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研究性高分子化學實驗課程改革

2023年10月17日 - txt下載
1研究性實驗的必要性及研究進展
傳統的高分子化學實驗為一些經典的驗證性實驗,教學內容步驟標準化、模式化,學生只能被動的接收,按方抓藥,無須動腦思考、分析。這種教學方式的優點是保證了實驗教學的順利進行,培養了學生基本的實驗技能和熟悉實驗儀器的操作,但對於學生動手能力、思考能力、團隊協作能力、研究能力的培養效果甚微。這種實驗教學方式不利於培養學生的科學精神、分析解決問題的能力和創新能力,且造成學生學習興趣下降,使得實驗課程「弱化」,而把大部分的時間放在了幫助學生獲取知識和記憶知識上,忽略了實驗課程在整個大學教育過程中的重要性和必要性。導致學生到大四畢業論文環節,則充分暴露了學生實驗操作不規範、實驗技能較差、實驗意識薄弱、科學研究精神欠缺等缺點。很多教師已經認識到了傳統實驗課程的缺點和局限性,也提出了很多的教學改革方法,其中包括了研究性高分子化學實驗課程。研究性高分子化學實驗課程讓學生參與了實驗配方設計、實驗的實施,實驗結果的分析討論,突出了學生作為課堂主體,教師輔助學生完成實驗課程,提高課堂上教師與學生的互動,活躍了課堂氣氛,激發了學生的興趣,有利於學生深化理論知識的理解,充分鍛鍊動手能力、綜合分析能力、科學研究能力,為學生的綜合全面發展奠定堅實的基礎。現有文獻雖然充分論述了研究性實驗的優點和作用,但尚沒有文獻從備課到實施、總結、詳細論述研究性實驗的實驗方案和實施方法。張玉琦等提出了在實驗課程中增設研究性實驗,並結合聚合物微球乳液實驗項目提出了新的實驗內容,但沒有詳細地敘述如何設計並實施該實驗。張曉雲提出了將研究性實驗替代基礎驗證性實驗,並簡單的介紹了《丙烯醯胺的水溶液聚合》實驗的做法,也沒有詳細深入的分析、研究和介紹各環節的實施方法與注意事項。胡先海等詳細介紹了在高分子化學實驗教學中採用研究性學習需要採用的幾種研究方式,並詳細解讀了各種研究方式的優點。但這些研究方式可能無法在一個實驗中全部應用。不同的實驗採用的研究方法也不同。但文獻未結合某個實驗詳細介紹研究性實驗設計及實施方案。本文根據作者理念和文獻報道的關於研究性實驗的理論,結合具體的高分子化學實驗《有機玻璃的製備》,詳細論述了該高分子化學實驗如何設計成研究性實驗,介紹各環節需要做的工作及其作用。
2研究性實驗設計和實施
2.1實驗準備
根據對研究性實驗的理念和理解,從充分調動學生學習興趣,讓學生參與每一個教學環節,體現學生學習主體的目標出發,教師從軟體和硬體上準備實驗。對於《有機玻璃製備》實驗,教師需要根據四大聚合方法之一的本體聚合理論知識,分析該實驗方案中各實驗參數是否可變?可變範圍為多少?變化後對實驗過程其他參數、實驗現象、實驗結果是否有影響。各實驗參數之間具有一定的關聯性,例如其它條件一致,反應溫度降低,反應時間則會延長,或引發劑用量越低,反應時間越長。在設計實驗時,需要注意到各參數之間的相互關聯性。根據實驗參數是否可變,修改指導書內容,將可變的實驗參數空白。在上課之前,要求學生根據已學的理論知識,並查找相關文獻資料,初步確定自己的實驗參數。在動手做實驗之間,教師和學生討論相關參數的可行性,學生需說明採用這個數據的理由和依據。通過上述準備工作,教師能夠更好地指導學生實驗參數的制定,對於學生定的不合理實驗參數具有一定的預測。有利於在課程中,順利完成實驗參數的探討和設計環節。學生通過參與上述實驗參數的設計,對該實驗的理論知識進一步進行了複習,對實驗原理把握更加準確,充分理解各原料作用和各實驗參數內在含義。同時,有利於促進學生的自主學習、自主思考、獨立研究能力和查閱文獻等科學研究基礎功底,為後續該實驗的順利開展、大四本科畢業環節的順利進行,以及今後工作打下良好的基礎。
