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高分子物理实验课程改革的论文
摘要:高分子物理实验课程是高分子物理理论课程的重要实践教学形式。结合目前高分子物理实验课程的教学特点和现状，从教学内容和类型改革、教学方法和模式的改革、大型仪器在高分子物理实验中的应用改进以及实验评价形式的优化等方面对近年来高分子物理实验课程教学改革的研究进行梳理总结。分析了不同方面改革对该课程教学所起的作用，指出高分子物理实验课程改革的重点和方向，并对其进一步发展做出展望。
关键词:高分子物理实验;教学改革;进展
“高分子物理实验”课是配合高分子物理理论课开设的一门重要实验课程，它可以帮助学生进一步理解抽象的理论概念，提高他们的实验动手能力，培养他们对高分子材料专业的学习兴趣，进而提高自身的创新能力。长期以来，受传统教学模式和不同层次学校客观条件的限制，高分子物理实验课程仍存在着一些普遍的问题，如，“浇灌式”教学、“围观式”教学的现象，基础性实验较多，缺乏综合型、设计型和研究型实验的问题，不易调动学生的主观能动性，不利于因材施教的问题等等［1］。所以围绕高分子物理实验课的教学改革研究，许多学者和老师发表了一些切实可行的方案，交流了自己的教学经验。这些教学改革的研究主要围绕以下几方面进行:一是教学的实验内容和类型的改革;二是教学方法和模式的改革;三是大型仪器在高分子物理实验中的应用改进;四是实验教学评价形式的优化。本文对上述研究进行总结，以求为进一步做好高分子物理实验课程的改革理清思路。
1高分子物理实验课教学内容和类型的改革
实验课教学的内容是实验课程的核心，所以开设什么内容的实验项目一直是实验课程的中心任务。根据高分子物理实验课的特点，一般将实验项目类型分为验证性、综合性、设计性三大类。结合这几种类型，各高校对实验课的内容进行着不断的改革和完善。验证性实验是最基础的一类实验。它的特点是每个实验内容针对高分子物理的课堂教学中的某个知识点，不同实验之间关联不大，但它们作用在于重点培养学生的基本操作能力，让学生通过实验加深对理论知识的理解，为培养学生解决和分析实际问题的能力打好基础［1］，因此该部分实验是必开内容，并且在上述三类实验类型中所占比例最大。目前教学改革中涉及到这一部分内容的改革变化不大，一般采用的都是教学大纲中的经典实验。综合实验一般分为三类［2］:(1)与高分子材料性质的变化相关的综合实验;(2)与高分子材料或高分子化学课程相结合的综合实验;(3)与老师科研相结合的高分子物理实验。设置这些综合实验，可以使学生进一步加深对高分子物理理论知识的理解，提高学生综合运用知识分析和解决问题的能力，从而提高学生的综合素质。这类实验往往是在验证性实验完成的基础上再行开展。由于它们具有较大变化性，所以针对该类实验教学的改革内容是大家研究的热点。如徐世爱等［1］利用偏光显微镜开设的“结晶聚合物的熔融和动力学”实验。学生通过该实验能同时观察到聚合物在不同温度下的结晶和熔融过程，以及球晶的生长和形态变化等。该实验涉及聚合物结晶性能的许多知识点，是一个非常有代表性的高分子物理综合实验项目。吴强等［3］通过开设热塑性材料加工制备及其力学性能表征的综合实验，使学生不仅可以了解多种热塑性高分子材料的加工特性与力学特性，而且可以掌握多种材料力学性能的表征手段。体现了高分子物理与材料加工相结合的特点。将高分子化学和高分子物理相结合来开设综合实验是许多高校常选择的方案。目前这类综合实验的内容重点体现在突出高分子化学的合成特点与高分子物理结构与性能特点相结合这方面。以苯乙烯的悬浮聚合和分子量测定为例，首先要求利用高分子化学知识完成苯乙烯的聚合，然后结合高分子物理知识，利用凝胶渗透色谱(或与激光光散射仪联用)测定所制备的聚苯乙烯的分子量和分子量分布［4－6］。其它类似的实验如，赵成吉［7－8］将不同体系聚合物的制备与所得样品的热性能分析相结合，利用热失重分析仪、差示扫描量热仪和动态热机械分析仪等设备引导学生分析样品的热稳定性、玻璃化转变、模量等变化与其结构的关系。