大型测试仪器在高分子本科实验教学中的应用初探

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　　摘要：目前，高分子科学实验课普遍存在各实验项目相对独立、内在联系相对较弱的局限，不利于学生对材料研究内容与方法的整体认识与把握。我们在原有高分子实验课程的基础上，引入大型仪器设备对实践教学课程进行了内容优化和研究性拓展。通过该实验教学的改革，不仅提高了大型仪器设备的利用率，也强化了本科生在仪器操作及仪器应用方面的能力，同时加深了学生对高分子测试技术及高分子基本理论的理解与掌握。
　　关键词：大型仪器;高分子材料专业;实验教学
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）37-0279-02
　　 一、前言
　　高分子材料科学是一门以实验为基础的学科，实验教学在高分子材料专业中起着重要的作用。通过实验教学，使学生能够将课堂上学习的理论知识与科研实践联系起来，加深学生对理论知识的理解[1，2]。其中，仪器设备在教学工作中起着技术支撑的作用，而大型仪器设备更是仪器设备的重要组成部分[3]。近年来，高校大型仪器设备的数量和质量都有了极大提高，根据《高等学校仪器设备管理办法》（教育部教高[2000]9号），大型仪器设备指的是单价在人民币10万元（含）以上的仪器设备。近年来，在浙江省“重中之重”学科建设的支持下，我校材料学院测试中心购买了诸如“原子力显微镜”、“综合热分析仪”、“动态光散射仪”等大型仪器。这些大型仪器设备的购入有力地改善了办学条件[4，5]。然而这些大型仪器用于教学工作的时间远远低于科研，在大型仪器设备的使用上普遍存在重科研、轻教学的问题。如何充分发挥大型仪器设备在实验教学中尤其是本科实验教学工作中的作用是一项重要的研究課题。
　　二、大型仪器在本科生实验教学中的现状
　　目前，我校高分子材料专业实验教学课程由“高分子科学实验”课程和“高分子专业大实验”课程构成。“高分子科学实验”课程设置在大学三年级上期，是一门高分子材料相关专业学生在修习“高分子物理”、“高分子化学”专业课的基础上开设的专业实验课。主要是为了加深学生对“高分子化学”及“高分子物理”课程理论的理解，并为后续“高分子材料”、“高分子合成工艺学”以及“高分子材料成型工艺学”课程的顺利进行奠定良好的基础。“高分子专业实验”课程设置在大学四年级上期，主要是为了培养学生综合运用所学理论知识分析解决工程问题的能力，进一步强化学生对所学的专业基础理论知识的理解。目前，无论是高分子科学实验还是高分子专业实验，本科生自主学习的大型仪器试验项目都较少。多以老师演示、学生观察为主，实验操作多数按部就班，不能很好辅助“高分子测试技术”课程的测试原理的理解。除此之外，学生数量与大型仪器设备数量不匹配，也导致大型仪器设备对学生实践能力的提升起不到应有的作用。
　　三、实验教学改革措施
　　1.教学内容的改进。目前，“高分子化学实验”课程总计开设11个教学实验，包括悬浮聚合、乳液聚合、配位聚合、阴离子聚合等经典的高分子化学实验及偏光显微镜观察聚合物球晶、粘度法测定聚合物分子量等经典的高分子物理实验，各实验之间的内在联系较弱，不利于学生对材料的研究内容与方法的整体认识与把握。而利用大型仪器设备进行现代化的测试，可对原实验进行研究性拓展。在有限的实验教学课时内，打破课程的界线，实现各课程实验间的有机地结合及教学的有效的衔接。以经典实验“乳液聚合”和“悬浮聚合”为例，原有的教学过程主要是对相应理论课程中的基本原理进行实验验证，实验的目的、原理、步骤、结果都很明确，学生只需按照实验讲义的步骤去做，就可以重复经典的实验现象。引入大型仪器对该实验进行研究性拓展后，学生首先通过“乳液聚合”和“悬浮聚合”两种不同的聚合方法制备聚合物乳液和聚合物微球。实验进行前，启发学生独立思考：调整聚合过程中的搅拌速度对实验结果有何影响？让学生按不同的搅拌速度进行实验。然后，引入大型仪器测试技术：动态光散射粒度仪对获得的样品进行粒度分析，在进行数据分析基础上验证粒径大小与搅拌速度之间的关系是否与理论分析一致。在此基础上，进一步启发学生独立思考并作为文献查阅思考题：是否可以通过改变配方影响聚合物粒径的实验结果。再次，引入大型仪器测试技术：热分析仪对产物进行热失重分析，测定聚合物分解温度。在这一过程中，引导学生独立思考，热重样品粒径大小对热重测试谱图有何影响，并通过热重分析的实验结果进行验证。最后，引入大型仪器测试技术：凝胶渗透色谱仪对获得的样品进行分子量的测定。在实验结果基础上，引导学生运用高分子化学所学聚合机理知识分析乳液聚合所得样品分子量较高的原因。由此，完成大型仪器测试技术与经典高分子科学实验项目的结合及相互辅证，进一步加深学生对实验原理以及聚合物结构调控的理解，取得更好的教学效果。
