新工科背景下高分子化学实验教学模式的探索与实践

尚成新 郝俊生 王松柏

（山西大学化学化工学院， 化学国家级实验教学示范中心（山西大学）， 太原 030006）

自2017 年教育部启动新工科建设以来，相关专业的教学改革更加注重工程人才的培养，完善工科课程的教学模式，推动工程师的创新能力培养。高分子化学作为化学学科的重要分支，主要研究高分子聚合物的合成机理和化学反应，是化工和材料等工科专业的基础课程，也是培养工科人才的必修课程。高分子化学实验是高分子化学和高分子材料课程的实践教学内容，主要学习高分子聚合物的各种合成方法，涉及到缩聚和逐步聚合、自由基聚合、自由基共聚、离子聚合、配位聚合和聚合物的化学反应等知识点，对学生实验技能的培养不可或缺。基于工科人才培养的需要，实验教学体系更应该与新工科的理念相结合［1-2］。

目前高分子化学实验教学体系与化学学科其它分支相比，显得还很薄弱［3］。这主要表现在：第一，单独开设高分子化学实验的高校较少，可能与整个学科发展历史短有关； 第二，高分子化学实验中可开设的实验项目数量偏少，一般均少于10 个，而其它学科实验项目数量一般为20～30 个； 第三，大部分实验项目已应用多年，缺少新颖性［4］。面对高分子化学实验教学薄弱的情况，在教学中应该重塑教学模式，以满足新时期教学和学科发展的需要，并赶上教学改革的步伐。

实验课程作为实践教学的形式，是实践育人的重要阵地，教学目标是培养满足社会需要的建设人才，为“培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人”服务。作者所在的山西大学化学化工学院国家级实验教学示范中心（2007 年评审通过），开设的高分子化学实验课程经过多年的教学实践验证，构建了“观念-内容-兴趣-能力”的教学模式。首先，将课程思政引入到高分子化学实验课程中，重点引导大学生树立正确的实验观念，发挥实验课程的育人作用，是构建教学体系的第一步。而实验内容和实验项目是实验课程的主体，是实现高分子化学实验知识传授和操作技能培养的重要载体，多年积累下来的高分子化学实验的精华内容也应得到继承、发展和创新，同时挖掘实验项目的趣味性。在提高实验技能的同时，更应将重点转到创新思维能力的培养上。由此构建出“正确的实验观念-实验内容多样化-探寻实验的兴趣点-注重能力的多层次培养”模式（图1），着重培养工科生的严谨态度和专业能力。

图1 实验教学模式Fig.1 Teaching mode of experiment

1 树立正确的实验观念

新工科培养的人才要具有新时代的工程师素质，有责任有担当，成为有灵魂的卓越工程师。而现在的大学生基本上是00后、05后，这代人是在信息化充盈的时代快速成长起来的。他们的思维活跃，思想多元化，世界观、人生观和价值观在进入大学时并未完全定型。在进入实验课堂后，本科生表现出来的思维意识和行为并不成熟。所以，实验课程教师面临的首要问题是“培养什么人、怎样培养人”。《资治通鉴》中提到“ 才者，德之资也； 德者，才之帅也”。 因此，在实验教学中立德树人，将“做人”放在前，“做学问”放在后，将树立正确的实验观念放在首位［5-6］。

1.1 培养严谨的实验态度

化学实验课往往与理论课相关联，很多学生表现出不重视、应付的态度。在以往的高分子化学实验课上发现，部分学生课前不预习、实验操作不认真、实验报告抄袭，甚至存在迟到、上课时聊天和玩手机等现象。针对这些易出现的问题，重点做了以下工作： 第一，推出“实验第一课”活动，在实验前进行课前培训，提出“五不准”、“安全十条”等，在制度上灌输正确的实验思想。第二，明确实验成绩考核机制，细化成绩构成，对课前预习、规范操作和提交实验报告均做了具体要求，督促学生以严肃、严格和严谨的态度来完成实验的全过程。第三，改革实验内容，探寻每个实验项目的兴趣点，增加趣味性和探索性，避免学生上课中的“走神”现象。

