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高分子材料:以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料,高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料,包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料,由千百個原子彼此以共價鍵結(jié)合形成相對分子質(zhì)量特別大、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物。
高分子的分子量從幾千到幾十萬甚至幾百萬,所含原子數(shù)目一般在幾萬以上,而且這些原子是通過共價鍵連接起來的。高分子化合物中的原子連接成很長的線狀分子時,叫線型高分子(如聚乙烯的分子)。如果高分子化合物中的原子連接成網(wǎng)狀時,這種高分子由于一般都不是平面結(jié)構(gòu)而是立體結(jié)構(gòu),所以也叫體型高分子。
二、高分子材料的結(jié)構(gòu)特征
高分子材料的高分子鏈通常是由103~105個結(jié)構(gòu)單元組成,高分子鏈結(jié)構(gòu)和許許多多高分子鏈聚在一起的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)形成了高分子材料的特殊結(jié)構(gòu)。 因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的結(jié)構(gòu)特征(如同分異構(gòu)體、幾何結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)異構(gòu))外,還具有許多特殊的結(jié)構(gòu)特征。高分子結(jié)構(gòu)通常分為鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩個部分。鏈結(jié)構(gòu)是指單個高分子化合物分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài),所以鏈結(jié)構(gòu)又可分為近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu),也稱一級結(jié)構(gòu),包括鏈中原子的種類和排列、取代基和端基的種類、結(jié)構(gòu)單元的排列順序、支鏈類型和長度等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)是指分子的尺寸、形態(tài),鏈的柔順性以及分子在環(huán)境中的構(gòu)象,也稱二級結(jié)構(gòu)。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物材料整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括晶體結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)等有關(guān)高聚物材料中分子的堆積情況,統(tǒng)稱為三級結(jié)構(gòu)。
三、高分子材料按來源分類
高分子材料按來源分,可分為天然高分子材料、半合成高分子材料(改性天然高分子材料)和合成高分子材料。
天然高分子材料包括纖維素、蛋白質(zhì)、蠶絲、橡膠、淀粉等。合成高分子材料以及以高聚物為基礎(chǔ)的,如各種塑料,合成橡膠,合成纖維、涂料與粘接劑等。
四、生活中的高分子材料
生活中的高分子材料很多,如蠶絲、棉、麻、毛、玻璃、橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復(fù)合材料等。下面就以塑料和纖維素舉例說明。
(一)、塑料
塑料是一種合成高分子材料,又可稱為高分子或巨分子,也是一般所俗稱的塑料或樹脂,可以自由改變形體樣式。是利用單體原料以合成或縮合反應(yīng)聚合而成的材料,由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、劑、色料等添加劑組成的,它的主要成分是合成樹脂。
塑料主要有以下特性:①大多數(shù)塑料質(zhì)輕,化學(xué)性穩(wěn)定,不會銹蝕;②耐沖擊性好;③具有較好的透明性和耐磨耗性;④絕緣性好,導(dǎo)熱性低;⑤一般成型性、著色性好,加工成本低;⑥大部分塑料耐熱性差,熱膨脹率大,易燃燒;⑦尺寸穩(wěn)定性差,容易變形;⑧多數(shù)塑料耐低溫性差,低溫下變脆;⑨容易老化;⑩某些塑料易溶于溶劑。塑料的優(yōu)點(diǎn)1、大部分塑料的抗腐蝕能力強(qiáng),不與酸、堿反應(yīng)。2、塑料制造成本低。3、耐用、防水、質(zhì)輕。4、容易被塑制成不同形狀。5、是良好的絕緣體。6、塑料可以用于制備燃料油和燃料氣,這樣可以降低原油消耗。塑料的缺點(diǎn)1、回收利用廢棄塑料時,分類十分困難,而且經(jīng)濟(jì)上不合算。2、塑料容易燃燒,燃燒時產(chǎn)生有毒氣體。3、塑料是由石油煉制的產(chǎn)品制成的,石油資源是有限的。
塑料的結(jié)構(gòu)基本有兩種類型:第一種是線型結(jié)構(gòu),具有這種結(jié)構(gòu)的高分子化合物稱為線型高分子化合物;第二種是體型結(jié)構(gòu),具有這種結(jié)構(gòu)的高分子化合稱為體型高分子化合物。線型結(jié)構(gòu)(包括支鏈結(jié)構(gòu))高聚物由于有獨(dú)立的分子存在,故有彈性、可塑性,在溶劑中能溶解,加熱能熔融,硬度和脆性較小的特點(diǎn)。體型結(jié)構(gòu)高聚物由于沒有獨(dú)立的大分子存在,故沒有彈性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶脹,硬度和脆性較大。塑料則兩種結(jié)構(gòu)的高分子都有,由線型高分子制成的是熱塑性塑料,由體型高分子制成的是熱固性塑料。
塑料的應(yīng)用:透明塑料制成整體薄板車頂。薄板車頂?shù)男?a href="http://m.bjhyfc.net/haowen/260821.html" target="_blank">概念基于透明靈活的聚碳酸酯或硅樹脂材料,可以被永久性地塑造成單個的聚碳酸酯薄板,也可作為可折疊鉸鏈和封條。拜耳材料科技研發(fā)的原型總共配備了四個靈活的薄板部件,形成了四扇“頂窗”,每扇窗都可單獨(dú)打開和關(guān)閉。導(dǎo)軌用于連接薄板部件,形成一個牢固、透明的聚碳酸酯車頂外殼。一個同樣透明的管子沿車頂結(jié)構(gòu)中央縱向放置,在“頂窗”打開后用來調(diào)節(jié)折疊薄板。這樣可以形成三維立體結(jié)構(gòu),組件比平坦的薄板更加牢固。同時也大大降低了單個組件的數(shù)量。