刘晶如等［9］提出串联多个简单实验的思路改进综合实验。他们以“聚丙烯的结晶形态”为例，在实验中加入成核剂，改变样品结晶过程，最终改变其力学、光学和耐热性能。将涉及到上述测试的几个高分子物理实验串联起来形成一个有机整体运用于教学。朱利平等［10］提出采用组合化教学方法对高分子物理实验课程进行改革，他们将原本简单但关联性较强的实验组合在一起，选取典型的高聚物如全同聚丙烯、高密度聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯作为盲样，由学生选取一种，结合上述组合实验的要求，自行设置实验方案和参数，分别完成实验设计。上述多种实验能有效地发挥学生的积极性和主动性，提高动手能力和创新能力，加深了学生对高分子物理各知识点的理解和关联。设计性实验主要是根据实验目的、要求和条件，要求学生通过思考选择原料及配方，设计实验方案。它们是在综合实验基础上的提升。设计性实验的开设给学生提供了充分发挥自己主观能动性的空间，可以调动学生的积极性，激发他们的学习兴趣和创新意识。这部分实验项目所占比例不宜过大，主要是针对学有余力的学生开设，实验过程中有很强的研究性质。有时为了强度科学研究性特点，有的学校分的更细，把设计性和研究性实验分开来讲。开设与高分子材料鉴定有关的实验就属于常见的一类设计性实验。实验对象一般是外形相同的聚合物材料，如高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的鉴定［1］，还有如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯的混合物的鉴别［11］。为了完成这些实验，学生首先要从不同的出发点考虑分析问题，查阅相关文献，然后设计实验步骤，选用不同的仪器表征等等，最终实验方案也不尽一致。通过这种设计型实验，学生可以有效地培养独立分析问题、解决问题的能力。与老师科研成果相结合又是开展该类实验的一个特点。如王继虎等［12］将教师的校基金项目“功能化丙烯酸酯导电压敏胶的研制”中的有些工作添加到高分子物理实验当中进行教学尝试。李战胜等［13］以不同材料分子量测定为对象开展科研与实验教学相融合的改革探索。史以俊等［14］以纳米碳酸钙改性聚丙烯为例，详细介绍了开展高分子物理研究性实验教学的实施方法。吴广峰等［15］介绍了通过梯度式设计实验教学内容和结合科研实验的两种途径进行高分子物理实验教学改革的工作。张予东［16－17］在这方面也做了一些尝试工作。结合自身科研课题，指导学有余力的大三学生对聚甲醛的结晶行为、聚丙烯抗氧化剂的结晶和流变行为等项目开展研究性实验工作，学生反映良好，其中部分考上研究生的学生反馈信息，认为这种实验经历对他们科研素质的培养起了很好的帮助作用。
2与大型仪器应用相关的高分子物理实验教学改革
由于许多高分子物理实验都要用到大型精密仪器，对仪器的依赖性强是高分子物理实验的特点，如何应用好相关的大型仪器服务高分子物理实验，许多学校在这方面进行了有益的探索。唐萍等［18］结合本单位大型仪器用于高分子物理实验教学的情况强调大型仪器在高分子物理实验教学中具有独特作用。目前，在高分子物理实验教学改革中讨论较多是与热分析仪器相关的高分子物理实验。如赵成吉分别进行了热重分析仪［7］、示差扫描量热仪［19］、动态机械分析仪［20］在高分子物理实验教学中应用的实例分析。翁秀兰［21］、李明玲［22］、姚芳［23］、刘素霞［24］和于欣欣［25］等老师以热分析技术或热分析仪器为题探讨了其在实验教学中的应用情况。王艳色等［26］利用DSC技术对PET材料的热转变实验进行细致研究，从而用于学生实验教学。致所以大家把热分析仪器作为热点进行高分子实验课方面的讨论，这至少说明两个原因:一是热分析仪器在高分子物理实验中应用已非常普及;二是热分析技术是与物质性能测试相关的一类技术，涉及到多种热分析仪器，联系着高分子物理的许多理论知识点，可以衍生出多项实验内容。