大型測試儀器在高分子本科實驗教學中的應用初探

范萍

摘要：目前，高分子科學實驗課普遍存在各實驗項目相對獨立、內(nèi)在聯(lián)系相對較弱的局限，不利于學生對材料研究內(nèi)容與方法的整體認識與把握。我們在原有高分子實驗課程的基礎上，引入大型儀器設備對實踐教學課程進行了內(nèi)容優(yōu)化和研究性拓展。通過該實驗教學的改革，不僅提高了大型儀器設備的利用率，也強化了本科生在儀器操作及儀器應用方面的能力，同時加深了學生對高分子測試技術(shù)及高分子基本理論的理解與掌握。

關(guān)鍵詞：大型儀器;高分子材料專業(yè);實驗教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0279-02

一、前言

高分子材料科學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學在高分子材料專業(yè)中起著重要的作用。通過實驗教學，使學生能夠?qū)⒄n堂上學習的理論知識與科研實踐聯(lián)系起來，加深學生對理論知識的理解[1，2]。其中，儀器設備在教學工作中起著技術(shù)支撐的作用，而大型儀器設備更是儀器設備的重要組成部分[3]。近年來，高校大型儀器設備的數(shù)量和質(zhì)量都有了極大提高，根據(jù)《高等學校儀器設備管理辦法》（教育部教高[2000]9號），大型儀器設備指的是單價在人民幣10萬元（含）以上的儀器設備。近年來，在浙江省“重中之重”學科建設的支持下，我校材料學院測試中心購買了諸如“原子力顯微鏡”、“綜合熱分析儀”、“動態(tài)光散射儀”等大型儀器。這些大型儀器設備的購入有力地改善了辦學條件[4，5]。然而這些大型儀器用于教學工作的時間遠遠低于科研，在大型儀器設備的使用上普遍存在重科研、輕教學的問題。如何充分發(fā)揮大型儀器設備在實驗教學中尤其是本科實驗教學工作中的作用是一項重要的研究課題。

二、大型儀器在本科生實驗教學中的現(xiàn)狀

目前，我校高分子材料專業(yè)實驗教學課程由“高分子科學實驗”課程和“高分子專業(yè)大實驗”課程構(gòu)成?！案叻肿涌茖W實驗”課程設置在大學三年級上期，是一門高分子材料相關(guān)專業(yè)學生在修習“高分子物理”、“高分子化學”專業(yè)課的基礎上開設的專業(yè)實驗課。主要是為了加深學生對“高分子化學”及“高分子物理”課程理論的理解，并為后續(xù)“高分子材料”、“高分子合成工藝學”以及“高分子材料成型工藝學”課程的順利進行奠定良好的基礎?！案叻肿訉I(yè)實驗”課程設置在大學四年級上期，主要是為了培養(yǎng)學生綜合運用所學理論知識分析解決工程問題的能力，進一步強化學生對所學的專業(yè)基礎理論知識的理解。目前，無論是高分子科學實驗還是高分子專業(yè)實驗，本科生自主學習的大型儀器試驗項目都較少。多以老師演示、學生觀察為主，實驗操作多數(shù)按部就班，不能很好輔助“高分子測試技術(shù)”課程的測試原理的理解。除此之外，學生數(shù)量與大型儀器設備數(shù)量不匹配，也導致大型儀器設備對學生實踐能力的提升起不到應有的作用。

三、實驗教學改革措施

1.教學內(nèi)容的改進。目前，“高分子化學實驗”課程總計開設11個教學實驗，包括懸浮聚合、乳液聚合、配位聚合、陰離子聚合等經(jīng)典的高分子化學實驗及偏光顯微鏡觀察聚合物球晶、粘度法測定聚合物分子量等經(jīng)典的高分子物理實驗，各實驗之間的內(nèi)在聯(lián)系較弱，不利于學生對材料的研究內(nèi)容與方法的整體認識與把握。而利用大型儀器設備進行現(xiàn)代化的測試，可對原實驗進行研究性拓展。在有限的實驗教學課時內(nèi)，打破課程的界線，實現(xiàn)各課程實驗間的有機地結(jié)合及教學的有效的銜接。以經(jīng)典實驗“乳液聚合”和“懸浮聚合”為例，原有的教學過程主要是對相應理論課程中的基本原理進行實驗驗證，實驗的目的、原理、步驟、結(jié)果都很明確，學生只需按照實驗講義的步驟去做，就可以重復經(jīng)典的實驗現(xiàn)象。引入大型儀器對該實驗進行研究性拓展后，學生首先通過“乳液聚合”和“懸浮聚合”兩種不同的聚合方法制備聚合物乳液和聚合物微球。實驗進行前，啟發(fā)學生獨立思考：調(diào)整聚合過程中的攪拌速度對實驗結(jié)果有何影響？讓學生按不同的攪拌速度進行實驗。然后，引入大型儀器測試技術(shù)：動態(tài)光散射粒度儀對獲得的樣品進行粒度分析，在進行數(shù)據(jù)分析基礎上驗證粒徑大小與攪拌速度之間的關(guān)系是否與理論分析一致。在此基礎上，進一步啟發(fā)學生獨立思考并作為文獻查閱思考題：是否可以通過改變配方影響聚合物粒徑的實驗結(jié)果。再次，引入大型儀器測試技術(shù)：熱分析儀對產(chǎn)物進行熱失重分析，測定聚合物分解溫度。在這一過程中，引導學生獨立思考，熱重樣品粒徑大小對熱重測試譜圖有何影響，并通過熱重分析的實驗結(jié)果進行驗證。最后，引入大型儀器測試技術(shù)：凝膠滲透色譜儀對獲得的樣品進行分子量的測定。在實驗結(jié)果基礎上，引導學生運用高分子化學所學聚合機理知識分析乳液聚合所得樣品分子量較高的原因。由此，完成大型儀器測試技術(shù)與經(jīng)典高分子科學實驗項目的結(jié)合及相互輔證，進一步加深學生對實驗原理以及聚合物結(jié)構(gòu)調(diào)控的理解，取得更好的教學效果。