(二)、纖維素
纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖。不溶于水及一般有機(jī)溶劑。是植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物,占植物界碳含量的50%以上。纖維素是自然界中存在量最大的一類有機(jī)化合物。它是植物骨架和細(xì)胞的主要成分。在棉花、亞麻和一般的木材中,含量都很高。
纖維素的結(jié)構(gòu):纖維素是一種復(fù)雜的多糖,分子中含有約幾千個單糖單元,即幾千個(C6H10O5);相對分子質(zhì)量從幾十萬至百萬;屬于天然有機(jī)高分子化合物;纖維素結(jié)構(gòu)與淀粉不同,故性質(zhì)有差異。
纖維素的性能:纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑,能溶于銅氨Cu(NH3)4(OH)2溶液和銅乙二胺 [NH2CH2CH2NH2]Cu(OH)2溶液等。水可使纖維素發(fā)生有限溶脹,某些酸、堿和鹽的水溶液可滲入纖維結(jié)晶區(qū),產(chǎn)生無限溶脹,使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時不發(fā)生顯著變化 ,超過這溫度會由于脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無機(jī)酸起水解作用生成葡萄糖等,與較濃的苛性堿溶液作用生成堿纖維素,與強(qiáng)氧化劑作用生成氧化纖維素。
關(guān)鍵詞:高分子材料 可降解 生物
我國目前的高分子材料生產(chǎn)和使用已躍居世界前列,每年產(chǎn)生幾百萬噸廢舊物。如此多的高聚物迫切需要進(jìn)行生物可降解,以盡量減少對人類及環(huán)境的污染。生物可降解材料,是指在自然界微生物,如細(xì)菌、霉菌及藻類作用下,可完全降解為低分子的材料。這類材料儲存方便,只要保持干燥,不需避光,應(yīng)用范圍廣,可用于地膜、包裝袋、醫(yī)藥等領(lǐng)域。生物可降解的機(jī)理大致有以下3 種方式: 生物的細(xì)胞增長使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞; 微生物對聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì);酶的直接作用,即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。按照上述機(jī)理,現(xiàn)將目前研究的幾種主要的可生物可降解的高分子材料介紹如下。
1、生物可降解高分子材料概念及降解機(jī)理
生物可降解高分子材料是指在一定的時間和一定的條件下,能被微生物或其分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料。
生物可降解的機(jī)理大致有以下3種方式:生物的細(xì)胞增長使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞;微生物對聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì);酶的直接作用,即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。一般認(rèn)為,高分子材料的生物可降解是經(jīng)過兩個過程進(jìn)行的。首先,微生物向體外分泌水解酶和材料表面結(jié)合,通過水解切斷高分子鏈,生成分子量小于500的小分子量的化合物;然后,降解的生成物被微生物攝入人體內(nèi),經(jīng)過種種的代謝路線,合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動的能量,最終都轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。
因此,生物可降解并非單一機(jī)理,而是一個復(fù)雜的生物物理、生物化學(xué)協(xié)同作用,相互促進(jìn)的物理化學(xué)過程。到目前為止,有關(guān)生物可降解的機(jī)理尚未完全闡述清楚。除了生物可降解外,高分子材料在機(jī)體內(nèi)的降解還被描述為生物吸收、生物侵蝕及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除與材料本身性能有關(guān)外,還與材料溫度、酶、ph值、微生物等外部環(huán)境有關(guān)。
2、生物可降解高分子材料的類型
按來源,生物可降解高分子材料可分為天然高分子和人工合成高分子兩大類。按用途分類,有醫(yī)用和非醫(yī)用生物可降解高分子材料兩大類。按合成方法可分為如下幾種類型。
2.1微生物生產(chǎn)型
通過微生物合成的高分子物質(zhì)。這類高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖,具有生物可降解性,可用于制造不污染環(huán)境的生物可降解塑料。如英國ici 公司生產(chǎn)的“biopol”產(chǎn)品。
2.2合成高分子型
脂肪族聚酯具有較好的生物可降解性。但其熔點(diǎn)低,強(qiáng)度及耐熱性差,無法應(yīng)用。芳香族聚酯(pet) 和聚酰胺的熔點(diǎn)較高,強(qiáng)度好,是應(yīng)用價值很高的工程塑料,但沒有生物可降解性。將脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺) 制成一定結(jié)構(gòu)的共聚物,這種共聚物具有良好的性能,又有一定的生物可降解性。
2.3天然高分子型
自然界中存在的纖維素、甲殼素和木質(zhì)素等均屬可降解天然高分子,這些高分子可被微生物完全降解,但因纖維素等存在物理性能上的不足,由其單獨(dú)制成的薄膜的耐水性、強(qiáng)度均達(dá)不到要求,因此,它大多與其它高分子,如由甲殼質(zhì)制得的脫乙?;嗵堑裙不熘频谩?/p>
2.4摻合型
在沒有生物可降解的高分子材料中,摻混一定量的生物可降解的高分子化合物,使所得產(chǎn)品具有相當(dāng)程度的生物可降解性,這就制成了摻合型生物可降解高分子材料,但這種材料不能完全生物可降解。