1.2 培养探索精神和工匠精神

部分本科生进入实验室后，对实验课的热情不高，常见的表现有态度消极、缺乏兴趣和随意应付，这明显与实验课的初衷不相符。实验课程追求的是精准的技能操作、真实可信的实验数据和可靠的实验结论。在实验训练过程中，需要积极主动的探索精神和精益求精、追求完美的工匠精神，而这正是部分学生所缺少的。因此，在高分子化学实验的教学中，需要注意以下几点： 第一，在实验技能训练方面，实验操作务必规范，且准确无误，不能模棱两可。第二，实验过程中，注重培养学生的认真态度，保证数据的真实可靠性。第三，在研究性实验中，鼓励学生积极主动地去探索设计讲义中没有的方案和方法。

1.3 注重环保意识和科学发展观

高分子化学合成实验会产生各种废弃物，如果处置不当就会带来污染问题。而环境污染，也恰是近年来全球面临的挑战，人们越来越重视身边的环境，“绿水青山就是金山银山”。因此，在学生刚进入实验室时，强调环保意识，就显得尤为重要了。化学实验既要保证学生得到了规范训练，又要在不污染环境的前提下进行。在高分子化学实验教学中，可以从几个方面着手： 第一，做好实验室通风设备与废气净化设备的衔接，使学生进入实验室时能切身感受到实验环境的整洁舒畅，改变对传统实验室杂乱有异味的固有印象。第二，制定废液回收处置制度，杜绝直接将废液倒入下水管道的情况，每次实验后将废液分类回收，从行动上让学生参与其中。第三，注重实验项目的绿色化、微量化，减少有毒药品的使用，使学生思想上意识到保护环境人人有责。

在培养提高学生的实验观念方面，具体还做了以下工作： 第一，强化学生的思想意识，对实验的每个环节作出具体要求，做到管理制度具体化。比如提出的“五不准”，是指不准迟到早退、不准嬉戏打闹、不准吃东西、不准玩手机和不准扰乱秩序。第二，鼓励学生展示自己的合理设计。比如在乳液聚合中，多使用恒压滴液漏斗来控制单体滴加速度，有学生设计了用一次性输液器代替滴液漏斗的装置，操作安全方便精准。第三，明确奖惩制度，细化考核。根据实验成绩考核方法，把成绩分数分配到实验的各个环节，做得不好会相应扣分。第四，注重学生的反馈。学期实验结束后，进行一次不记名的问卷调查，分为实验观念提升效果、内容满意度、兴趣提高性和能力提高程度4 项。在最近的一次调查中，对实验观念的提升满意度为92%。然后，针对学生不满意的地方，制定相应措施，作出改进。通过以上具体化的措施，既提升了学生的实验观念，也展示了实验室的特色。

2 实验内容多样化

新工科建设倡导知识体系的交叉融合，我们在设置教学项目时要注意经典内容与工程师培养思维的结合。近年来，随着高校教学改革的不断深入，教学改革的形式日益丰富，比如教学与科研相结合、倡导绿色化微量反应、开设开放式实验和设置综合设计性实验等，取得了越来越多的教学成果。但是在改革的过程中，要避免过激的情况，不能搞一刀切，抛弃所有的教学传统和经典实验内容。因此，在提倡教学改革的同时，要注重丰富实验内容和项目［7-8］，做到经典实验项目、综合性实验和研究性实验的比例协调。基于此本文选择了一些高分子化学实验项目的类型和兴趣点（表1）。

表1 高分子化学实验项目的类型和兴趣点Table 1 Experiment types and interests of polymer chemistry experimental projects

2.1 继承经典的验证性实验

所谓“经典实验”是指目的、原理、步骤和现象明确，实验结果可以预测，经过多年教学已经验证过的实验。学生只要按照实验讲义操作，基本都能重复出来。实验内容重在验证某个知识点，锻炼学生的实验操作能力，训练基础实验技能，这些实验项目也是最基础的，经过多年的教学实践保留下来的，在实验教学中不应被抛弃。在高分子化学实验的教学中，遵循大学生的认知能力和学习规律，按照由易到难的课程设置体系，首先应安排一定数量的经典验证性实验。

在教学过程中，我们选择了5个经典的高分子合成实验（表1Ⅰ-Ⅴ）： 脂肪二胺与二元酰氯的界面缩聚、悬浮法聚苯乙烯的合成、乙酸乙烯酯的乳液聚合、乙酸乙烯酯的种子乳液聚合和苯丙乳液的合成。通过这些经典实验，学生可以更好地理解聚合机理、实施方法和反应速率等理论知识，使专业基础更加扎实，提高基础实验操作技能。

