“学以致用”的高分子化学实验改革——以“家用高分子防火凝胶”为例

传统高分子化学实验往往侧重于不同聚合机理及聚合方法的罗列,注重学生基本理论及基础实验技能的培养。教学过程中,以教师讲授以及学生根据特定实验步骤重复为主。笔者结合自身近5年本科生高分子化学实验的教学情况发现,在传统高分子化学实验过程中,学生缺乏主动性和能动性,实验结束并撰写完实验报告后很快会将相关实验遗忘,实验教学效果欠佳。思考如何将高分子科学相关知识与人们的日常生活密切联系到一起,增加学生的学习兴趣、实验趣味性及实际意义至关重要。本文以"高保水型家用高分子防火凝胶"为例,探索"学以致用"的现代高分子化学实验的可行性。结果表明,学生对该实验兴趣浓厚,实验结束后绝大多数同学感到自己可以综合应用高分子科学相关知识来解决实际问题,并能获得一定"成就感",实验教学效果良好。     

高分子化学实验教学中的自主科研创新引导——以“水凝胶的制备与性能研究”为例

在创新型人才的培养中,需要着力提升学生的探索精神、批判思维和实践能力,如何激发学生的科研志趣、提高创新能力是专业基础实验课程面临的挑战。高分子化学实验作为一门专业实验必修课,更应适应时代发展潮流与人才培养趋势,课程在夯实基础实验内容和基本原理的前提下,以更具吸引力的前沿性、应用性的实验背景为引导,通过内容编排,增加"自主研究"的教学模式,给予学生更加广阔的自由发挥空间,培养学生的创新能力和科研素养。经过多年的教学实践,我们以"水凝胶的制备与性能研究"为试点项目,进行了自主探索型立体式高分子化学实验课程体系的建设探索,将经典的溶液聚合实验,拓展为4个有应用背景的"科研工作坊",均取得了非常好的教学效果。我们相信,这种自主研究的实验教学方式,以及立足于培养学生创新能力的实验教学思路,将是未来高分子化学实验课程坚持并不断探索的方向。     

高分子材料与工程专业有机化学实验改革——以丙烯酸丁酯的制备为例

结合高分子材料与工程专业的特点,在有机化学实验教学中设计并实施了丙烯酸丁酯制备实验。首先让学生查阅资料,对乙酸异戊酯制备和丙烯酸丁酯制备实验中的催化剂、反应条件、原料和产物性质等内容进行比较分析,并设计初步的实验方案;然后在具体教学实施时通过考察催化剂、反应温度和反应时间的变化,让学生分析这些因素对丙烯酸丁酯产率的影响趋势;最后让学生撰写出基于课外拓展的实验报告内容。整个实验的设计与安排有助于学生初步了解科学研究的方法,提高学生分析问题解决问题的能力,并提高学生的创新能力和实践能力。     

疏水改性pH敏感水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC_(16))的制备及其溶胀性能

以二烯丙基胺和1-溴代十六烷为原料合成了疏水单体N,N-二烯丙基正十六烷胺(DiAC16),用FTIR、1H NMR和元素分析对其进行了表征。以2-羟基甲基丙烯酸乙酯(HEMA)、丙烯酸(AA)和N,N-二烯丙基正十六烷胺为共聚单体,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性剂,过硫酸铵-四甲基乙二胺(TMEDA)为引发体系,制得的疏水改性智能水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC16)具有pH敏感特性。研究了DiAC16、NaAA、BIS用量及pH值和离子强度等因素对水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC16)溶胀性能的影响。结果表明,凝胶在水中的平衡溶胀率(为78.9~163.91),随DiAC16、BIS用量的增加和NaAA用量的减少而减少,n值(一般在0.5~1.0之间)随DiAC16、NaAA和BIS用量的增加而增加,为非Fickian扩散。水凝胶的吸水溶胀是放热过程,ΔH m在-2.09~-3.64 kJ/mol,ΔH m的绝对值随DiAC16用量的减少、NaAA用量和BIS用量的增加而增大,聚合物与水的亲和力逐渐增强。随离子强度的增强,平衡溶胀率下降。     