3、生物可降解高分子材料的開發(fā)
3.1生物可降解高分子材料開發(fā)的傳統(tǒng)方法
傳統(tǒng)開發(fā)生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法等。
3.1.1天然高分子的改造法
通過化學(xué)修飾和共混等方法,對自然界中存在大量的多糖類高分子,如淀粉、纖維素、甲殼素等能被生物可降解的天然高分子進(jìn)行改性,可以合成生物可降解高分子材料。此法雖然原料充足,但一般不易成型加工,而且產(chǎn)量小,限制了它們的應(yīng)用。
3.1.2化學(xué)合成法
模擬天然高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu),從簡單的小分子出發(fā)制備分子鏈上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物,這些高分子化合物結(jié)構(gòu)單元中含有易被生物可降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)或是在高分子鏈中嵌入易生物可降解的鏈段?;瘜W(xué)合成法反應(yīng)條件苛刻,副產(chǎn)品多,工藝復(fù)雜,成本較高。
3.1.3微生物發(fā)酵法
許多生物能以某些有機(jī)物為碳源,通過代謝分泌出聚酯或聚糖類高分子。但利用微生物發(fā)酵法合成產(chǎn)物的分離有一定困難,且仍有一些副產(chǎn)品。
 
; 3.2生物可降解高分子材料開發(fā)的新方法——酶促合成
用酶促法合成生物可降解高分子材料,得益于非水酶學(xué)的發(fā)展,酶在有機(jī)介質(zhì)中表現(xiàn)出了與其在水溶液中不同的性質(zhì),并擁有了催化一些特殊反應(yīng)的能力,從而顯示出了許多水相中所沒有的特點(diǎn)。
3.3酶促合成法與化學(xué)合成法結(jié)合使用
酶促合成法具有高的位置及立體選擇性,而化學(xué)聚合則能有效的提高聚合物的分子量,因此,為了提高聚合效率,許多研究者已開始用酶促法與化學(xué)法聯(lián)合使用來合成生物可降解高分子材料
4、生物可降解高分子材料的應(yīng)用
目前生物可降解高分子材料主要有兩方面的用途:(1)利用其生物可降解性,解決環(huán)境污染問題,以保證人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。通常,對高聚物材料的處理主要有填埋、焚燒和再回收利用等3種方法,但這幾種方法都有其弊端。(2)利用其可降解性,用作生物醫(yī)用材料。目前,我國一年約生產(chǎn)3000 多億片片劑與控釋膠囊劑,其中70%以上是上了包衣的表皮,其中包衣片中有80%以上是傳統(tǒng)的糖衣片,而國際上發(fā)達(dá)國家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片,因此,我國的片劑制造水平與國際先進(jìn)水平有很大的差距。國外片劑和薄膜衣片多采用羥丙基甲纖維素,羥丙纖維素、丙烯酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纖維素、鄰苯二甲酸醋酸纖維素、羥甲基纖維素鈉、微晶纖維素、羥甲基淀粉鈉等。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞: 高分子材料與工程專業(yè) 有機(jī)化學(xué) 教學(xué)現(xiàn)狀 教學(xué)改革
有機(jī)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科中的一個十分重要的組成部分,它的主要研究對象是有機(jī)分子,從有機(jī)物結(jié)構(gòu)入手,研究有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì),在分子水平上探知未知世界的基礎(chǔ)學(xué)科。在我校,有機(jī)化學(xué)是面向化工學(xué)院、藥學(xué)院二年級,以及海洋學(xué)院一年級學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,是“大類培養(yǎng)”的主干課程。通過有機(jī)化學(xué)課程的學(xué)習(xí),可使化學(xué)類學(xué)生掌握有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的基本理論、基本知識和實驗操作技能,把握有機(jī)化學(xué)發(fā)展領(lǐng)域的新概念、新動向和新技術(shù),同時為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。
1.教學(xué)現(xiàn)狀
在工科院校,有機(jī)化學(xué)的教學(xué)課時“縮水”,如我校有機(jī)化學(xué)雖然是“大類培養(yǎng)”的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,但是其課時數(shù)被壓縮到64個學(xué)時,教師必須在一個學(xué)期之內(nèi)完成教學(xué)。而有機(jī)化學(xué)作為高分子材料與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課,是高分子化學(xué)、高聚物合成工藝學(xué)、高分子材料學(xué)等后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ),學(xué)生必須在有限的課時數(shù)里掌握《有機(jī)化學(xué)》這門課程,難度大,任務(wù)重。
另外,由于江蘇省高考制度,較大部分的學(xué)生高中階段選修的“物生”,進(jìn)入大學(xué)后化學(xué)知識特別是有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識非常薄弱,一個教學(xué)班級里,學(xué)生的化學(xué)知識水平參差不齊。通常是剛進(jìn)入大學(xué)的第一學(xué)期學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué),對于選“物生”的學(xué)生來說,沒有化學(xué)基礎(chǔ),一開始就挫傷他們學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心。學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)時,多數(shù)學(xué)生對有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)有畏懼感。如果入校時對專業(yè)認(rèn)知不夠,不能看到有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)對高分子材料與工程專業(yè)學(xué)習(xí)的重要性,更是對有機(jī)化學(xué)失去興趣。
