謝華理，蘇曉競，鄭軻，吳文劍，李坤泉

（東莞理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

教學(xué)是國家實施“科教興國”發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑，高校教學(xué)更是國家培養(yǎng)高水平人才不可或缺的一環(huán)。在高校教學(xué)之中，實驗課是訓(xùn)練學(xué)生學(xué)以致用、理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)新思維的重要課程。在鼓勵學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的今天，實驗課在高校教育中占據(jù)著越來越重要的地位。

高分子物理是高分子材料專業(yè)的核心課程，旨在讓學(xué)生通過對高聚物的鏈結(jié)構(gòu)、凝集態(tài)結(jié)構(gòu)、分子量、分子運動、黏彈性、屈服與斷裂等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，理解高分子結(jié)構(gòu)、分子運動、宏觀性能和實際應(yīng)用這幾者之間的關(guān)系，是高分子材料研究人員與從業(yè)者必須掌握的基礎(chǔ)知識[1]。但是這些理論知識大多抽象深奧、晦澀難懂，對于學(xué)生的理解與記憶是一個不小的挑戰(zhàn)。而作為其實踐課，高分子物理實驗指導(dǎo)學(xué)生如何將理論引入實踐，對于學(xué)生理論知識的鞏固及應(yīng)用具有重要意義。

1 高分子物理實驗教學(xué)中存在的問題

本教學(xué)團隊在經(jīng)過多年教學(xué)實踐，到兄弟學(xué)校交流學(xué)習(xí)，及參考了線上大量實驗教學(xué)案例之后，總結(jié)出了高分子物理實驗教學(xué)中普遍存在的問題：

1）實驗安排整體系統(tǒng)性不強，各個實驗之間的關(guān)聯(lián)性薄弱?，F(xiàn)有的高分子物理實驗教學(xué)一般都是針對特定的幾個重要理論知識點設(shè)置相對應(yīng)的實驗，往往不會考慮實驗之間的連貫性和系統(tǒng)性。學(xué)生會拿到現(xiàn)成的樣品完成一個獨立的實驗，樣品怎么來的？完成該實驗是為了指導(dǎo)下一步的什么工序？學(xué)生都不知道。因此這樣的實驗設(shè)置難以給學(xué)生提供系統(tǒng)性鍛煉，各個實驗之間有怎樣的先后關(guān)系？在整個高分子材料應(yīng)用過程中處于哪一個環(huán)節(jié)？發(fā)揮著怎樣的作用？學(xué)生無法形成一個系統(tǒng)性認(rèn)知。

2）學(xué)生被動安排實驗，在實驗設(shè)計方面主觀能動性和參與度不高。課程的所有的實驗基本都是老師安排好的，學(xué)生沒有參與實驗的規(guī)劃與設(shè)計過程，難以調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，也無法培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力。學(xué)生只是在老師指導(dǎo)下進行實驗操作，無法深入地認(rèn)識實驗設(shè)計的目的，難以體會實驗條件的設(shè)置依據(jù)。

3）實驗內(nèi)容脫離實踐，且對學(xué)生“理論指導(dǎo)實踐”能力鍛煉不足。實驗課是為了培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的靈活運用能力，通過理論知識指導(dǎo)實際生產(chǎn)實踐。然而當(dāng)今高校中高分子物理實驗內(nèi)容往往忽略了跟企業(yè)真實實踐的接軌，導(dǎo)致實驗內(nèi)容或?qū)嶒灄l件往往脫離企業(yè)生產(chǎn)的實際情況。同時學(xué)生對企業(yè)生產(chǎn)缺乏了解，進行實驗就是紙上談兵。

2 教學(xué)改革措施

為了克服高分子物理實驗課程普遍存在的上述問題，本教學(xué)團隊與高分子材料企業(yè)合作進行校企共建，對課程進行了系統(tǒng)性與實踐化改革。如圖1所示，課程實驗以企業(yè)實際產(chǎn)品性能需求為目標(biāo)，讓學(xué)生圍繞該目標(biāo)進行實驗設(shè)計與操作，模擬企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程，且相關(guān)知識覆蓋了高分子物理課程中鏈結(jié)構(gòu)、凝集態(tài)結(jié)構(gòu)、分子量、分子運動、黏彈性、屈服與斷裂等核心理論內(nèi)容。具體改革措施如下：

圖1 課程流程規(guī)劃圖

2.1 增強實驗內(nèi)容連貫性與系統(tǒng)性

本課程為學(xué)生設(shè)定了一個總目標(biāo)“制備高強度聚丙烯材料”，所有的課程實驗設(shè)置圍繞著實現(xiàn)該目標(biāo)進行。如圖1所示，其流程包括“方案設(shè)計”—“原料篩選”—“加工條件研究”—“樣品制備”—“性能測試”—“機理研究”等。整體的實驗設(shè)置有著良好的連貫性與系統(tǒng)性，有利于讓學(xué)生了解整個生產(chǎn)實踐過程，理解每個實驗在生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)中的意義與作用。例如，在原料篩選階段就需要針對總目標(biāo)考慮強度的影響因素。對于聚丙烯原料而言，影響強度的因素主要是分子量和結(jié)晶度，因此需要通過“黏度法”篩選分子量，通過“偏光顯微鏡法”篩選結(jié)晶性能[2]。如圖2偏光顯微鏡結(jié)果所示，企業(yè)所提供的兩種聚丙烯材料表現(xiàn)出截然不同的結(jié)晶能力。同樣在210 ℃下熔融并冷卻之后，聚丙烯1（圖2a）幾乎不結(jié)晶，而聚丙烯2表現(xiàn)出良好的結(jié)晶能力（圖2b），晶胞完善且尺寸均一。高分子材料的晶區(qū)分子鏈堆砌排列緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強度更高[3-4]，因此學(xué)生們選擇了易結(jié)晶的聚丙烯2作為后續(xù)的實驗原料。此外，學(xué)生在結(jié)晶實驗過程中還研究了結(jié)晶溫度與結(jié)晶行為之間的關(guān)系，為后續(xù)的加工溫度等條件的設(shè)置提供了參考依據(jù)。

