俞麗珍，寧春花，左曉兵，朱亞輝

(常熟理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

俞麗珍，寧春花，左曉兵，朱亞輝

(常熟理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

高分子材料合成綜合實(shí)訓(xùn)課程是培養(yǎng)高分子材料專業(yè)人才的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。該文以高分子材料合成綜合實(shí)訓(xùn)課程中的一個(gè)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)(高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析)為例，介紹了高分子材料專業(yè)開設(shè)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的必要性、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、教學(xué)效果。實(shí)踐證明，通過開展設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

綜合實(shí)訓(xùn)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；研究性實(shí)驗(yàn)；高分子材料

作為一所應(yīng)用型本科院校，人才的培養(yǎng)目標(biāo)是面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)和地方經(jīng)濟(jì)，以培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展，能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)及管理、建設(shè)、服務(wù)等第一線崗位的需要，掌握生產(chǎn)技術(shù)并能夠熟練應(yīng)用的應(yīng)用型人才[1]。為了適應(yīng)培養(yǎng)高分子材料專業(yè)方面技術(shù)人才的需要，突出實(shí)訓(xùn)課程的特色，對(duì)高分子材料合成綜合實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有益的探索，本文就高分子材料合成綜合實(shí)訓(xùn)課程開設(shè)的一個(gè)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)(高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析)進(jìn)行探索與實(shí)踐[2]。

1 開展設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)

高分子材料專業(yè)材料合成綜合實(shí)訓(xùn)課程開設(shè)在大二第二學(xué)期期末階段，學(xué)生已學(xué)過無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、文獻(xiàn)檢索等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，也完成了無機(jī)及分析實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，掌握了實(shí)驗(yàn)基本操作和常規(guī)的高分子化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)，并具備了文獻(xiàn)的檢索和閱讀能力，為開展設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)提供了理論保證和實(shí)踐保證。

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇

聚丙烯酸鈉是一種功能性的吸水材料，能吸收大量的水，而且保水性能優(yōu)良。如果環(huán)境干燥，它會(huì)釋放水，如果環(huán)境潮濕，它會(huì)吸收水，干燥后還可重復(fù)使用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、園藝、建筑、衛(wèi)生等領(lǐng)域[3-6]。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的合成與性能分析為貼近生活實(shí)際的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開設(shè)這樣的項(xiàng)目有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)高分子材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性。通過該實(shí)訓(xùn)，不僅可使學(xué)生了解目前吸水樹脂的發(fā)展前景，掌握吸水樹脂的合成方法及性能測(cè)試，而且可增強(qiáng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)和技術(shù)解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力，并提高動(dòng)手能力，使學(xué)生能夠在聚合物合成工藝和物性表征方法方面得到較為系統(tǒng)的基本訓(xùn)練，從而達(dá)到培養(yǎng)他們的綜合能力，使實(shí)踐教學(xué)切實(shí)成為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效途徑[7]。

1.3 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比的特色

以往學(xué)生進(jìn)行的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)大都為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，整個(gè)教學(xué)過程為：實(shí)驗(yàn)前，老師公布實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排進(jìn)度表，學(xué)生事先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義并撰寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告；進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)老師講解實(shí)驗(yàn)原理，并講解實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵步驟和注意點(diǎn)，學(xué)生搭建裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生按老師講解的步驟按部就班地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中遇到問題時(shí)依賴于老師幫助解決。不可否認(rèn)，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，給學(xué)生有了動(dòng)手的機(jī)會(huì)，有了感性認(rèn)識(shí)，對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)有了驗(yàn)證和加深理解的機(jī)會(huì)。但從培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的角度來看，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)再按這樣的模式進(jìn)行，沒有什么成效。因?yàn)檫@種模式缺乏對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)，難以提高學(xué)生豐富想象力及創(chuàng)新意識(shí)，并且很難教會(huì)學(xué)生如何綜合運(yùn)用多科知識(shí)來解決實(shí)際問題，因而存在很多弊端[8]。

本實(shí)驗(yàn)與以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有所不同，學(xué)生根據(jù)老師給定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和要求進(jìn)行查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并對(duì)查找的文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納總結(jié)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行討論，再設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組同學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)條件都不相同，研究不同實(shí)驗(yàn)因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響，最后老師組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論并總結(jié)。學(xué)生通過這樣的訓(xùn)練以后，可以初步掌握聚合物合成工藝方案的設(shè)計(jì)以及性能分析，為學(xué)生將來做畢業(yè)論文和以后從事科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和獨(dú)立思考問題的能力，從而提高他們的創(chuàng)新意識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

高吸水性樹脂——聚丙烯酸鈉的制備方法主要有水溶液聚合、反相懸浮聚合及反相乳液聚合等。本實(shí)驗(yàn)采用反相懸浮方法制備聚丙烯酸鈉樹脂，并研究中和度、引發(fā)劑加入量、交聯(lián)劑加入量、反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚丙烯酸鈉樹脂吸水率的影響。