再者,有機(jī)化學(xué)課程自身的特點(diǎn),由于有機(jī)物數(shù)量多,結(jié)構(gòu)多變,機(jī)理難掌握。而工科院校的有機(jī)化學(xué)課時數(shù)又被壓縮,教師為了教授完大綱的教學(xué)內(nèi)容,不得不采取“滿堂灌”教學(xué)方法,使得學(xué)生缺乏主動獲得知識的能力,被動“填鴨式”教學(xué)必然導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。一學(xué)期教學(xué)結(jié)束,發(fā)現(xiàn)學(xué)生知識掌握不好,除了少部分拔尖的學(xué)生,大部分學(xué)生對這門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課一知半解,學(xué)到的有機(jī)知識很少。
2.教學(xué)改革
結(jié)合有機(jī)化學(xué)學(xué)科規(guī)律,針對高分子材料與工程專業(yè)特點(diǎn),對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化、取舍;改進(jìn)教學(xué)手段,選聘高年級本科生、研究生做助理班主任,讓他們參與本科生教學(xué),形成多元化的本科生教學(xué)隊伍;改革考核方式,實現(xiàn)高分子材料與工程專業(yè)有針對性的考核方式,教考分離。
(1)改革教學(xué)內(nèi)容
有機(jī)化學(xué)的教學(xué)關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生“有機(jī)”這一學(xué)科,不同于其他幾門基礎(chǔ)化學(xué)課,有機(jī)化學(xué)基本不涉及計算,不涉及公式,說的是圖片的拼接,化學(xué)鍵的斷裂與重組,以構(gòu)建新的有機(jī)分子。那么,在教學(xué)過程中如何引導(dǎo)學(xué)生使用“有機(jī)思維”思考問題才是關(guān)鍵。當(dāng)我們談到如何面對課時數(shù)被壓縮這個問題,如果抓住“引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入有機(jī)化學(xué)這個學(xué)科”這個關(guān)鍵問題,就能依據(jù)高分子材料與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案,深入分析研究教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo),對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍。
在改革教學(xué)內(nèi)容時,還要考慮以下兩個方面問題:一是研讀多種版本的教材,最新版本的中、英文有機(jī)化學(xué)教材和專著等,從不同研讀、分析深度的教材方面,準(zhǔn)確把握“基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)”教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn),結(jié)合高分子材料與工程專業(yè)的特點(diǎn)來取舍教學(xué)內(nèi)容。二是關(guān)注高分子領(lǐng)域的研究前沿,發(fā)展動態(tài),結(jié)合傳統(tǒng)的知識,推陳出新,把最新的知識信息教授于學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生了解最新的前沿,激發(fā)他們的興趣,使之感覺到目前所學(xué)知識的有用性。
(2)改革教學(xué)手段
我校近年實施了一項“班主任助理”制度,選派高年級本科生、研究生擔(dān)任本科生班級班主任助理,取得了很好的教學(xué)效果。高年級本科生、研究生參與本科生教學(xué),形成多層次、多元化的本科生教學(xué)隊伍。
高年級本科生已經(jīng)學(xué)習(xí)了有機(jī)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課,經(jīng)歷過有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)和考核,有自己的學(xué)習(xí)方法和技巧;他們已經(jīng)進(jìn)入高分子材料與工程專業(yè)課程學(xué)習(xí),對哪些知識對專業(yè)課學(xué)習(xí)重要有切身體會;他們與低年級學(xué)生同屬于一個年齡階段,有更多的共同話題,溝通交流更容易,幫助學(xué)生及早發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)缺點(diǎn),揚(yáng)長避短。
高分子材料與工程研究方向的研究生,通常具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識,已經(jīng)接觸了專業(yè)的前沿研究方向,可以對高分子材料與工程專業(yè)低年級學(xué)生的學(xué)業(yè)、思想及心理等方面給予關(guān)心和指導(dǎo)。而且本科生可以在研究生的帶領(lǐng)下主動做一些創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目,這使得本科生更清楚自己在課堂學(xué)習(xí)中哪方面有不足,增強(qiáng)本科生對基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的熱情,使他們在有機(jī)化學(xué)課堂學(xué)習(xí)中更積極、努力。
(3)改革考核方式