2.教學模式的改進——“高分子材料科學實驗”課程的信息化教學。實驗教學中心網(wǎng)站提供“高分子科學實驗”課程的實驗教學大綱、實驗教學項目教案、典型實驗教學演示、教學視頻等，學生可通過訪問實驗教學中心網(wǎng)頁了解實驗教學內(nèi)容、實驗過程以及實驗要求，對教學內(nèi)容進行預習。這為學生學習提供了便利條件，有利于提高學生的學習興趣，以取得更好的教學效果。

采用小組化方式教學。由于大型儀器設備臺套數(shù)較少，為使每個學生都能上機操作，我們對大型儀器實驗實施小批量、小組化方式教學。以“傅里葉紅外光譜測定聚合物結(jié)構(gòu)”為例，專業(yè)班級學生約23名，將其分成8個小組，每組2—3人，每次實驗課由4組學生進行，其他組學生按照實驗計劃表進行其他實驗，第二次輪換。進行2次實驗即可完成本實驗課程的教學。實驗中，4組學生根據(jù)實驗項目的不同又各有分工，比如：一組學生采用KBr壓片的方式進行聚合物粉末樣品的紅外光譜測試;另一組學生則采用衰減全紅外的方式進行聚合物薄膜樣品的紅外光譜測定。每組學生都有上機機會，同時還學習了不同紅外樣品的不同測試方式，加深了對高分子測試技術(shù)及高分子結(jié)構(gòu)基本理論的理解與掌握，有效提高了實驗教學質(zhì)量。

3.成績評定方式的改進。建立和完善科學的、多層次的考核方式，加大平時成績占考核總成績的比重，采用綜合實驗報告和平時表現(xiàn)并重的方式，更加強調(diào)學生在實驗過程中的實驗操作、對實驗現(xiàn)象的觀察與思考、實驗報告中所表現(xiàn)出來的綜合能力等。新的考核方式可以更加客觀地檢查學生的知識和能力水平，以及教師的教學效果，以便學生與教師分別改進自己的學習與教學。

四、大型儀器設備應用于本科生教學實驗課程的積極作用

從現(xiàn)有結(jié)果看，大型儀器設備應用于本科生教學實驗課程起到了一定的積極作用，主要為：（1）提高了大型儀器設備的利用率。避免設備出現(xiàn)閑置而浪費資源的情況，同時學生可以充分地進行實際操作，了解其工作原理、操作步驟和注意事項后，在后續(xù)的本科生涯中，可以獨立利用大型儀器進行大學生科研項目實踐，不僅有利于提高大型儀器設備的利用率，還使學生對于高分子測試技術(shù)有了更深刻的認識，也為以后從事科研工作和生產(chǎn)實踐打下牢固而堅實的基礎。（2）促進了科研反哺教學，推動實驗教學改革創(chuàng)新。大型儀器設備應用于本科生教學實驗課程中，還可增加教師對這些先進儀器設備的利用與掌握。教師也可以將自身的研究和大型儀器設備的功能聯(lián)系起來，不斷衍生出新的實驗項目，并應用于實驗教學，形成以教學助力科研、科研反哺教學的良性循環(huán)，從而發(fā)揮教師自身研究領域的優(yōu)勢，將學科前沿涉及的多項先進、熱門的實驗技術(shù)引入實驗教學，使實驗教學水平更上新臺階。

參考文獻：

[1]莊啟昕，鄭安吶，李欣欣，錢軍，李慧，韓哲文.體現(xiàn)工科特色的高分子化學教學探索與實踐[J].高分子通報，2008，（11）：73-77.

[2]胡建設，周愛娟，王宏光.高分子化學與物理實驗教學探索與實踐[J].高分子通報，2010，（3）：70-73.

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[4]王曉崗，郝志顯，樊雅娟，等.大型儀器教學功能的研究與探索[J].實驗室科學，2012，15（5）：188-190.

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Exploration of Large Instrument Application in Polymer Experimental Teaching for Undergraduate

FAN Ping

（College of Materials Science and Engineering，Zhejiang University of Technology，

Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

Abstract：At present，in polymer experiment course，each experiment item normally are relative independence and their relationships are usually very.This which is unfavorable for students to understand polymer research methods comprehensive.On the basis of the original polymer experiment course，we optimize the content of the practical teaching course.Through using large instrument and equipment，some experiment items are link effectively.This reformation not only improves the utilization of large instruments，but also strengthens the ability of undergraduates in instrument operation and instrument application.Furthermore，it also deepens the students understanding and mastery of polymer testing technology and basic theory of polymers.

Key words：large instruments;polymer material;experimental teaching reform