高分子材料与工程专业系统化实验体系的建立

高分子材料与工程专业系统化实验体系的建立
刘宇艳;刘宇婷;刘立洵;孟令辉;黄玉东
【摘要】Experiment is an indispensable form of teaching in the education of polymer science, previous teaching lacks the consistency of the experimental design in various courses, there is no intersection between the experiment contents, and the teaching content is rigid. To solve these problems, the experimental courses in polymer synthesis, characterization, processing and decomposition should be linked with each other together, and at the same time the latest scientific research should be introduced to form an interlocking, organic combination of polymer science experiment course system. In order to cultivate the spirit of innovation of the students, the best environment for students should be provided to stimulate interest and motivation to create.%实验是高分子科学教育中不可或缺的教学形式,以往教学中各门课程的实验设计缺乏连贯性,只按自己的特点组织实验内容,相互之间没有交叉、衔接,教学内容僵化.针对这些问题,将高分子实验课中聚合物合成、表征、加工和分解等各环节互相串联起来,同时引人科研中的最新研究成果,组成一门环环相扣、有机结合的高分子科学实验课程体系,为培养学生的创新精神提供最佳环境,使学生亲身感受到高分子科学实验的实用价值,激发学生的兴趣和创造动机.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2011(028)001
【总页数】3页(P9-11)
【关键词】实验系列化;系统性;科研成果;创新能力
【作者】刘宇艳;刘宇婷;刘立洵;孟令辉;黄玉东
【作者单位】哈尔滨工业大学高分子材料与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学高分子材料与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学高分子材料与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学高分子材料与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学高分子材料与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】G642.423
Abstract:Experiment is an indispensable form of teaching in the education of polymer science,previous teaching lacks the consistency of the experimental design in various courses,there is no intersection between the experiment contents,and the teaching content is rigid.To solve these problems,the experimental courses in polymer
synthesis,characterization,processing and decomposition should be linked with each other together,and at the same time the latest scientific research should be introduced to form an interlocking,organic combination of polymer science experiment course system.In order to cultivate the spirit of innovation of the students,the best environment for students should be provided to stimulate interest and motivation to create.
Key words:experimental series;systematization;achievements of scientific research;innovation abilities
高分子科学是一门系统性、实用性和实验性都很强的学科,由于高分子有广阔的应
用前景,它已深入到人类生活和生产的各个角落,并逐渐发展成为基础学科,与原来的四大化学并列,成为第五大化学。

高分子实验技术是高分子科研和教学中非常重要的一个环节。

随着社会对人才实践能力的要求更为迫切,在大学教育中,深入开展和完善实验教学,增加更能体现科技前沿的实验项目,增加创新性的综合性实验,开发适合本专业特色的实验教学体系,成为提高教学质量,培养学生能力不可缺失的重要手段。

近几年来,各个学校在开设高分子专业实验时都会依照自己学校的资源情况决定实验内容,在强化实验基本技能的基础上,加强技能性、工艺性实验,实施开放式专业实验教学模式。

但对于专业综合实验的设计和改革,目前对实验模式和实验内容尚无一致的观点[1]。

为此,本文分析了目前高分子材料专业实验教学体系存在的不足,提出了专业实验系统化的实验体系并在学生实验中引入科研成果辅助教学。

高分子专业实验是高分子学科的重要组成部分,通常高分子专业实验都包含高分子化学实验、高分子物理实验以及高分子成型加工等实验课程。

实验是高分子科学教育中最有效的教学形式,它可以帮助学生建立和巩固高分子科学的基本概念和基本理论,获取高分子科学知识,培养科学素养[2]。

世界各国都十分重视大学本科实验教学[3-5],如美国高校工科将实验教学阶段分为3步。

第一步,由实验技术人员指导学生进行常用实验仪器的使用学习和训练,使其掌握基本的实验技能、实验方法;第二步,由教师指导学生利用基础阶段已掌握的基本知识和技能,进一步学习和掌握典型的综合性实验、仿真模拟实验等;第三步,由学生进行设计性实验[6]。

而国内的实验教学与其不同,实验教学体系不够合理,具体体现在:高分子材料专业理论教学部分主要从高分子化学、高分子物理、高分子工程3个方面向学生讲授。

因此,实验教学部分也依附于这3个方面被划分为高分子化学实验、高分子物理实验和高分子成型加工实验[7]。

实验课程也没有连贯性,常常为了教学的方便而人为地将它们分为多门独立的课程。

教学内容僵化,验证性的实验较多,所有的内容在教材上都写好了,
学生只要照着做就行了。

实验环节偏重于理论验证,突出高分子材料工程特点的实验太少。

这种传统的实验教学体系使学生的创新能力和工程概念得不到有效的培养,学生的实验兴趣和积极性得不到有效的激发[7]。

上述不足与问题既影响了本科教学质量,也制约了大学生的实验技能和创新思维能力的培养。

为了从根本上改变实验教学依附、从属于理论课的局面,改变实验教学内容各自独立、零散、重复的现状,我们加强了实验教学的基础性和系统性,并将科研中的一些研究成果转化为实验教学,以此来改善专业实验中存在的不足。

高分子材料专业实验系统化设计着眼于培养学生高分子材料工程概念,将高分子材料科学与工程专业的高分子化学实验、高分子物理实验以及塑料成型加工实验等多门课程有机地串联起来,同时引入教师科研中的研究成果——塑料的超临界分解实验,形成一门能环环相扣,创新式、互动式的高分子专业实验课。