良好考核方式可以極大地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高他們學(xué)習(xí)的積極性。目前,我院不同專業(yè)實行統(tǒng)一考試,如環(huán)境工程、化學(xué)工程、安全工程和高分子材料與工程等專業(yè)統(tǒng)一出卷,流水閱卷、統(tǒng)一登分,做到公正、準(zhǔn)確。但是,這種“統(tǒng)一”的方法抹殺不同專業(yè)對有機(jī)化學(xué)需求的不同,使得教師和學(xué)生忽視基礎(chǔ)課對后續(xù)專業(yè)課的影響,結(jié)果是為了考試而學(xué)習(xí),不能真正掌握自己專業(yè)需求的有機(jī)化學(xué)知識。
為了提高學(xué)生的整體素質(zhì)和學(xué)習(xí)積極性,我們應(yīng)實現(xiàn)不同專業(yè)單獨(dú)出卷、單獨(dú)考核的方式。卷面上可以體現(xiàn)出適合高分子材料與工程專業(yè)的題目,結(jié)合他們的后續(xù)專業(yè)課程。哪些知識是有機(jī)化學(xué)這門課程必須掌握的基礎(chǔ)知識,哪些知識是關(guān)聯(lián)高分子材料與工程的專業(yè)知識。同時,建立針對性的有機(jī)化學(xué)試題庫,使學(xué)生接觸更多不同的題型,拓寬知識面。建立適合高分子材料與工程專業(yè)的有機(jī)化學(xué)試題庫,有機(jī)化學(xué)課程理論考試按照一定的難度系數(shù)、教學(xué)要求、考試范圍等,統(tǒng)一從試題庫里抽調(diào),實現(xiàn)教考分離。
3.結(jié)語
為全面提升高分子材料與工程專業(yè)的有機(jī)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量,我們要結(jié)合有機(jī)化學(xué)學(xué)科規(guī)律,針對高分子材料與工程專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn),從學(xué)生的實際出發(fā),認(rèn)真分析總結(jié),精選教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)新教學(xué)手段,改革考核方式,不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以提高高分子材料與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞 僑校內(nèi)外生源 高分子加工工藝學(xué) 實驗儀器教學(xué)評價體系
中圖分類號:G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
0 前言
暨南大學(xué)作為有著百年歷史的僑校,每年本科招收的外招生都超過了半數(shù)。一般內(nèi)招生數(shù)理基礎(chǔ)扎實,動手能力稍弱;而僑生數(shù)理基礎(chǔ)稍弱,但創(chuàng)新能力、動手能力較強(qiáng)。為了適應(yīng)這種情況,創(chuàng)新高分子加工工藝學(xué)的教學(xué)方法與教學(xué)手段,適應(yīng)兩類學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)顯得至關(guān)重要。①本教改實施后,可提高實驗學(xué)生的責(zé)任感、迫切感和實驗熱情,使其經(jīng)歷高分子產(chǎn)品開發(fā)全過程,享受到從原料到制品的快樂,基本技能在模塊中被不斷重復(fù)和加強(qiáng),培養(yǎng)節(jié)約素養(yǎng)、成本意識和綜合能力,富于成就感。
1 高分子加工工藝學(xué)課程體系新舊對比
現(xiàn)有的高分子加工工藝學(xué)課程體系是分散的、驗證性的,缺少連貫性與創(chuàng)造性。
實驗是高分子科學(xué)教育中最有效的教學(xué)形式,它可以幫助學(xué)生建立和鞏固高分子科學(xué)的基本概念和基本理論,獲取高分子科學(xué)知識,培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。世界各國都十分重視大學(xué)本科實驗教學(xué),而國內(nèi)的實驗教學(xué)與實驗教學(xué)體系不夠合理。
高分子專業(yè)實驗是高分子學(xué)科的重要組成部分,由于高分子材料專業(yè)理論教學(xué)部分主要從高分子化學(xué)、高分子物理、高分子工程3個方面向?qū)W生講授。因此,實驗教學(xué)部分也依附于這3個方面被劃分為:高分子化學(xué)實驗、高分子物理實驗、高分子成型加工等實驗課程。
2 高分子加工工藝學(xué)實驗課程體系改革內(nèi)容
2.1 實驗課程體系優(yōu)化
聚合物加工實驗的目的是為了讓學(xué)生能更好地理解聚合物加工過程的原理,了解、熟悉聚合物加工過程的工藝,使學(xué)生對聚合物加工原理能有進(jìn)一步的感性認(rèn)識,同時也讓學(xué)生掌握必要的工程技術(shù)和研究方法。為此,我們暨南大學(xué)材料加工教研室從2008年開始探索對聚合物加工實驗課程體系進(jìn)行改革,專為聚合物加工實驗課設(shè)置1學(xué)分,考核評分獨(dú)立于聚合物加工理論課程,而且試行內(nèi)、外招生分離教學(xué)。36學(xué)時和共計10個實驗,主要安排如下實驗:原料擠出混配、擠塑實驗、注塑實驗、模壓實驗、橡膠混煉、模型硫化、酚醛樹脂模壓實驗、熱成型實驗、吹塑實驗、發(fā)泡成型實驗。
2.2 工程化和模塊化的高分子加工工藝學(xué)實驗設(shè)置
本課程以“高分子材料―成型加工―材料制品性能”這條高分子材料成型加工的主線展開教學(xué)內(nèi)容,重點(diǎn)讓學(xué)生了解和掌握高分子材料、成型加工工藝、材料及制品性能三者的關(guān)系。即高分子材料如何通過成型加工制成具有一定性能的制品,材料的不同與成型加工方法的關(guān)系,同樣的材料用不同的加工工藝方法或加工工藝條件,所得制品的性能為何不同,制品的性能與材料本身的性質(zhì)有何關(guān)系等等,強(qiáng)調(diào)了成型加工對制品性能的重要性,即高分子材料制品的性能既與材料本身的性質(zhì)有關(guān),又很大程度上受成型加工過程所產(chǎn)生的附加性質(zhì)的影響,這是本課程的設(shè)計主題思想。
根據(jù)混合招生的知識基礎(chǔ)、認(rèn)識規(guī)律和學(xué)習(xí)需求都不同的特點(diǎn),本文提出對聚合物加工實驗課程進(jìn)行工程化和模塊化改革,同時在實驗前期做到內(nèi)外生分離教學(xué)。在模塊實驗設(shè)計上考慮外招生加上基本技能實驗環(huán)節(jié),之后,讓內(nèi)外生同時參與涵蓋整個產(chǎn)品開發(fā)的全過程。那么在實驗環(huán)節(jié)中,考慮包括的實驗?zāi)K有:填充聚乙烯配制與成型、橡膠的膠料配制與成型、聚氨酯組合發(fā)泡料的配制與成型。模塊一是必做模塊,其他兩個模塊是選做模塊,保證了基本技能的培養(yǎng),又兼顧了學(xué)生的興趣愛好。