海藻酸动态共价交联水凝胶的制备及其自愈合性能

利用高碘酸钠氧化海藻酸得到带有醛基的海藻酸,利用水合肼与聚乙二醇反应得到末端为酰肼基的聚乙二醇,以二者为原料利用醛基与酰肼基反应形成酰腙键的动态化学反应,赋予天然生物大分子水凝胶优良的自愈性和p H响应性.通过红外光谱、核磁共振光谱、动态黏弹谱、电子万能试验机等表征了材料的结构、水凝胶的自愈合能力以及p H响应性.结果表明,该水凝胶具有良好的力学性能和自愈合能力,能够在不加热和不添加催化剂的情况下,在温和的生理环境下自发实现切口愈合.同时水凝胶具有p H响应性,在碱性环境中成凝胶,在酸性环境中则转变为溶液状态,并且这种凝胶—溶液转变可重复多次.这些优异的性能,加上简单的制备方法、良好的生物相容性将为这类材料在生物医用领域的应用提供坚实的基础.     

温敏性水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺的制备与性能表征——推荐一个高分子化学综合实验

本实验以温敏性水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺的制备为切入点,实验内容既包含自由基聚合的合成过程,又通过实验室简单精确的温度控制展示温敏性水凝胶的体积相变过程,激发学生的实验兴趣。同时,引入变温核磁共振波谱仪对制备水凝胶相变过程中的结构变化进行表征,让学生更进一步理解水凝胶体积相变背后的结构变化,领悟其性能与结构之间的辩证关系。此外,将温敏性水凝胶在污水处理与油水分离等领域的最新应用引入到实验中,反映水凝胶领域发展的新思想和新成果。最终达到提升本科实验教学质量,培养高素质综合型人才的根本目的。     

可注射的壳聚糖/纳米金温敏性水凝胶的构筑及其光热性能研究

为提高对恶性肿瘤的治疗效率,制备了具有光热性能的壳聚糖/纳米金可注射性水凝胶用于肿瘤的多次光热治疗.选用生物基大分子壳聚糖(CS)原位还原制备了壳聚糖-纳米金(CS-Au NPs)复合物.再加入β-甘油磷酸钠(β-GP)制备了相转变温度接近人体体温的温敏性水凝胶(CGP/Au NPs).实验结果表明,CGP/Au NPs在室温下为溶胶,具有可注射性;达到人体体温后,快速形成凝胶.由于Au NPs的表面等离子体共振效应,基于壳聚糖/纳米金的复合凝胶在激光照射下具有优异的光热转换性能,最高温度可达55°C,而且在多次激光照射后仍可以保持较好的光热转换能力.Au NPs可在壳聚糖水凝胶的帮助下长时间固定于病灶,用于肿瘤的多次光热治疗.另外,CGP/Au NPs复合水凝胶具有良好的稳定性,Au NPs在凝胶内部分布均匀一致,可有效避免Au NPs聚集而产生局部高温或从凝胶内部泄漏而影响光热治疗的效果.同时,CGP/Au NPs具有优异的生物相容性和生物可降解性能.因此,基于壳聚糖与Au NPs的可注射性水凝胶,有望实现肿瘤的“一次注射,多次光热治疗”的目的.     

“以学生为中心”的高分子化学实验教学改革与探索

高分子化学实验是高分子材料与工程专业本科生的专业必修课程,是培养学生实践能力和创新能力的关键环节。针对高分子化学实验教学过程中存在的问题,从“以学生为中心”的教学理念出发,围绕优化实验教学内容、革新实验教学方法、健全实验评价制度等进行改革,从而锻炼和培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的实践能力,全面提升学生的综合素质,满足社会对高素质综合型人才的需求。     