让学生学习到从单体制备聚合物(高分子化学实验)、聚合物基本性能测试(高分子物理实验)、聚合物成型加工成制品(塑料成型加工实验和复合材料成型加工实验)到将聚合物制品分解成单体(研究成果)的连续“链”组成的实验内容。

不仅使学生把各门课程的实验内容有机地衔接起来,同时了解到高分子制品从制备、加工、分解、回收到资源化整个闭环的循环过程,不仅学到专业知识,还增加了节能环保意识。

2.1 科学设计系统化实验
我们以往的课程设置将高分子科学实验人为地割裂开,破坏了它的统一性。

而实验体系系统化的目的在于利用有限的实验课时,让学生体验到高分子专业实验的整个过程,激发学生兴趣,培养创新能力。

下面以一个系统化实验主题为例,说明系统化实验的设计过程:
系统化实验主题:聚苯乙烯系列实验
实验环节1:苯乙烯的悬浮聚合(高分子化学实验);
实验环节2:红外光谱法鉴定聚苯乙烯聚合物(高分子物理实验);
实验环节3:凝胶渗透色谱法测定聚苯乙烯的分子量及分子量分布(高分子物理实验); 实验环节4:粘度法测定聚苯乙烯分子量(高分子物理实验);
实验环节5:密度法测定聚苯乙烯的密度(高分子物理实验);
实验环节6:聚苯乙烯熔融指数的测定(高分子物理实验);
实验环节7:聚苯乙烯动态力学性能分析(高分子物理实验);
实验环节8:聚苯乙烯的热成型(塑料成型加工实验);
实验环节9:聚苯乙烯的油化分解(塑料成型加工实验)。

2.2 系统化实验流程图
采用苯乙烯单体通过悬浮聚合的方法合成聚苯乙烯,通过本实验加深对悬浮聚合反应机理和特点的了解,掌握实验室悬浮聚合方法和基本操作。

然后通过红外光谱法鉴定合成的聚合物,初步掌握红外光谱仪的使用,掌握查阅红外光谱图和定性分析聚合物的基本原则。

用凝胶渗透色谱法测定聚苯乙烯分子量和分子量分布,以此了解GPC法测定分子量及其分布的原理。

利用乌氏粘度计测定聚苯乙烯分子量,熟悉聚合物溶液粘度的测定方法,掌握粘度法测定分子量的基本原理。

利用悬浮原理使用密度梯度管和密度测定仪测定制备的聚苯乙烯的密度,掌握密度梯度管的配置和密度测定仪的使用,通过密度的测定计算高聚物的结晶度。

使用熔融指数测定仪测定聚苯乙烯的熔融指数。

扭辨法测定聚苯乙烯的动态力学性能,了解动态力学谱仪的分析原理。

采用热成型将聚苯乙烯粒料加工成制品(如碗),最后将制品粉碎,热分解成油。

实验流程如图1所示。

超临界流体是指处于临界温度与临界压力(称为临界点)以上状态的一种可压缩的高密度流体,是通常所说的气、液、固3态以外的第4态,其分子间引力很小,类似于气体,而密度却很大,接近于液体,因此具有介于气体和液体之间的气液两重性质,同时具有液体较高的溶解性和气体较高的流动性,比普通液体溶剂传质速率高;扩散系数介于液体和气体之间,具有较好的渗透性;没有相际效应,有助于提高萃取效率,并可大幅
度节能[8-12]。

聚烯烃塑料是塑料品种中使用量最大的一类,其废弃物是造成环境污染的主要原因,对这类聚合物的回收具有很大的经济效益和环境效益。

目前,工业上常采用的是催化热分解技术。

利用热分解可以使废旧聚烯烃塑料变成低分子的油状物。

热分解产物的油化率较低,且炭化现象严重。

利用超临界水对废塑料进行分解回收,结果表明,在超临界水介质中聚烯烃的分解反应同样可以发生,油化率提高,无炭化现象出现,但是反应速度相对于无水热分解较低[13]。

我校在高分子专业实验体系中设置了采用超临界流体技术分解PET塑料的实验。

本实验中,当临界温度达到374.1℃、临界压力达到22.12MPa时进入超临界水状态,此时超临界水会显示出独特的性能。

利用该性能可以实现PET塑料的分解和单体对苯二甲酸的回收。

这个实验可以让学生全面了解和掌握超临界流体的性质,熟悉PET塑料的超临界流体分解过程和单体回收的处理过程,并且加强了对学生环境保护意识和高分子材料回收利用意识的培养。

高分子材料专业实验系统化是我校改革高分子材料专业实验的尝试,通过建立高分子材料与工程专业系统化的实验体系,将以往孤立的,缺乏连贯性的实验课程有机结合起来,形成一个链式体系。

这种新的实验教学体系不仅增强了学生的动手能力、加深了对整个高分子材料科学与工程体系的认识,提高了学生综合应用知识的能力,完善了学生的工程概念,激发了学生的求知欲和创新意识,而且在实验过程中结合了最新的研究成果,提高了学生的创新能力,让学生体会到学以致用的乐趣。

今后我们将继续努力,进一步完善实验教学的体系和运行机制,通过调整实验内容,激发学生的实验兴趣,进一步提高学生在实验过程中的主动性和创造性,探索出最佳的实验教学模式,以培养出越来越多具有创新能力的高素质人才。

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