2.3 實驗儀器設(shè)備的優(yōu)化與整合
2.3.1 儀器設(shè)備對教學(xué)的重要性
課程建設(shè)的核心是實驗?zāi)K能力的建設(shè),全面完成這種能力的建設(shè),對實驗室場地和設(shè)備等資源要求較高。系統(tǒng)化、模塊化的高分子科學(xué)實驗課程需要一定的軟硬件環(huán)境。在本課程實驗中涉及到擠出機(jī)、注塑機(jī)、模壓機(jī)、開煉機(jī)、發(fā)泡機(jī)等多種設(shè)備,這些設(shè)備的正確使用關(guān)系到整個實驗的正確性,那么良好的設(shè)備管理方法也至關(guān)重要了。我們認(rèn)為,將本科教學(xué)和科研有機(jī)結(jié)合形成互動,是建設(shè)研究型大學(xué)的重要內(nèi)容。本科實驗教學(xué)也是一項基本科研活動,需要合理組織調(diào)動學(xué)科、學(xué)院和學(xué)校的各種資源。
2.3.2 注重學(xué)生的參與過程
我們在2008-2012四年間,把本科實驗教學(xué)與科研工作穿插起來,依靠本院教師承擔(dān)的相關(guān)科研課題,設(shè)計了“回收聚丙烯的再資源化應(yīng)用“實驗,由課題組提供相關(guān)實驗材料和專用設(shè)備,同時安排承擔(dān)該課題的研究生協(xié)助教師對本科生進(jìn)行實驗現(xiàn)場指導(dǎo),既讓研究生對其研究方向有了一些新的認(rèn)識,為其科研工作取得了一些新的數(shù)據(jù),又讓本科實驗教學(xué)得到順利實施,注重學(xué)生的參與與提升。
2.3.3 提高儀器設(shè)備的使用和平時學(xué)習(xí)效果
為了有效避免資源浪費(fèi),必須統(tǒng)籌協(xié)調(diào)科研與教學(xué)資源,包括一些必需的儀器設(shè)備、互通共享的實驗場所和協(xié)調(diào)的管理,形成教學(xué)為科研,科研促教學(xué)的良性循環(huán)。任課教師是課程建設(shè)的核心,不必要求是通才,但必須具備較強(qiáng)的協(xié)調(diào)能力,在利用學(xué)校分配的教學(xué)資源開展課程教學(xué)的同時,還要能有效地組織所有相關(guān)的有能力的教師參與課程的教學(xué),利用高校教學(xué)和科研的優(yōu)勢將教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合,將最新的科研成果、科研思想引入到教學(xué)中去,讓學(xué)生體會科學(xué)研究的樂趣。
3 結(jié)束語
經(jīng)過以上的改革試驗與探索,在高分子加工工藝學(xué)實驗課程的內(nèi)、外招生混合教學(xué)中取得良好的效果:(1)提高了學(xué)生的責(zé)任感、迫切感和實驗熱情;(2)使學(xué)生經(jīng)歷了聚合物產(chǎn)品開發(fā)的全過程,學(xué)生享受到從原料到制品的快樂,且將配方、設(shè)備、工藝和檢測四階段的產(chǎn)品開發(fā)過程有機(jī)聯(lián)系在一起;(3)基本技能在模塊中被不斷重復(fù)和加強(qiáng),各模塊存在交叉實驗步驟,這些交叉點(diǎn)實際上對基本技能的強(qiáng)化;(4)培養(yǎng)了學(xué)生的節(jié)約素養(yǎng)和成本意識;(5)學(xué)生的綜合能力得到了提高,不僅外招生認(rèn)為實驗很有吸引力,很有成就感,內(nèi)招生也認(rèn)為在和外招生的合作中,開闊了視野,增長了能力。
關(guān)鍵詞: 高分子化學(xué) 高分子物理 生物功能材料 教學(xué)探索
高分子化學(xué)和高分子物理是高分子科學(xué)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在專業(yè)課程設(shè)計中,一般兩門課程獨(dú)立設(shè)置,其中各占有48到72學(xué)時不等。我校的生物功能材料專業(yè)開設(shè)了高分子方面的課程,其中高分子化學(xué)與物理是該專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)該專業(yè)特點(diǎn),生物功能材料涉及領(lǐng)域較廣,從無機(jī)陶瓷材料到有機(jī)高分子材料都有涉及。該專業(yè)學(xué)生只需掌握有關(guān)高分子化學(xué)和高分子物理的基本理論知識和應(yīng)用技能,因此我們開設(shè)了高分子化學(xué)與物理課程,所設(shè)學(xué)時為56學(xué)時,開設(shè)時間安排在二年級下學(xué)期,為三年級開設(shè)《高分子材料化學(xué)》等課程打下一定基礎(chǔ)。該課程內(nèi)容涉及高分子材料的合成與實施方法,高分子材料的結(jié)構(gòu)、性能、成型加工及其應(yīng)用,是一門多學(xué)科交叉、實用性很強(qiáng)的學(xué)科。根據(jù)該課程具有涵蓋內(nèi)容廣,物理化學(xué)和有機(jī)化學(xué)知識運(yùn)用較多等特點(diǎn),這樣有限的課時設(shè)置就給授課帶來了一定困難,導(dǎo)致學(xué)生在理解和應(yīng)用本課程知識方面具有一定難度。另外,我校該專業(yè)物理化學(xué)課程設(shè)置在二年級下學(xué)期和三年級上學(xué)期,其中物理化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)部分講授時間較晚,這也給高分子化學(xué)與物理的授課帶來了一定困難。那么如何在有限的學(xué)時內(nèi)系統(tǒng)地講授高分子學(xué)科基礎(chǔ)知識,是本文需要重點(diǎn)探討的問題。
1.選擇教材,合理安排教學(xué)內(nèi)容