2.2實驗預演
為了使教師對不同參數下的實驗進程和實驗現象有一個整體的把握,教師需要對不同參數下的實驗進行預演,把握各參數之間的關係,更好的指導學生實驗參數的設定,並進行理論指導。但是,由於高分子化學的特殊性,實驗條件存在一定的變化範圍,加上可變的實驗參數較多,因此,可設計出的配方數較多。在預演環節,教師不可能對所有參數的實驗進行預演,為了對實驗進行具有一個清晰、整體的把握,對預期的上下限參數實驗進行預演,並根據實驗能否進行、實驗現象是否明顯、實驗所需時間是否在課時內,實驗是否存在一定的危險性等,調整各參數的上下限範圍,防止實驗的不可進行和危險性實驗的發生。在《有機玻璃製備》實驗中,從理論分析來說,反應溫度越低,引發劑用量越低,聚合反應速率越慢,當低至一定程度時,反應有可能無法進行,因此需要對低溫、低引發劑條件下的實驗進行預演,掌握該條件下,各步反應所需的時間和實驗現象。相反,當反應溫度較高,引發劑用量較多時,反應速率越快。由於該實驗為放熱反應,反應速率過快,會導致爆聚現象的發生,因此需要對高溫、高引發劑含量的實驗條件進行預演。為了對不同條件下的實驗進程和實驗參數有良好的把握,需要對中等條件的實驗進行預演,比較低溫、低引發劑,高溫、高引發劑和中溫、中等含量引發劑的實驗進程和實驗現象有何不同。根據實驗預演結果、實驗課時的安排、硬體條件等客觀因素,修改實驗參數範圍,以便於更好的指導學生實驗參數的設定。經過實驗預演步驟,教師對各實驗參數下的實驗進程和實驗步驟做到了心中有數,對整個實驗進行能夠起到良好的指導作用。
2.3學生預習
作為學習的主體,需要對整個實驗內容進行預習,聯繫理論知識,對整個實驗的操作過程和基礎理論知識有一個基礎的了解。並羅列操作和理論問題,方便在課堂上解決,加深對知識的理解和掌握。在提高動手能力的同時,實現理論與實踐的結合。教師的一切努力,只為學生能夠掌握知識,提高動手能力,鍛鍊學生理論聯繫實際,提高解決問題的科研能力。教師在力所能及的範圍內,提高學生的學習積極性,但如果學生不配合,教師努力的效果就會大打折扣。因此,學生預習實驗內容是非常重要的,為後續實驗課程的開展奠定基礎。對於《有機玻璃製備》實驗,學生在預習過程中,需要做好以下幾方面的內容:
(1)該實驗的基本原理;
(2)實驗的操作過程;
(3)操作和理論上存在的問題;
(4)根據理論知識和查閱文獻,初步確定本組實驗參數。這一步需要小組學生團結協作,共同確定。經過預習,學生複習了理論知識,初步掌握了實驗的操作。並通過團隊合作,提高了學生的協作精神,小組互通有無,共同提高。
2.4實驗實施
實驗的實施是整個實驗課程的中心環節。優秀的實驗方案設計,需要良好的實驗實施才能實現最終的目的。因此,教師需要根據課時對每個環節進行細緻的安排,確保實驗的順利進行以及學生對知識的掌握。根據前期的實驗設計、準備、預演,實驗的實施可按照以下步驟開展:
(1)教師介紹本次實驗的內容,以及該實驗設計的基礎理論知識;
(2)從基礎理論知識引出實驗參數的設定,小組彙報本組實驗參數及其設定理由,由同學討論是否合適,教師引導,並最終確定參數;
(3)教師根據各組參數設定情況,有目的的引導各組學生參數的分布。儘量使各組實驗參數具有一定的差異性,並具有不同的實驗現象和實驗結果;
(4)教師演示實驗操作。對於特別需要注意的環節,則著重說明;
(5)學生操作實驗;
(6)在實驗實施過程中,由學生或教師提出問題,學生觀察實驗現象,通過理論與實際的結合,教師與學生互動探討問題。對於《有機玻璃製備》實驗過程中,可能出現的問題如下:
