高分子化学教学中的几点思考_熊丽君.pdf

2023年03月|310 引言高分子化学是高分子材料相关专业的一门重要专业基础课，以无机化学、有机化学、物理化学、高等数学等先修课程为基础，重点解决高分子化合物的合成原理。高分子化学本身内容繁杂，课程中涉及众多概念、原理、公式，理论性较强，而且与学生前期学的无机化学、有机化学等有架构上的区别，学生综合理解难度大1。笔者多年来一直从事高分子化学的教学工作，本文是对高分子化学教学的几点思考。1 教和学都要抓住主线首先，目前大部分高等院校都是以潘祖仁教授主编的 高分子化学 为教材，是以动力学为主线，分章阐述了不同机理的高分子合成方法。虽然内容知识点多，但是主线非常明确、清晰，每一章都是围绕动力学为主线来展开(除第九章聚合物的化学反应外)，所以教和学都要抓住这一主线。以第三章自由基聚合为例，主线是动力学，但是在研究动力学之前，必须让学生理解自由基聚合反应机理。自由基聚合属于连锁聚合，连锁聚合根据活性中心的不同，又主要分为自由基聚合(活性中心是自由基)，阴离子聚合(活性中心是阴离子)，阳离子聚合(活性中心是阳离子)。但是连锁聚合的烯类单体在聚合时并不是对所有三种机理都适用。因此，在这一章开始，教材首先讲的是单体对连锁聚合机理的选择性，这一点就要紧密联系以前学过的有机化学知识来讲解和理解，紧接着第二讲解决的就是自由基聚合的机理。以引发剂引发为例讲解，这一讲本身不难，但是要求学生理解关于引发剂引发时的慢引发、快增长、速终止，引发速率通常决定了聚合速率，引发反应至关重要。所以教材第三讲解决的就是自由基聚合的引发剂问题。然后就来到这一章的重点内容动力学。动力学重点解决了自由基聚合初期和中期的动力学，是这一章的重点内容。聚合初期的动力学可以定量计算，而聚合中期有一个自由基聚合特有的现象自动加速现象。初期微观动力学的推导是要求学生重点掌握的，推导过程中用的假定，简化处理，都要求学生联系自由基聚合的机理来理解和掌握。中期的自动加速现象，要求学生能够理解自动加速现象产生的本质原因。最后以动力学为基础，推导了分子量的计算公式，阐述了自由基聚合如何计算及控制产物的分子量。这是这一章的主要内容和逻辑线，从概念展开，由机理深入，重点是动力学，最终落实到应用，做到“主线明确、脉络清晰、逻辑严密、内容充实、重点突出”。简单概括这一章的主线如下(以潘祖仁教授主编的 高分子化学为教材)，如图 1 所示。高分子化学教学中的几点思考熊丽君(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073)摘要：高分子化学是一门重要的专业基础课，学好高分子化学对学生以后专业课的学习以及工作后从事化工方面的工作很重要。课程中涉及众多概念、原理、公式，理论性较强，文章从教和学都要抓住主线、紧密联系先修课程、授课要并重化工人才培养等几个方面探讨了高分子化学课程教学过程中的思考。关键词：高分子化学；教学思考；化工人才培养中图分类号：G421 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)09-0031-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.09.009Thoughts on Teaching of Polymer Chemistry XIONG Li-jun(School of Materials Science and Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)Abstract:Polymer chemistry is an important professional basic course and it is also very important for students future work in chemical engineering to learn polymer chemistry well.Polymer chemistry