圖2 聚丙烯材料的偏光顯微鏡照片

2.2 由解決特定問題引入，學(xué)生參與實驗設(shè)計

在第一堂課上，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，圍繞著“制備高強度聚丙烯材料”的目標(biāo)進行整個課程實驗框架的討論與設(shè)計。學(xué)生先根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的實驗設(shè)備，達到各階段的實驗?zāi)康模纭凹庸l件研究”階段選擇了企業(yè)常用的“熔融指數(shù)測試法”研究分子量對聚丙烯流動性的影響[5]。在學(xué)生與老師的共同討論下，最終得到圖1所示的實驗內(nèi)容。此外，根據(jù)每一次實驗的具體實驗，對下一步時間的具體條件進行討論與修正。如圖3所示，學(xué)生的熔融指數(shù)測試結(jié)果顯示，300000和400000分子量的聚丙烯熔融指數(shù)分別為18.76 g/10 min和6.89 g/10 min，處于6～20 g/10 min的范圍之內(nèi)，可進行注塑成型[6]。為了實現(xiàn)更高力學(xué)強度，同學(xué)們選擇了400000分子量的聚丙烯，但是其流動性偏差，因此下一步擠出實驗的各段螺桿溫度要適當(dāng)提高。

圖3 不同分子量聚丙烯的熔融指數(shù)

2.3 校企共建課程，理論聯(lián)系實際

本課程充分利用東莞市“制造業(yè)之都”的地方優(yōu)勢，與本地高分子材料企業(yè)合作，采用“校企共建”的形式開展課程。課程實驗的總目標(biāo)“制備高強度聚丙烯材料”來源于企業(yè)實際產(chǎn)品需求，實驗原料由企業(yè)提供，學(xué)生模擬扮演企業(yè)研發(fā)人員的角色，以3～4人的小團隊模式進行實驗設(shè)計與實踐操作。更重要的是，企業(yè)工程師擔(dān)任了課程的校外導(dǎo)師，且第五周的“熱塑性注塑成型”實驗在企業(yè)開展，由企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生完成。在完成注塑成型實驗的同時，校外導(dǎo)師帶領(lǐng)學(xué)生參觀了企業(yè)的生產(chǎn)線，了解企業(yè)的實際生產(chǎn)程序。之后，又根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的實際性能需求，測試了在不同模溫下得到的樣品的拉伸性能，結(jié)果如圖4所示?？梢?，隨著模具溫度從30 ℃逐步提高到90 ℃，樣品強度與模量逐漸提高，但韌性逐漸降低，該數(shù)據(jù)對于根據(jù)產(chǎn)品性能需求來調(diào)整加工工藝具有重要指導(dǎo)意義。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的性能需求，材料的屈服強度不低于35 MPa，模量不低于400 MPa，因此模溫在70 ℃以上時所得材料的強度與模量均可達標(biāo)。另外，學(xué)生在對數(shù)據(jù)分析討論時還考慮到材料需要一定的韌性[7]，認(rèn)為在滿足強度與模量需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇較低模溫，因此最終將模溫設(shè)置在70 ℃。

圖4 模具保溫溫度對樣品拉伸性能的影響

3 系統(tǒng)性實踐式教學(xué)的實施成效

高分子物理實驗的系統(tǒng)性實踐化改革，符合其實踐型課程的核心定位，更有利于實現(xiàn)鞏固理論知識與培養(yǎng)學(xué)生知識運用能力（包括理論聯(lián)系實踐、系統(tǒng)性思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題等）的課程目標(biāo)。與企業(yè)共建并從企業(yè)的實際產(chǎn)品需求出發(fā)，讓學(xué)生參與實驗設(shè)計，可激發(fā)學(xué)生的興趣與熱情，并引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。學(xué)生以固定小組的形式參與所有實驗，可培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作意識。課程實驗設(shè)置覆蓋了高分子物理課程中從微觀結(jié)構(gòu)、分子運動到宏觀性能等核心理論內(nèi)容，學(xué)生在實驗過程中可圍繞實驗?zāi)繕?biāo)發(fā)現(xiàn)問題，并運用相關(guān)理論知識去思考問題與解決問題，鞏固學(xué)生理論知識的同時，鍛煉學(xué)生的綜合科研能力。

4 結(jié)論

本教學(xué)團隊在高分子物理實驗課程教學(xué)中進行了系統(tǒng)性與實踐化的改革探索，目的是解決該課程普遍存在的實驗設(shè)置系統(tǒng)性不強、學(xué)生被動參與、內(nèi)容脫離實踐等問題。通過與東莞市本地高分子企業(yè)進行合作，采用“校企共建”的形式開展課程，引入了企業(yè)教學(xué)團隊并以企業(yè)作為課程教學(xué)基地。將企業(yè)實際產(chǎn)品需求“制備高強度聚丙烯材料”作為課程的總目標(biāo)，讓學(xué)生圍繞該目標(biāo)體驗了對標(biāo)企業(yè)完整生產(chǎn)流程的實驗設(shè)計與操作，由此有效提升課程實驗設(shè)置的系統(tǒng)性與實踐價值，激發(fā)學(xué)生的興趣與熱情、鞏固學(xué)生的《高分子物理》理論知識并培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。