受授課學(xué)時的限制,我們選用的教材是化學(xué)工業(yè)出版社出版的《高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)》,由魏無際等主編。該教材系統(tǒng)地闡述高分子化學(xué)與物理的基本概念、基本知識、基本原理和基本測試方法,教材內(nèi)容全面,難度適中,比較適合生物功能材料專業(yè)的教學(xué)要求。針對課時較少的現(xiàn)狀,我們對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了合理安排。對于高分子化學(xué)部分,重點(diǎn)講解高分子的基礎(chǔ)概念、縮聚和逐步聚合、自由基聚合、聚合方法、陰離子聚合等內(nèi)容,自由基共聚合、陽離子聚合、配位聚合等可較簡單講解,聚合物的化學(xué)反應(yīng)章節(jié)主要由學(xué)生自學(xué)。這樣既保證了學(xué)生能夠掌握高分子化學(xué)的基本概念及反應(yīng),又沒有因為課程過難給學(xué)生造成學(xué)習(xí)困難。對課程中的某些內(nèi)容,例如聚合動力學(xué)的推導(dǎo),在物理化學(xué)中化學(xué)動力學(xué)部分還沒講解的情況下,我們在教學(xué)中不要求學(xué)生記住所有推導(dǎo)和公式,僅提出聚合動力學(xué)基本知識,引導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行動力學(xué)推導(dǎo)。對于高分子物理部分,我們重點(diǎn)講解高分子的結(jié)構(gòu)、高分子的分子運(yùn)動、力學(xué)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變,簡單講解高分子固體的基本力學(xué)性質(zhì)、高分子溶液的基本性質(zhì)章節(jié),對高分子電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)的基本性質(zhì)章節(jié)主要由學(xué)生自學(xué)。這樣課程的安排,重點(diǎn)講解能夠加強(qiáng)學(xué)生對高分子學(xué)科基本知識的掌握;簡單講解能夠擴(kuò)大學(xué)生的知識面、引導(dǎo)有科研需求的學(xué)生課下加強(qiáng)該部分內(nèi)容的掌握;自學(xué)部分主要為了深化學(xué)生對高分子學(xué)科知識的理解。重點(diǎn)講解、簡單講解與學(xué)生自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法,突出了本課程重點(diǎn)、拓寬了學(xué)生知識面,克服了高分子學(xué)科教學(xué)中內(nèi)容多、概念多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多等難于克服的難點(diǎn)。
2.理論聯(lián)系實際,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
高分子化合物廣泛存在于日常生活中,如穿著用的化學(xué)纖維、自然界存在的棉、麻、絲綢等,食品行業(yè)中的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素,建筑行業(yè)中用的涂料、各種高分子管材、膠黏劑、有機(jī)玻璃,行駛工具中應(yīng)用的橡膠、工程塑料、增強(qiáng)纖維等。高分子科學(xué)在人們的日常衣、食、住、行中發(fā)揮著極其重要的作用,其是一門應(yīng)用基礎(chǔ)型的學(xué)科。高分子化學(xué)與物理的教學(xué),單純的講解很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教學(xué)效果不顯著。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,我們在講解基本知識的同時,注重理論和實際相結(jié)合,列舉了大量實例。例如講解縮聚反應(yīng)時,對滌綸、尼龍等一些重要的縮聚物的生產(chǎn)原理進(jìn)行了重點(diǎn)講解,對聚乳酸生物材料進(jìn)行了系列概述,包括其生產(chǎn)方法、原理和應(yīng)用等;自由基共聚合部分,講到聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS樹脂)、丁苯橡膠(SBR橡膠)等一些著名共聚物和常見聚烯烴產(chǎn)品及它們的制備原理、主要性能和用途。其中舉例聚四氟乙烯(PTFE)用于流量泵、反應(yīng)釜內(nèi)襯和攪拌棒外面涂層,聚氯乙烯(PVC)用于各種集成吊頂和各種垃圾袋等。在高分子發(fā)展史中,講授諾貝爾獎成果和獲得者的發(fā)明典故,例如電高分子的發(fā)現(xiàn)、齊格勒-納塔催化劑的發(fā)展,以增強(qiáng)課堂的趣味性;講述了第二次世界大戰(zhàn)期間高分子的發(fā)展典故。此外,讓學(xué)生翻看塑料水杯的材質(zhì)、衣服標(biāo)簽讓學(xué)生認(rèn)識各種標(biāo)志上一些材質(zhì)的名稱,指出我們的水杯、服裝由哪些合成高分子構(gòu)成,并討論目前常用的化學(xué)纖維名稱和聚合原理;通過舉例講解方式,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣。
3.多媒體與板書教學(xué)方法相結(jié)合,提高教學(xué)質(zhì)量
高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)課程知識面廣,其涵蓋了高分子化學(xué)、高分子物理、高分子加工等方面內(nèi)容。該課程教學(xué)信息量大、理論性強(qiáng),學(xué)生理解相對比較困難。因此,我們在教學(xué)過程中注意多種教學(xué)形式相結(jié)合,提高教學(xué)質(zhì)量。課堂主要采用多媒體教學(xué)方式,同時輔以板書講解,取得了不錯的教學(xué)效果。利用多媒體教學(xué)方法既能夠?qū)⒗碚摰闹R直觀體現(xiàn)出來,又能夠?qū)㈦y于理解的教學(xué)內(nèi)容形象地展示出來,這樣可以使學(xué)生更容易理解所學(xué)內(nèi)容。例如,在講解配位聚合時,利用動畫演示雙金屬活性中心機(jī)理和單金屬活性中心機(jī)理中單體分子的插入過程與鏈增長過程;自由基聚合實施方法中,利用制作動畫模擬懸浮聚合和乳液聚合過程中單體的分散過程,高分子物理中拉伸對高分子結(jié)晶形態(tài)的影響、動態(tài)黏彈性模型,等等。通過多媒體的運(yùn)用,可以使抽象的教學(xué)內(nèi)容具體化,有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。多媒體課件也會存在一些缺陷,比如講課節(jié)奏過快,學(xué)生難以吸收;教師過于關(guān)注幻燈片屏幕,減少了和學(xué)生的交流互動,等等。在實際教學(xué)過程中,還應(yīng)注意和板書的有效結(jié)合,對重點(diǎn)知識內(nèi)容采用板書的形式進(jìn)行講解,取得了不錯的效果。