2.2 适当增加综合性实验

综合性实验比验证性实验稍加复杂，并不仅限于某个知识点，往往包括2 个以上的知识点，或者考察多个内容，目的是加深学生对理论知识的理解，做到基础专业知识与实践的融会贯通，增强综合实验技能。综合性实验的来源，可以是全新设计的实验项目，也可以是由科研项目转变来的实验项目，但更推荐由验证性实验改进成的综合性项目。因为这些实验项目继承了经典实验的所有优点，内容可靠，重现性有保证。

在教学中，我们设计了3个综合性实验项目（表1Ⅵ-Ⅷ）： 吸水树脂的溶液聚合及吸水性能测试、乙酸乙烯酯聚合醇解制备聚乙烯醇缩甲醛、苯乙烯和MMA 悬浮共聚研究。经过精心设计的综合实验，可以将聚合物吸水树脂合成和材料吸水性能测试结合起来； 也可以将多个传统实验项目如乙酸乙烯酯的溶液聚合、聚乙酸乙烯酯的醇解和聚乙烯醇的缩醛化反应串联成一个综合性实验； 还可以根据学生的要求，设计成开放性的探索实验，例如从单体比例、自由基共聚物的组成和分散剂类型等不同维度对苯乙烯和MMA悬浮共聚实验进行探索。

2.3 设置研究性实验

研究性实验具有启发学生思维、提高实验参与性的特点，一般由老师给出实验目的、实验条件和实验原料，在任课教师指导下学生作为主体来设计实验方案和步骤，制备出相应的聚合物产品。研究性实验的来源，既可以是教师的科研项目，也可以是经典高分子化学反应的改进，只要能起到锻炼学生研究性思维的作用，就能作为研究性实验初步引导学生进行科研探索。

在设置研究性实验时，要注意项目数量不能过多，否则在教学中很难实现，也与学生的能力不相符。因此，设置了膨胀计法测定苯乙烯聚合反应速率和甲基丙烯酸甲酯的本体聚合研究2个项目（表1Ⅸ-Ⅹ）。这2个实验项目，均是由经典实验项目改进得到。膨胀计法测定苯乙烯聚合反应速率的实验，是利用膨胀计测定苯乙烯本体聚合的反应速率，设计了2种方法将其改造成研究性实验，一是将苯乙烯的聚合与可逆加成断裂链转移（RAFT）相结合，具有活性聚合的特点； 二是选择多种溶剂，测定不同溶液中聚合的反应速率。甲基丙烯酸甲酯的本体聚合实验，制备出预聚物后，多选择在45 ℃长时间反应，直到聚合完成。做了两项改进，一是预聚中增加了对照试验，添加除气泡的操作； 二是采用了梯度升温的方法，来研究温度对聚合的影响，同时缩短了反应时间。其次，项目难度要适中，根据学生的知识水平和实验能力来设置，让学生“跳一跳就能摘到桃子”。再次，任课教师要起到指导作用，帮助学生把握实验方案的科学性和可行性，引导学生完成实验后的总结。

3 探寻实验的兴趣点

高分子产品往往是与日常生活紧密相关的，在生活中随处可见，如果将高分子化学实验项目与生活相关联，就能明显提高学生的上课兴趣。俗话说兴趣是最好的老师，寓教于乐的同时，也可以提高教学效果［9-10］。

为使实验课程能够激发学生的学习兴趣，在设置实验内容时就具有针对性。第一，高分子化学实验课的内容与理论课程相一致，逐个去验证缩聚、自由基聚合、自由基共聚和聚合物的化学反应。实验课作为理论课知识点的再现和验证，相比高分子化学课本上那些抽象的知识点，学生更愿意去实验课上验证。第二，设置实验项目时要有选择性，注重加强高分子化学与现实生活的关联性，设计合成一些日常能见到的高分子材料，比如有机玻璃制品、涂料和胶水，提高学生上课的积极性。第三，提炼每个实验项目的兴趣点，保证每个实验项目都具有吸引力，能提高学生的积极性。因此，在开设的高分子实验项目里，尽可能满足这些要求，把每一个实验项目吸引学生的知识点均提炼出来（表1Ⅰ-Ⅹ），从教学效果来看，基本能达到预期。比如，在制备胶水的实验过程中，学生会兴致勃勃地去测试胶水的粘性，拿不同的纸张去试验，同学之间还会进行比较，相互讨论提高粘性的方法，既加深了对理论知识的理解、掌握了实验技能，又提高了学习主动性。

