杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

食品包裝工程專業(yè)《高分子化學(xué)與物理》課程教學(xué)初探

杜 斌，伍 軍，智秀娟

（北京農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

高分子科學(xué)已滲透于各個(gè)領(lǐng)域與學(xué)科，形成了一個(gè)無法替代的交叉學(xué)科，因此，除化學(xué)或材料專業(yè)外，相關(guān)專業(yè)紛紛開設(shè)高分子相關(guān)課程。高分子化學(xué)與物理作為北京農(nóng)學(xué)院食品包裝專業(yè)的專業(yè)主干課之一，向?qū)W生講解高分子化學(xué)和高分子物理，其中高分子化學(xué)部分側(cè)重高分子化學(xué)的基本理論知識(shí)，高分子物理部分則側(cè)重于高分子的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。本文基于食品包裝工程專業(yè)的需求，分析了高分子化學(xué)與物理的課程授課特點(diǎn)，總結(jié)了在有限學(xué)時(shí)的情況下課堂教學(xué)中如何采取的行之有效的措施和教學(xué)嘗試來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)教學(xué)效果。

CAI教學(xué)；高分子化學(xué)與物理；實(shí)例教學(xué)；教學(xué)改革

隨著高分子科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，高分子科學(xué)已滲透于各個(gè)領(lǐng)域與學(xué)科，形成了一個(gè)無法替代的交叉學(xué)科[1]。對(duì)于與高分子相關(guān)的專業(yè)，專業(yè)課程一般設(shè)置高分子化學(xué)與高分子物理兩門課，其中高分子化學(xué)側(cè)重聚合反應(yīng)機(jī)理的學(xué)習(xí)，高分子物理從分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)出發(fā)重點(diǎn)介紹高聚物的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。對(duì)于食品科學(xué)與工程學(xué)院的包裝工程專業(yè)的學(xué)生一般將這兩門課揉合在一起，開設(shè)高分子化學(xué)與物理，課程48～72學(xué)時(shí)之間，要求掌握有關(guān)高分子的基本理論知識(shí)和應(yīng)用技能。

對(duì)于在食品學(xué)院中的包裝工程專業(yè)，結(jié)合北京農(nóng)學(xué)院的辦學(xué)定位和服務(wù)對(duì)象，學(xué)校專業(yè)定位在食品包裝技術(shù)以及與包裝相關(guān)的食品質(zhì)量安全與控制[2]。要培養(yǎng)學(xué)生這兩個(gè)方面的能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容必須涵蓋包裝中食品接觸材料生產(chǎn)、監(jiān)管、檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等與衛(wèi)生安全質(zhì)量相關(guān)的各個(gè)方面。而講述這些內(nèi)容的前提是掌握高分子化學(xué)與物理以及包裝材料學(xué)中關(guān)于食品接觸材料的各種知識(shí)點(diǎn)。我們只有在介紹高分子食品接觸材料的特性、用途、生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，才能讓學(xué)生懂得食品接觸材料安全衛(wèi)生相關(guān)的質(zhì)量控制和管理要素，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)食品接觸材料安全衛(wèi)生相關(guān)的質(zhì)量控制能力，以及準(zhǔn)確合理地選擇包裝材料進(jìn)行食品產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)的能力。所以，高分子化學(xué)與物理是我們食品包裝專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

在學(xué)?！?+1”的教學(xué)模式[3]影響下，高分子化學(xué)與物理課程的學(xué)時(shí)數(shù)壓縮為56學(xué)時(shí)。在這樣少的學(xué)時(shí)條件下，要使那些對(duì)于高分子完全陌生的學(xué)生理解并掌握高分子的基本概念與原理，授課內(nèi)容的選擇及講授方式是非常重要的。通過幾年不斷地嘗試和教學(xué)實(shí)踐，作者結(jié)合非高分子專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，積極進(jìn)行教學(xué)改革探索，積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，取得了比較滿意的教學(xué)效果。本文結(jié)合我校高分子化學(xué)與高分子物理課程教學(xué)改革與探索的實(shí)際，就教學(xué)內(nèi)容的選擇、完善以及教學(xué)方式與多媒體課件的研制方面提出一些自己的見解。

