习生活习惯

高分子是由原子或原子团以共价键的形式连接而成的同系混合物,具有很多优异的性能,如质轻、高强、高模、高弹等。单个小分子是不具有这些性质的,大分子的结构与材料性能体现出了个体只有将自己的力量与集体融合在一起,才能发挥作用,物尽其用。一滴水只有放进大海里才永远不会干涸,最伟大的力量就是团结。就像这次新冠肺炎疫情一样,每个人从自身做好防护和隔离,在力所能及的范围内去贡献,全国人民万众一心,就一定能战胜疫情,“篝火能把严寒驱散,团结能把困难赶跑”。

高分子合成原理包括逐步聚合和连锁聚合,逐步聚合机理特征:逐步、可逆,相对分子质量逐渐增加,反应后期才有高分子,反应历程如图1所示。

图1 逐步聚合机理示意图

连锁聚合分成链引发、增长、终止等基元反应,相对分子质量瞬间变大,即一旦有单体被引发,大分子迅速生成。自由基聚合反应历程如图2所示。

图2 自由基聚合反应历程

运用丰富的想象力和联想能力,让抽象的高分子合成理论和微观结构形象化。逐步聚合过程就像接绳子,由短(小分子)汇成长(预聚物),再到更长(大分子)。分子链的增长需要时间的积累,就如同学生将来的成就需要每天坚持不懈的努力与付出,不积跬步无以至千里,不积小流无以成江海,融入“脚踏实地、惜时、进取”的思想。连锁聚合则需要活性中心,只要具备了这个小的诱因,聚合过程就像被触动了的“多米诺骨牌”,瞬间完成高分子的形成。从中给我们启示:一个微小的力量能够引起的或许只是察觉不到的改变,但是它所引发的却可能是翻天覆地的变化,亡羊补牢不如防患于未然。我们做人、做事要谨记不以恶小而为之,要谦虚谨慎、防微杜渐、未雨绸缪。

配位聚合由过渡金属卤化物与有机金属化合物组成的络合型催化剂体系催化,产物具有立体规整性。如TiCl4与Al(C2H5)2Cl催化乙烯聚合可以获得高密度聚乙烯。同样的单体乙烯如采用自由基聚合,在高温、高压的苛刻条件下才能聚合成低密度聚乙烯。TiCl3与Al(C2H5)2Cl催化丙烯聚合可以获得全同聚丙烯,而采用自由基聚合只能得到低分子预聚物。这是由其特殊的催化体系造成的,催化机理如图3所示。

图3 配位聚合催化机理

通过剖析这些高分子合成机理,感悟一定的人文哲学和健康生活、学习的理念,进而形成一种长久、健康发展的精神动力和精神支撑。

4 聚焦高分子合成前沿,自强自信,勇于创新

活性可控聚合、配位聚合等内容均属于高分子合成理论的前沿。目前关于配位聚合的反应机理及催化剂的问题仍是高分子合成领域研究的热点。过去我国只能购买现成的催化剂,价格高昂,受垄断的限制。我国学者在烯烃配位聚合的应用研究领域做了大量工作。如,中国科学院的研究员设计了新型单中心聚烯烃催化剂,为聚乙烯多样性链结构的选择性合成提供了高效的途径。这些内容以专题讲解、案例分析的形式引入课堂。使同学们了解到科研学者们不畏艰难、持之以恒的坚持,最终取得了一些世界瞩目的成就。同时看到我国产业发展依然面临许多问题,高端产品依然依赖进口。这在对我国高分子合成基础研究提出巨大挑战的同时,也提供了巨大的机遇。激励学生勤奋刻苦学习专业知识,培养创新精神和责任担当,勇挑重担,攀登科学技术难题。

5 认识高分子化学发展面临的制约,形成具有责任担当的职业素养

纵观高分子材料的发展史,从出现到大规模使用,直至现在人们的生活已经无法离开高分子。但同时高分子也有危害人体健康、破坏自然环境、加剧资源枯竭的负面效应,如白色污染、有毒奶瓶、装修污染等。我们正在经历的例子:一次性口罩的主要原料熔喷布,主要由聚丙烯纤维热黏合制备,疫情出现以来被大量使用。熔喷布具有通气性好,过滤细菌和有毒气体,伸缩性、弹性好,价格比较低等优点。但因其纤维的排列具有一定的方向,所以也比较容易被撕开,使用周期短。大量废弃的一次性口罩给环境带来负担,废弃的高分子如何处理对环境保护和资源节约具有重要的意义。

学习高分子的降解和老化这一部分内容时,明确高分子难降解的原因、降解的机理,老化的特征、影响因素及老化原理;认识降解和老化对环境的意义,了解废弃高分子材料的处理方法及其与环境保护、资源节约之间的关系;利用不同种类高分子降解与回收再利用的原理,为资源的循环利用找到依据;利用聚合物降解与老化的原理,实现高分子材料使用寿命的延长和废弃高分子材料的回收再利用;并能在以后的学习和工作中,时刻以“绿水青山和蓝天白云的可持续发展思想”为引领,有意识地加强废弃高分子的快速降解的研究与实践。以此培养学生具有责任担当的职业素养。