4.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法的運(yùn)用
針對多媒體教學(xué)存在講課節(jié)奏過快,學(xué)生難以吸收等缺陷和板書教學(xué)進(jìn)度緩慢等特點(diǎn),對重要章節(jié),我們采取課堂與課下網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相配合的方法。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在原來多媒體教學(xué)基礎(chǔ)上,對教學(xué)過程和教學(xué)內(nèi)容提供了全面支持。目前學(xué)校構(gòu)建了一個比較完整的網(wǎng)上教學(xué)支撐環(huán)境,提供多媒體錄播室進(jìn)行教學(xué)視頻的錄制,最后把課件與錄制視頻統(tǒng)一上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有許多傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn),例如學(xué)生學(xué)習(xí)自主性增強(qiáng),真正發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性,學(xué)生學(xué)習(xí)在時間和空間上少了許多限制,學(xué)習(xí)的探究性更加深入。另外,網(wǎng)絡(luò)背景下學(xué)生在獲取不同的資源時可以進(jìn)行比較,相互之間取長補(bǔ)短,知識面更廣。隨著現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,學(xué)生可以在宿舍、教室和學(xué)校多媒體教室通過網(wǎng)絡(luò)對課堂內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法的運(yùn)用,大大彌補(bǔ)了課堂多媒體課件存在一些不足,大大提高了教學(xué)效率。
5.開展互動式教學(xué),發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性
教學(xué)是教師和學(xué)生的共同行為,學(xué)生是課堂的主體,教師是學(xué)生學(xué)習(xí)知識的引導(dǎo)者。目前高校教學(xué)方式偏重以教師“教”為主,忽視了學(xué)生“學(xué)習(xí)”的主動性,學(xué)生始終處于“被動學(xué)習(xí)”地位。這樣的“被動學(xué)習(xí)”,導(dǎo)致學(xué)生具有學(xué)習(xí)壓力大、心理負(fù)擔(dān)重等特點(diǎn)。針對這一現(xiàn)狀,我們采取課堂互動的教學(xué)方式,包括師生提問、討論和學(xué)生上講臺相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)活動,取得了一定效果。比如在下課前教師先提出下一節(jié)課的預(yù)習(xí)內(nèi)容,提出一些討論問題,例如在講述縮聚反應(yīng)時,提出不同聚合時間獲得聚合物分子量是否相同、什么樣的單體能夠發(fā)生縮聚反應(yīng)、什么樣的單體能夠獲得支化的高分子等問題。讓學(xué)生通過查閱資料,自己尋找答案,并在下次課堂上讓學(xué)生進(jìn)行討論,然后教師補(bǔ)充。這樣既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)思考能力,又增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,提高了學(xué)習(xí)興趣。另外,我校為農(nóng)業(yè)院校,雖然學(xué)習(xí)《高分子化學(xué)與物理課程基礎(chǔ)》課程的學(xué)生是非農(nóng)業(yè)專業(yè),但是部分學(xué)生畢業(yè)后或許從事涉農(nóng)相關(guān)服務(wù)業(yè)??紤]到此種情況,我們在授課內(nèi)容安排上,對目前農(nóng)業(yè)應(yīng)用的高分子材料和高分子在農(nóng)業(yè)方面的潛在應(yīng)用進(jìn)行了討論,給他們提供了創(chuàng)造性思維。比如在講自由基聚合章節(jié)時,我們就對強(qiáng)吸水樹脂的制備現(xiàn)狀和發(fā)展前景,主要針對其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了講述,對高分子薄膜在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及帶來的“白色污染”與應(yīng)對措施進(jìn)行了討論。通過這樣的討論,我們鍛煉了學(xué)生分析思考問題的能力,這為學(xué)生工作與科學(xué)研究的創(chuàng)新思維形成打下了基礎(chǔ),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣,加深了對本課程的理解。
6.結(jié)語
通過對本校生物功能材料專業(yè)《高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的一些課程設(shè)計特點(diǎn)、面臨的問題及目前采取的措施進(jìn)行了總結(jié)?!陡叻肿踊瘜W(xué)與物理基礎(chǔ)》雖然是一門專業(yè)基礎(chǔ)課,但其理論性強(qiáng)、概念抽象難懂,如何讓學(xué)生在掌握該課程基本理論的同時,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識,是教學(xué)工作中需要不斷探索的問題。我們將在總結(jié)已有教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,繼續(xù)對本課程教學(xué)方法的改善與創(chuàng)新進(jìn)行探索,以提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。
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