在《高分子物理综合实验》中开展探索性实验——以“无卤阻燃环氧树脂的制备与性能研究”为例

鉴于高分子材料的无卤阻燃技术的重要性以及环氧树脂在材料领域中的广泛应用,本文将探讨"无卤阻燃环氧树脂的制备与性能研究"这一探索性实验项目的设计与实施方法:提取NSFC-广东联合基金项目——"无卤阻燃环氧树脂的制备与性能研究"中能够体现学术研究价值的内容,将其进行系统化和专业化的设计与转化,形成内容完善的探索性实验项目,该项目的实验内容主要涉及无卤阻燃环氧树脂的制备及其热性能、力学性能、阻燃性能和阻燃机理的研究;在项目实施过程中,推行实验室开放共享的运行机制,学生根据自身兴趣选择具体的研究内容开展探索性实验,通过激发学生们的内在学习动力,帮助其提升专业素养和树立创新意识。     

“双碳”理念下《功能高分子材料》的实验教学初探——以“双重温度响应水凝胶的制备及智能窗光热调控应用”为例

加强“双碳”高等教育,助力实现碳达峰碳中和,对新时代人才培养提出了挑战。本文分析了《功能高分子材料》的课程现状,积极思考“双碳”背景下课程内容和教学模式的改革举措,将温敏水凝胶材料的设计合成与智能窗光热调控应用科研成果纳入到教学体系中,在实验原理、实验目的、应用研究中贯彻“双碳”理念,把学科前沿研究转化为本科教学的实验改革,全面提升学生的科学素养、团队合作能力以及创新实践能力,为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑。     

甲基纤维素硬脂酸酯/γ-聚谷氨酸复合温敏水凝胶的制备及其性能研究

为解决慢性创伤修复过程中机体因氧化还原反应失衡造成的延迟愈合问题,本研究以甲基纤维素(MC)和γ-聚谷氨酸(γ–PGA)为原料,制备温敏性水凝胶;该体系最低凝胶化温度为37℃左右;MC/γ-PGA水凝胶具有较高的吸水率和保水性,其吸水率随着γ-PGA含量的增加而增大;通过负载超氧化物歧化酶(SOD)使得其具有SOD的可控缓慢释放作用,能够有效地清除超氧自由基;而且该凝胶体系具有良好的细胞相容性。本研究为实现负载SOD的温敏性水凝胶创伤修复材料的应用奠定了实验基础。     

基于培养学生核心素养的“高分子化学”课堂教学设计——以“体型缩聚和凝胶化作用”为例

将核心素养元素与《高分子化学》课程教学有机结合,使学生学会专业知识、掌握专业技能,同时形成适应社会发展需要的品格和关键能力。本文以“体形缩聚和凝胶化作用”为例,围绕本节知识和能力培养目标,对课堂教学进行了设计。通过类比联想、分析对比、感悟体会等融入与专业知识契合的“人文素养、科研精神、责任担当”等素养元素。对核心素养与高分子化学课程教学相融合的实施效果进行了浅析,同时对如何在课程教学过程中培养核心素养进行了探讨反思。     

以“偏光显微镜观察高聚物的球晶”为例的高分子物理实验项目改革

本文对高分子物理实验教学改革进行了思考,提出实验项目的建设应当成为实验教学改革的核心,而实验项目的改革不应当局限在将最新的科研成果引入到实验教学中。以"偏光显微镜观察聚合物的球晶"这一传统实验为例,更为有效的办法可以是通过系统化的设计扩展实验项目内容,注重实验项目实施过程中多知识点的串联以及实验结果获取过程的思维过程培养,从而将传统的验证性实验项目转化为综合性实验项目,有力提升实验教学的效果。     

以“偏光显微镜观察聚合物的球晶”为例的高分子物理实验项目改革

本文对高分子物理实验教学改革进行了思考,提出实验项目的建设应当成为实验教学改革的核心,而实验项目的改革不应当局限在将最新的科研成果引入到实验教学中。以"偏光显微镜观察聚合物的球晶"这一传统实验为例,更为有效的办法可以是通过系统化的设计扩展实验项目内容,注重实验项目实施过程中多知识点的串联以及实验结果获取过程的思维过程培养,从而将传统的验证性实验项目转化为综合性实验项目,有力提升实验教学的效果。     