4 注重能力的多层次培养

新工科是对人才培养模式的新探索，对学生能力的培养有了更高的要求。学生既要掌握学科交叉的知识，又要具有自主学习的能力，运用所学解决工程问题。实验课程对学生能力的培养，可以划分为3个层次，即基本操作能力、综合实验能力和科研创新能力。基本操作能力是指学习各种常见仪器的使用，能够独立进行实验，准确记录实验现象，正确处理实验数据，这是对学生最低的实验要求。综合实验能力侧重于理论知识在实验中的运用，来解决遇到的实际问题。实验课程的更高要求就是培养创新思维，在实验中学会发现新问题和探索解决问题的方法［11-13］。

4.1 提高基本操作能力

在实验教学中，经常以经典的合成实验来验证理论课程的教学内容，主要由老师指定实验讲义，安排上课内容，学生按步骤操作，上交实验报告。在这个过程中，教学目的明确，学生可以加深对知识点的理解，锻炼学生的实验操作技能。在高分子化学实验中，以醋酸乙烯酯的种子乳液聚合为例，按照如下步骤来教学： 第一，挖掘每个实验项目的考察点，找到对应的理论知识点，对应的知识点包括种子聚合、胶束成核、均相成核和乳化剂等； 第二，结合实验项目，加深各个知识点的理解，实验前要向学生讲明白实验机理； 第三，利用理论知识指导实验操作，在明白了种子乳液聚合的机理之后，可以采取预乳化-半连续加料工艺，控制醋酸乙烯酯乳液聚合的反应速率和乳胶粒的粒径。因此，通过高分子化学实验课程的锻炼，学生在合成方法的选择、机械设备的使用和聚合产物后处理等操作方面，均受益匪浅。

4.2 增强综合实验能力

在提高实验能力的同时，如果只是被动地重复前人的实验，学生缺乏上课积极性，这对综合实验能力的提高和创新意识的培养益处不大。实验教学作为高等教育体系的重要组成部分，实验教学在培养学生动手能力、解决问题能力和提高综合素质等方面都应起到重要的作用。高分子化学实验针对的学生多数为大二、大三的学生，他们已经选修过分析化学实验、无机化学实验、有机化学实验和物理化学实验等课程，具备了基础的实验操作技能。因此，将高分子化学实验的训练重点转移到综合实验能力上是合理和可行的［14-16］。

因此，在设计实验内容时，要注意以下两点： 第一，教师在教学时要思路开阔，注重提高综合实验能力，不仅仅是训练实验的基本操作； 第二，锻炼综合实验能力的形式多样，可以是连续的多步实验操作，可以是实验操作与理论知识的结合，也可以是解决问题能力的训练等。

4.3 培育科研创新能力

在提高基本操作能力和综合实验能力的同时，实验课程也要注重科研创新思维的培育工作。习近平主席曾指出“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，也是中华民族最深沉的民族禀赋。” 因此，在构建高分子化学实验教学体系时，要注意以下几个方面： 第一，转变传统观念，实验课不是理论课的附庸，而是提高创新能力的实践形式，通过高分子化学实验课的系统训练可以显著提高科研素质和创新思维； 第二，加强教师在上课过程中的启发引导作用，比如在苯乙烯和MMA 悬浮共聚实验中，影响聚合物粒径的因素可能是单体比例、油水比、分散剂用量、反应温度和时间等，有意识地去培养学生的科研素质； 第三，鼓励学生主动去查阅文献，分析文献中的工艺条件和合成方法，思考其中的原理，学生在主动学习的同时，科研创新能力得到了逐步提升。

5 结 论

根据近年来对工科人才培养的需求和教学改革的发展趋势，山西大学化学实验教学示范中心开设了高分子化学实验课程，针对“培养什么人、怎样培养人”的问题，构建了实验教学的“观念-内容-兴趣-能力”模式。在教学中，首先要帮助学生树立正确的实验观念，分别从严谨的实验态度、探索和工匠精神、环保意识和科学发展观三方面入手。实验内容做到多样化，既要保留传统的经典实验项目，又要补充提高学生能力的综合性实验和研究性实验。利用高分子材料与日常生活结合紧密的特点，去探寻每个实验项目的兴趣点，把学生吸引到课堂上。针对不同学生在能力上的差别，还需注重能力的多层次培养。将这些手段有机结合起来，形成环环相扣的一整套系统，成为适应现代教学需求的实验教学模式。