2.1 高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉的制備

用四口燒瓶、冷凝管、攪拌器及溫度計(jì)搭接反應(yīng)裝置，在四口燒瓶中加入一定量的分散劑(Span-60)和環(huán)己烷，開動(dòng)攪拌器并加熱到45 ℃，攪拌約30 min使分散劑充分溶解。在小燒杯中稱取一定量丙烯酸，向其中滴加氫氧化鈉溶液(濃度為7.5 mol/L)中和丙烯酸(根據(jù)不同的中和度計(jì)算氫氧化鈉溶液加入量)，邊加邊用玻璃棒攪拌，待溶液冷卻后依次加入一定量的引發(fā)劑(過硫酸鉀)和交聯(lián)劑(N,N-亞甲基雙丙烯酰胺)，攪拌均勻，完全溶解后再慢慢加入到四口瓶中，升溫至70℃攪拌、回流反應(yīng)一定時(shí)間(2 h左右)，然后升溫至100 ℃回流(用分水器把環(huán)己烷蒸出)，即可得聚丙烯酸鈉水凝膠，將其真空干燥[9]。

2.2 吸水率的測(cè)定

稱取干燥的聚丙烯酸鈉樹脂0.5 g放入1 L的大燒杯中， 在燒杯中加入500 mL蒸餾水，使聚丙烯酸鈉樹脂吸水，吸水1 h后，用紗布濾去未被吸收的水, 然后稱濾液重量[10]。

將所得數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算，便得出吸水率。

3 教學(xué)方法和手段

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)的總體思路

教學(xué)設(shè)計(jì)的總體思路如圖1所示。

3.2 實(shí)施過程

材料合成綜合實(shí)訓(xùn)與以往高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)有所不同，這類實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，主要分以下7個(gè)步驟來實(shí)施。

1)教師布置教學(xué)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)前教師首先公布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱，明確教學(xué)要求。

2)學(xué)生查閱文獻(xiàn)

學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。

3)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納總結(jié)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

4)師生討論

教師組織學(xué)生進(jìn)行討論，討論實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)條件的可行性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分組，以保證每組同學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)條件都不同，以研究不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本實(shí)驗(yàn)按一個(gè)班級(jí)40人進(jìn)行分組，先分4個(gè)大組，每個(gè)大組又分5個(gè)小組，每小組為2人。每一個(gè)大組討論一個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，每個(gè)因素又設(shè)定5個(gè)水平，4個(gè)大組分別進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)總體思路

④反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物吸水率的影響：交聯(lián)劑為0.06 g，引發(fā)劑為0.05 g，反應(yīng)時(shí)間分別為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h時(shí)，總結(jié)出反應(yīng)時(shí)間對(duì)單位產(chǎn)品(g)的吸水率變化曲線。

5)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)

學(xué)生獨(dú)立操作，完成實(shí)驗(yàn)并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6)師生討論

每組同學(xué)都要把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出來并寫到黑板上，教師組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行總結(jié)，以獲得本實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件，從而提高產(chǎn)品性能。

7)學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)藥品及儀器、實(shí)驗(yàn)操作過程、關(guān)鍵技術(shù)分析(注意事項(xiàng))、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果討論、實(shí)驗(yàn)總結(jié)、參考資料，要求重點(diǎn)突出對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論和實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

4 教學(xué)效果

4.1 調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，主張以學(xué)生學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，這就促使他們?nèi)ゲ殚喯嚓P(guān)的文獻(xiàn)資料，了解前人的研究方法，探究實(shí)驗(yàn)原理，從而能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

4.2 了解并實(shí)踐科研過程

學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、具體操作實(shí)驗(yàn)、分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要認(rèn)真考慮，從而培養(yǎng)他們進(jìn)行科學(xué)研究的方法和思路。

4.3 提高團(tuán)隊(duì)合作能力

設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各小組實(shí)驗(yàn)條件都不相同，每小組由2名學(xué)生共同完成實(shí)驗(yàn)，因此，分工與合作對(duì)于實(shí)驗(yàn)的順利完成至關(guān)重要。從實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、裝置的搭建、實(shí)驗(yàn)過程的控制、數(shù)據(jù)處理等，都需要每個(gè)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都需要共享，依此討論各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從中找出實(shí)驗(yàn)的最佳條件。所以實(shí)驗(yàn)的成功與否離不開每組同學(xué)的共同努力與密切配合，從而培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)意識(shí)。

4.4 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)

整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施從培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、整理資料、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析到全部完成，都強(qiáng)調(diào)學(xué)生在整個(gè)過程中的主體地位，加強(qiáng)了學(xué)生獨(dú)立思考和解決實(shí)際具體問題的能力，能充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，提高他們的創(chuàng)新意識(shí)。

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明，開設(shè)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思路和解決實(shí)際問題的能力，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的能力，也是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效途徑。

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Exploration and Practice on Design and Research Experiment Teaching

YU Lizhen，NING Chunhua，ZUO Xiaobing，ZHU Yahui

(School of Chemistry and Material Engineering，Changshu Technical Institute，Changshu 215500，China)

Polymer synthesis integrated practical training course is an important practical link in culturing professional talents of polymer materials.This paper takes a design and research experiment in polymer synthesis integrated practical training course (Super absorbent resins—Synthesis and performance analysis of sodium polyacrylate)as an example to introduce the necessity of establishing design and research experiments, teaching content, teaching methods and means, teaching effect.The practical results show that, through the development of design and research experimentation,both the comprehensive analysis ability, problem-solving ability and the innovation ability of student are cultured, thus the overall quality of students are enhanced.

comprehensive practical training；designing experiment；fesearch experiment ；polymer materials

2015-08-16；修改日期:2017-01-09

江蘇省高等教育教改研究項(xiàng)目(2015JSJG556)；常熟理工學(xué)院設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)(訓(xùn))項(xiàng)目(2015)。

俞麗珍(1966-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高分子材料合成方面的研究和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.034