一、理論聯(lián)系實(shí)際，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)例教學(xué)

在傳統(tǒng)高分子專業(yè)的高分子化學(xué)課程中，高分子化學(xué)涉及的概念公式繁多，而且復(fù)雜難懂，要想完全靠死記硬背記住這些公式是比較困難的，而將這些公式熟練應(yīng)用則更加困難[4，5]。對(duì)于食品包裝工程系的學(xué)生學(xué)習(xí)高分子化學(xué)對(duì)聚合物的化學(xué)反應(yīng)部分應(yīng)當(dāng)有目的地選擇高分子包裝材料所涉及的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行講授，對(duì)于復(fù)雜的聚合反應(yīng)速率方程的推導(dǎo)可以不學(xué)。可重點(diǎn)學(xué)習(xí)各種包裝材料如：聚乙烯，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚乙烯醇，聚對(duì)二苯甲酸乙二醇酯等現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)生活中常用高分子材料的合成方法，重點(diǎn)講述他們的化學(xué)合成方法，催化，以及包裝材料中單體與催化劑的殘留造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。在充分體現(xiàn)學(xué)科特點(diǎn)的前提下，適當(dāng)削減了與專業(yè)關(guān)系不大的聚合反應(yīng)機(jī)理部分的內(nèi)容，如配位聚合反應(yīng)的機(jī)理。在“聚合物的化學(xué)反應(yīng)”章節(jié)中，增添了與專業(yè)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。

比如講述聚苯乙烯（PS）合成時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合包裝專業(yè)特點(diǎn)來舉例聚苯乙烯合成過程對(duì)其在包裝工業(yè)上的應(yīng)用具有深刻的影響，如聚苯乙烯發(fā)泡餐盒白色污染的風(fēng)波[6]。向?qū)W生解釋為何2013年2月，國家發(fā)改委“21號(hào)令”，將被稱做白色污染且長久被認(rèn)為有毒的一次性聚苯乙烯發(fā)泡餐具解禁。解禁依據(jù)是什么？通過聯(lián)系實(shí)際，同學(xué)們都急切想從專業(yè)角度得到解答。10年前國家禁止聚乙烯發(fā)泡餐盒的應(yīng)用是基于以下考慮。

1.PS泡沫塑料餐具帶來白色污染的問題。

2.PS泡沫塑料餐具受熱65℃時(shí)或燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生“二噁英”強(qiáng)致癌物的問題。