　　2.教学模式的改进——“高分子材料科学实验”课程的信息化教学。实验教学中心网站提供“高分子科学实验”课程的实验教学大纲、实验教学项目教案、典型实验教学演示、教学视频等，学生可通过访问实验教学中心网页了解实验教学内容、实验过程以及实验要求，对教学内容进行预习。这为学生学习提供了便利条件，有利于提高学生的学习兴趣，以取得更好的教学效果。
　　采用小组化方式教学。由于大型仪器设备台套数较少，为使每个学生都能上机操作，我们对大型仪器实验实施小批量、小组化方式教学。以“傅里叶红外光谱测定聚合物结构”为例，专业班级学生约23名，将其分成8个小组，每组2—3人，每次实验课由4组学生进行，其他组学生按照实验计划表进行其他实验，第二次轮换。进行2次实验即可完成本实验课程的教学。实验中，4组学生根据实验项目的不同又各有分工，比如：一组学生采用KBr压片的方式进行聚合物粉末样品的红外光谱测试;另一组学生则采用衰减全红外的方式进行聚合物薄膜样品的红外光谱测定。每组学生都有上机机会，同时还学习了不同红外样品的不同测试方式，加深了对高分子测试技术及高分子结构基本理论的理解与掌握，有效提高了实验教学质量。 　　3.成績评定方式的改进。建立和完善科学的、多层次的考核方式，加大平时成绩占考核总成绩的比重，采用综合实验报告和平时表现并重的方式，更加强调学生在实验过程中的实验操作、对实验现象的观察与思考、实验报告中所表现出来的综合能力等。新的考核方式可以更加客观地检查学生的知识和能力水平，以及教师的教学效果，以便学生与教师分别改进自己的学习与教学。
　　四、大型仪器设备应用于本科生教学实验课程的积极作用
　　从现有结果看，大型仪器设备应用于本科生教学实验课程起到了一定的积极作用，主要为：（1）提高了大型仪器设备的利用率。避免设备出现闲置而浪费资源的情况，同时学生可以充分地进行实际操作，了解其工作原理、操作步骤和注意事项后，在后续的本科生涯中，可以独立利用大型仪器进行大学生科研项目实践，不仅有利于提高大型仪器设备的利用率，还使学生对于高分子测试技术有了更深刻的认识，也为以后从事科研工作和生产实践打下牢固而坚实的基础。（2）促进了科研反哺教学，推动实验教学改革创新。大型仪器设备应用于本科生教学实验课程中，还可增加教师对这些先进仪器设备的利用与掌握。教师也可以将自身的研究和大型仪器设备的功能联系起来，不断衍生出新的实验项目，并应用于实验教学，形成以教学助力科研、科研反哺教学的良性循环，从而发挥教师自身研究领域的优势，将学科前沿涉及的多项先进、热门的实验技术引入实验教学，使实验教学水平更上新台阶。
　　参考文献：
　　[1]庄启昕，郑安呐，李欣欣，钱军，李慧，韩哲文.体现工科特色的高分子化学教学探索与实践[J].高分子通报，2008，（11）：73-77.
　　[2]胡建设，周爱娟，王宏光.高分子化学与物理实验教学探索与实践[J].高分子通报，2010，（3）：70-73.
　　[3]闻星火，梁国华，黄乐.大型仪器开放服务的实践与思考[J].实验技术与管理，2007，24（6）：1-5，9.
　　[4]王晓岗，郝志显，樊雅娟，等.大型仪器教学功能的研究与探索[J].实验室科学，2012，15（5）：188-190.
　　[5]汤云晖，刘丽月，陈南春，等.推广大型仪器实验教学培养学生创新能力[J].实验室研究与探索，2015，34（12）：164-167.
　　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
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