involves many concepts,principles and formulas.So some thoughts in the teaching process of polymer chemistry are discussed in this paper from several aspects,e.g:grasping the main line in both teaching and learning and closely connecting with the prerequisite courses.Keywords:polymer chemistry;teaching thoughts;chemical personnel training人才培养32|2023年03月2 教和学都要紧密联系先修课程知识高分子化学的教学要求先修基础化学、有机化学、物理化学等课程，高分子化学虽然内容比较多，和有机化学的侧重点也不同，但是学好有机化学对高分子化学的学习和理解有很大的帮助。还是以第三章自由基聚合为例，这一章第一个要掌握的内容就是单体(主要是烯类单体)对连锁聚合历程的选择性。而如何判断烯类单体对聚合历程的选择性，要根据单体中取代基的电子效应(一般包括诱导效应和共轭效应)及位阻效应，而单体中取代基的电子效应和位阻效应是有机化学中的关键教学内容，要求学生必须掌握的，学生如果有机化学中这块知识掌握比较好，高分子化学中的这一个知识点就相对比较好掌握。比如，单取代的烯类单体丙烯腈 CH2=CHCN，取代基腈基是典型的吸电子取代基，所以其诱导效应是吸电的，会使烯烃双键电子云密度降低，有利于活性种阴离子的进攻，同时对生成的阴离子活性中心，腈基有共振稳定的作用。所以，丙烯腈是阴离子聚合，也能自由基聚合。教学中在做导入课堂内容时，可以先回顾有机化学中这部分内容。该方法不仅可以激发学生的兴趣，让学生将已掌握的化学知识应用到新知识中，形成完整的学习体系，还能加深学生对化学知识的记忆，有助于学习新知识。再比如，微观动力学方程的推导是自由基聚合这一章的重点关键内容，要求学生掌握推导过程，理解推导过程中的三个假定和一个近似处理。三个假定分别是等活性假定、稳态假定、聚合度很大假定，一个近似处理是对引发剂引发时的引发速率方程做的近似简化处理。在做微观动力学推导时，也可以首先回顾先修物理化学课程中关于速率方程的概念和知识，由此导入，学生更容易理解，关键要讲清每一步推导的逻辑关系和处理问题的思路。比如，首先聚合速率是指单位时间单体转化为聚合物的量，要写出聚合速率方程，可以以单体的消失速率来表示，单体主要消耗与链引发反应第二步和链增长反应，这样首先根据定义写出聚合速率的表达式：2ipd MRRRdt=+(1)此时，用到第一个假定，也可以说是合理的简化处理，聚合度很大假定，这样相对大量消耗单体的链增长，引发反应消耗的单体可以忽略不计，所以聚合速率可以以链增长速率表达：pRR(2)而链增长是单体与自由基的多步加成，仍然以单体的消耗速率表示：1inppiiRkRMM=(3)此时，如果不做简化处理，动力学方程将会很复杂，有 n 个链增长速率常数。因此这里引入第二个假定，等活性假定，假定链长不等的自由基活性相等，也就是说多个链增长速率因此可以用一个统一链增长速率 kp表示，从而使复杂的问题简单化，使学生更容易理解。1()nPppiid MRkMRMdt=(4)再引入自由基浓度总和，就可以写出聚合速率的表达式，1/2=(/2)pPpitRkMMkMRk=(5)这里，要给学生讲清楚，假定要有一定的理论依据，同时在假定成立基础上得到的公式要经过实验的检验。这里等活性假定的理论基础是什么呢？因为不同链长的链自由基，其末端结构都是相同的，而大分子链的运动单元是链段，所以等活性假定是有理论基础，是合理的。如果学生能理解这个推导过程，就不用硬背公式。3 与实践联系，与实验结合高分子化学虽然是专业基础课，理论性较强，但是也与实际应用紧密相连。Flory 曾经说过：“高分子化学既是一门基础科学，又是一门应用科学。”