(1)在預聚過程中,錐形瓶為什麼需要晃動?晃動頻率不同,對結果是否有差異?措施:可以讓一組學生嘗試不晃動錐形瓶,觀察現象。現象:出現爆聚。學生觀察有機玻璃製備過程中的爆聚現象。解釋:甲基丙烯酸甲酯聚合是一個放熱反應,晃動錐形瓶主要是為了將反應熱釋放,並讓單體流動,各處單體均勻聚合。晃動頻率不同,主要影響散熱及不同位置單體聚合程度的差異。晃動過慢也會出現爆聚。
(2)達到預聚的時間存在差異的原因是什麼?解釋:主要取決於引發劑的用量及預聚合溫度。引發劑用量較多、聚合溫度越高,完成預聚時間就越短。反之,時間越長。
(3)在灌模時,產生氣泡的原因是什麼?如何防止氣泡產生?解釋:由於模具三面封閉,一端開口,裡面存有空氣。如果豎直模具直接倒入液體,液體充滿開口端,裡面的空氣無法排出,則容易產生氣泡。措施:將模具傾斜,從模具的較低處緩慢注入,將模具里的空氣從無液體的開口處緩慢趕出,液體充滿模具,則無氣泡。
(4)灌模後,為什麼還是需要低溫聚合後,再高溫聚合?措施:將一組樣品直接置於高溫下聚合過夜,觀察現象。現象:模具中的預聚體也會出現爆聚的現象,出現大量的氣泡,並溢出模具。解釋:預聚後體系中聚合物分子量較小,如果直接高溫聚合,仍會產生爆聚。通過實驗課程的實施,學生能夠系統的掌握整個實驗的操作及其注意事項,對不同參數帶來的影響也有了感觀的認識,加深了對理論知識的理解,提高了動手能力,並養成了研究比較的良好科研精神,為後續的本科畢業論文提前做好訓練。
2.5總結報告
總結報告是實驗課程的成果總結,反應了學生對實驗操作和理論知識的掌握,是教師考察課堂教學效果的重要手段。對於研究性實驗,其報告需要充分體現研究性。實驗的總結報告需要包含以下幾方面的內容:
(1)全班實驗參數和實驗數據匯總;
(2)根據各小組實驗現象和實驗結果差異,教師引導學生討論,探討差異存在的原因;
(3)以小論文的形式提交實驗總結報告。鍛鍊學生科研寫作能力,為後續的本科畢業論文和工作奠定基礎。對於《有機玻璃製備》實驗,可能出現的問題如下:
(1)預聚程度的控制。溫度越低,引發劑越少,預聚合的時間越長;
(2)預聚程度的把握。預聚程度對後續的操作和實驗具有一定的影響,預聚程度過低,倒進模具時容易漏液,預聚程度過高,太粘稠,不易倒入模具,且容易爆聚;
(3)產品出現氣泡。產品出現氣泡的原因可能有:a.倒入模具時未趕出氣泡;b.預聚程度過低,小分子單體殘留過多,小分子揮發導致氣泡;
(4)產品透明度。氣泡、表面光潔度對有機玻璃的透明性具有較大的影響。通過上述總結,學生學會了有機玻璃的製備,並掌握了其中的基礎理論知識。並深刻理解如何控制有機玻璃產品質量,學到了理論課堂上學不到的知識,深化了理論知識,鍛鍊了科學研究能力。
3小結
針對傳統的高分子化學實驗《有機玻璃製備》,在無須增加硬體,現有實驗條件的基礎上,實現了研究性實驗的系統改革。結合該具體實例,對研究性高分子化學實驗的必要性,如何設計研究性高分子化學實驗,每一步實施方案的實施方法、注意事項及其作用,進行了詳細的論述。通過上述研究,形成了研究性高分子實驗改革通用的系統方案,研究性的《有機玻璃製備》實驗可按照論述方案實施,其它高分子化學實驗可按照上述方法進行設計並實施。通過上述實驗的實施,在鍛鍊提高學生動手操作能力的同時,訓練了學生的系統研究能力。從文獻查閱、參數設定及問題的提出,充分引導學生獨立思考深化知識的理解。課堂學生與教師、學生與學生的交流探討,形成了以學生為主體,小組團結協作,共同探討解決問題的氣氛,極大的提高了學生的團隊合作精神。最後,研究性實驗報告的撰寫,訓練了學生的科研寫作能力,並對本次實驗學到的知識和能力進行了總結。
作者:施燕琴 陳思 馬猛 吳波震 王旭 單位:浙江工業大學材料科學與工程學院
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