新工科背景下高分子材料专业实验课程改革研究——以“材料失效分析”为例

基于新工科建设对人才培养的要求,本文以材料失效分析综合实验为例探讨了高分子材料专业实验课程教学改革方向。通过引入教师横向科研课题,依托国家、省级虚拟仿真实验教学共享平台,开展翻转课堂实验教学模式,引导学生主动查阅文献资料、设计实验思路、分析数据图谱,从而给出合理的失效分析结论;并通过卡丁车座椅螺丝柱断裂失效分析、消音垫圈失效分析两个教学案例,展示了学生实操过程。此类实验的开展不仅激发了学生学习兴趣,而且可以有效促进学生对多学科理论知识的掌握程度,提升其解决实际工程问题的能力。     

无机化学实验项目改进创新——以“碳酸钠的制备”为例

以“碳酸钠的制备”项目为例,对教学过程中碳酸氢钠析出现象不明显等不足进行分析,结合教学实践,通过优化制备反应时的加料方式和顺序,以及产物中Na2CO3含量的测定,以提高实验教学的实效性,促进学生实验兴趣与实验技能的培养。     

疏水改性pH响应型智能水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC16)的制备及其溶胀性能

以二烯丙基胺和1-溴代十六烷为原料合成了疏水单体N,N-二烯丙基正十六烷胺(DiAC16),用FTIR、1H NMR 和元素分析对其进行了表征。 以2-羟基甲基丙烯酸乙酯(HEMA)、丙烯酸(AA)和N,N-二烯丙基正十六烷胺为共聚单体,N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性剂,过硫酸铵-四甲基乙二胺(TMEDA)为引发体系,制得的疏水改性智能水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC16)具有pH敏感特性。 研究了DiAC16、NaAA、BIS用量及pH值和离子强度等因素对水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC16)溶胀性能的影响。 结果表明,凝胶在水中的平衡溶胀率(为78.9～163.91),随DiAC16、BIS用量的增加和NaAA用量的减少而减少,n值(一般在0.5~1.0之间)随DiAC16、NaAA和BIS用量的增加而增加,为非Fickian扩散。 水凝胶的吸水溶胀是放热过程,ΔHm在-2.09～-3.64 kJ/mol,ΔHm的绝对值随DiAC16用量的减少、NaAA用量和BIS用量的增加而增大,聚合物与水的亲和力逐渐增强。 随离子强度的增强,平衡溶胀率下降。     

温度与pH快速响应性P(NIPAM-co-AAc)水凝胶的制备及其性能

以氯化钠水溶液作为反应介质,成功制备了温度与pH快速响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)[P(NIPAM-co-AAc)]水凝胶,研究了氯化钠水溶液的浓度对凝胶性能的影响.通过红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、测溶胀比对凝胶性能进行了表征.结果表明:凝胶具有相同的化学组成与结构,但具有不同的微观形态;随着反应介质中氯化钠浓度的增加,凝胶在20℃蒸馏水中的平衡溶胀比增大,并表现出较强的温度与pH敏感性以及较快的去溶胀速率.     

化学反应原理的实验探究教学策略初探——以“化学平衡移动原理的应用”复习课为例

在“化学平衡移动原理在氨气制备与检验实验中的应用”课题的教学设计与实践过程中,以平衡移动影响因素为知识线索承载科学探究方法,探讨化学反应原理的实验探究教学策略,将课堂中探究教学的关注点从概念理论的验证和接授延伸至探究思路和方法的形成.     

面向化学类非高分子专业学生的高分子化学实验教学创新与实践——以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例

面向化学类(非高分子)专业的高分子化学实验教学发展较为缓慢,亟需紧跟研究前沿,引入新内容。本文总结了近十年的教学改革经验,并以温敏型高分子的制备、溶液性质、光学性能与应用为例,介绍如何通过实验教学内容、实验技术、教学方法等方面的创新,设计符合理科人才培养需求的、契合时代与科学发展的、被学生喜爱与重视的一系列高分子化学实验,以有效解决培养需求与课业负担之间的矛盾,且在不新增开课、课时有限的情况下,加入到化学类专业本科教学体系中,激发学生对学科领域的兴趣,提升学生的探究和创新能力。