所以在讲课过程中，也要多联系实际和应用。比如，在讲自由基共聚时，同样是苯乙烯和丁二烯共聚，不同的聚合方法得到不同共聚物类型，那产品也不同。苯乙烯和丁二烯的无规共聚物是很熟悉的丁苯橡胶，而苯乙烯和丁二烯的接枝共聚物则是高抗冲聚苯乙烯树脂，而苯乙烯、丁二烯、苯乙烯的三嵌段共聚物则是典型的热塑性弹性体。所以虽然是同样的单体，不同的聚合图1 第三章自由基聚合主线2023年03月|33方法，得到不同类型的共聚物，产品用途也不同。再比如，在讲聚合实施方法时，经典的自由基聚合实施方法一般有四种，即本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。本体聚合和溶液聚合相对简单，而悬浮聚合和乳液聚合相对复杂，经典的悬浮聚合是油溶性单体在搅拌和分散剂的作用下，以小颗粒的状态分散在水中而成，引发剂也是油溶性，因此每一个单体颗粒就是一个小本体聚合的场所。高分子化学实验，悬浮聚合基本是必开的项目，在实验时，可以联系悬浮聚合的概念，聚合过程以及产品讲解，辅助以直观的实验认识，让学生更容易接受和理解。4 合理设置作业和练习合理设置作业和练习，帮助学生加强理解。高分子化学内容多，课堂学习之后，除了复习总结，还是需要设计合理的练习来巩固。还是以自由基聚合这一章第一讲，烯类单体对聚合机理选择性为例，刚学完时，可以做一些简单的判断练习，比如：丙烯腈适用于哪种连锁聚合，苯乙烯适用于哪种连锁聚合，氯乙烯又是哪种连锁聚合？以帮助学生加强记忆和理解。全书学完后，可以做一些稍微综合性练习，融合贯通知识。例如如下习题：给下面的单体选择合适的引发体系，并说明是哪种机理聚合反应?单体：氯乙烯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯；引发体系：过氧化二苯甲酰、萘钠、三氟化硼+水。这里首先要会判断单体能进行哪种机理的聚合，然后要知道引发剂能引发哪种机理的聚合。氯乙烯是只能自由基聚合，所以只能选择过氧化苯甲酰进行自由基聚合，而苯乙烯是自由基、阴离子、阳离子聚合都可以，所以理论上可以分别选择过氧化二苯甲酰、萘钠、三氟化硼+水分别引发自由基、阴离子、阳离子聚合。5 借助多样化的教学辅助手段教和学都可以借助于多样化的辅助教学手段。在课堂教学上，大多主要采用传统的多媒体授课形式，以 PPT 讲解为主，同时，遇到复杂的公式推导等等，可以黑板板书，辅以专题讨论，小组讨论，适当的课堂提问，加强“教”的力度的同时，调动学生“学”的主观能动性提高学生的参与度2；学生的课后学习、复习巩固和课前预习，可以借助于一些平台，比如：优学院。优学院可以上传视频、PPT、习题，也可以做在线小测、发布讨论等等，方便实用。在学习某一章节之前，可以发布相关讨论问题，让学生讨论预习，课后可以发布小测，让学生自己测验，看关键内容有没有理解和掌握。同时，也可以提供一些高分子小知识视频、动画，讲课视频供学生学习讨论，也可以就一些学生感兴趣或者比较难理解的或者重要内容，发布讨论，让学生在讨论、辩论中提高。6 讲课并重化工人才培养目前，化工产业发展以及工程认证都对化工人才培养提出了更高的、明确的要求3，因此，在授课中，要注意培养学生的环保、安全、创新意识，教学内容的设计除了夯实基础，还要根据化工行业发展需求设置合适的教学内容，授课体系也要适应化工产业发展的最新需求，及时更新授课知识体系。利用课程配套的实验实训，可以适当引入化工产业领域的合适课题进入学生实验实训安排，为培养化工行业卓越人才打下基础。7 结语总之，高分子化学是一门相对较难的专业基础课，学好高分子化学不仅可以对后续的相关课程，如：高分子合成工艺学、功能高分子材料等具有直接影响，还可为将来从事高分子材料、化工领域的工作打下良好的基础，因为高分子化学和高分子物理课程是建立高分子知识架构的基础。因此，从长远来说，学好这门课程以及课程学习中形成的对化工领域安全环保和创新意识是培养优秀化工人才的基础。因此，教和学都要多思考，并辅助以多种手段(除了以上详细阐述的几点，还可以借助思维导图来理清思路4，抓主干重点等等)，提高