其次与高分子物理实验改革涉及较多的仪器是用于聚合物的球晶测试的偏光显微镜，其中代表性的工作是羊海棠等［27］以偏光显微镜观察为例详细探讨了其在高分子物理实验项目改革中作用。另外，刘宇艳等［28］以聚合物分子量测试的渗透色谱仪为例，列举了在GPC实验中常见的一些问题，讨论了凝胶填料的种类、不同的装柱方法、溶剂以及样品浓度、柱温改变等对实验结果的影响。疏瑞文［29］和唐萍［30］分别将旋转流变仪和门尼黏度仪应用于本科实验教学中，从而帮助学生加深对聚合物流变性质、分子链及链段运动等相关理论知识的理解与巩固。
3高分子物理实验教学方法和模式的改革探索
除了对实验内容进行改革外，许多新的教学方法和模式也被各高校积极地探索和尝试，如开展网络平台教学，开发新的教学软件和模型，开发新的实验教学演示视频、仿真实验等，改进实验教学评价方式等等。这方面的工作中国科技大学开展的很有代表性，以朱平平、何平笙为代表的老师先后发表了四十余篇与之相关的教改论文［31－32］。随着网络技术的发展，利用网络平台开展教学活动的模式越来越被人们接受。如朱平平［32］、王贺云［33］和苗继斌等［34］均提到发展网络平台拓展新的教学渠道。将网络平台用于高分子物理实验课程教学可以为师生带来很多便利，如为学生提供自学环境，阅读、下载实验教学资料，随时了解开设实验的具体指导内容，师生在线交流等等。另外，朱平平等［31－32］还将分子模拟技术引入到高分子物理实验课程中，他们先后开发了5个高分子物理的计算机实验:用“分子模拟”软件构建聚乙烯、全同立构聚丙烯分子，并计算它们末端的直线距离;用“分子模拟”软件计算聚丙烯酸甲酯的构象能量，开展二维高分子链形态的计算机模拟，高分子链均方末端距、均方半径与聚合度之间的标度关系的计算，受限空间大分子链的穿越过程模拟。这些形象化的分子模拟技术有效地弥补了实体分子模型和课堂教学难易达到的效果，是实验教学的新模式。部分实验已在国内其它高校得到普及应用。开放式实验教学也是改善高分子物理实验教学很好的模式。唐萍等［35］采取实验时间开放、实验设备开放、实验人员开放的三开放实验模式进行了高分子物理实验的开放式教学改革和摸索，取得了良好的教学效果。吴广峰等［36］将开放式与互动式实验教学相结合，在灵活中体现自主创新。张葵花［37］以应用型本科院校高分子材料与工程专业的学生为对象，开展开放式高分子物理实验教学改革探索。上述这些教学方法的共同特点是调动学生的积极性和主动性，变被动学习为主动学习，从而使学生在完成实验的过程中加深对基础理论知识的理解。
4高分子物理实验教学评价方式的改革
在改进高分子物理实验教学评价方式方面，多数学校认同强调实验过程管理的观点。如杜滨阳等［2］、胡建设等［6］、苗继斌等［34］在创新考核方式过程中，建议实验教师从实验预习开始，指导学生注意实验操作的细节、关注学生对实验现象的观察，加重这部分考核的权重。然后老师要对实验报告的点评，让学生参与对实验结果的讨论。降低实验报告和期末笔试在考核中所占的权重，从而使实验课的考核和评价更加全面、合理，力求客观评价高分子物理实验的教学效果。这种实验考核方式的改进，改变了部分学生仅想照方抓药的惰性实验操作思想，提高了学生的主观能动性和认真思考的学风。朱平平等［38］还详细介绍了高分子物理实验课程实验报告的规范化管理，值得同行借鉴。
5结语
随着高分子物理理论知识的不断发展，高分子物理分析技术的不断提高，与高分子物理实验课程相关的各种教学手段和方法也在不断的完善和发展着，它离不开各个高校专业老师的认真思考和钻研，在实际的教学运用当中，还要结合各自学校的实际情况，所谓“教学有识，教无定法”。只有通过不断探索，更新教育理念，改进教学方法，才能培养出适应发展新形势的高素质人才。
作者:李庆华 常海波 李润明 张予东 单位:河南大学化学化工学院
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