3.PS泡沫塑料餐具中含有殘存單體苯乙烯或在65℃以上使用會(huì)釋放出單體致毒的問題。

4.PS泡沫塑料餐具遇熱會(huì)釋放出二聚體、三聚體等危害人體物質(zhì)的問題。

5.PS泡沫塑料餐具含雙酚類，導(dǎo)致生殖機(jī)能失常的問題。

6.PS泡沫塑料餐具難以回收利用。

7.PS泡沫塑料餐具不能耐高溫，高溫變形，不能在微波爐里使用。

從向?qū)W生介紹高分子化學(xué)中聚苯乙烯的分子構(gòu)造，聚合機(jī)理，聚合方法以及化學(xué)反應(yīng)后處理，我們就能解釋第2、3、4、5問題。從高分子化學(xué)專業(yè)的角度向?qū)W生講述“白色污染”的成因是管理不善及隨意丟棄垃圾的人，而不屬聚苯乙烯材料本身，PS泡沫塑料餐具≠“白色污染”，更不是造成“白色污染”的元兇。PS的生產(chǎn)過程是苯乙烯單體在高溫高壓和催化劑作用下，在密封的反應(yīng)釡內(nèi)，無氯條件下進(jìn)行聚合反應(yīng)，從而無產(chǎn)生二噁英的條件。PS泡沫塑料飯盒是直接采用食品級(jí)的PS材料，加入滑石粉、硬脂肪酸鈣、丁烷等，通過擠出、發(fā)泡制得，生產(chǎn)過程全部為物理混合過程，無化學(xué)反應(yīng)，不具備產(chǎn)生二噁英的條件。如果我們工業(yè)界使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的食品級(jí)聚苯乙烯原料來制造一次性泡沫發(fā)泡飯盒，最終產(chǎn)品很難在單體殘留量上超標(biāo)。而且，國外公布相關(guān)報(bào)告研究結(jié)果，明確澄清有關(guān)二聚體、三聚體環(huán)境荷爾蒙的問題，它們不屬所謂攏亂內(nèi)分泌的化學(xué)物質(zhì)。食品級(jí)PS材料中并沒有雙酚A，在加工過程中也不可能產(chǎn)生雙酚A副產(chǎn)物等。以上解釋都需要我們高分子化學(xué)的知識(shí)，通過理論聯(lián)系實(shí)際，我們能讓學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)高分子化學(xué)對(duì)包裝材料的認(rèn)識(shí)加深印象。

再如，講解聚碳酸酯（PC）[7]的逐步縮聚合成過程中，為了加深學(xué)生的理解，引入聚碳酸酯“雙酚A風(fēng)波”。生產(chǎn)聚碳酸酯用到雙酚A，在材料與食品相接觸后，殘留雙酚A單體遷移進(jìn)食品，造成一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。從高分子化學(xué)角度，向?qū)W生解析為何2011年在歐盟和加拿大，雙酚A被列為有毒物質(zhì)，被禁止用于生產(chǎn)嬰兒奶瓶。在PC實(shí)例中，通過聚合機(jī)理，單體結(jié)構(gòu)，聚合單體殘留等高分子化學(xué)方面的知識(shí)向?qū)W生們展示PC食品接觸材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

同理，我們?cè)谥v解聚氯乙烯（PVC）時(shí)[8]，從分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)引入“塑化劑風(fēng)波”，講述聚氯乙烯由于分子的剛性需要塑化劑才能加工成型，這與食品相接觸后必然造成有毒塑化劑的遷移。我們?cè)谥v解各種包裝材料的高分子合成化學(xué)時(shí)，就應(yīng)該通過現(xiàn)實(shí)生活的同學(xué)們已經(jīng)有所耳聞、鮮活的例子來幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶，提升他們對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

二、加強(qiáng)《高分子化學(xué)及物理》與《包裝材料學(xué)》的有機(jī)聯(lián)系

高分子物理部分以分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來聚合物的轉(zhuǎn)變與松弛，聚合物的粘彈性，聚合物的力學(xué)性能等內(nèi)容。因?yàn)椤陡叻肿踊瘜W(xué)及物理》是為《包裝材料學(xué)》服務(wù)的，應(yīng)讓學(xué)生重點(diǎn)掌握高分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。高分子物理部分是教學(xué)重點(diǎn)，在講解基本概念時(shí)，同時(shí)注意結(jié)合《包裝材料學(xué)》所涉及的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，使《包裝材料學(xué)》與《高分子化學(xué)及物理》真正有機(jī)地融合起來。比如，在講解聚苯乙烯發(fā)泡餐盒的時(shí)候，我們還是可以通過餐盒禁止與解禁來講解其分子的構(gòu)效關(guān)系與應(yīng)用。以前禁用一次性聚苯乙烯泡沫飯盒，存在很多知識(shí)的誤區(qū)，比如對(duì)毒性的誤解與使用方法的不當(dāng)。當(dāng)加熱至聚苯乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（80～90℃）以上，PS轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，且保持這種狀態(tài)在較寬的范圍內(nèi)，PS開始熱變形，熔融溫度為240℃，PS在高真空和330～380℃下劇烈降解。由于其分子結(jié)構(gòu)的特性，一次性聚苯乙烯飯盒不能在70度以上或微波爐的情況下使用，這和聚丙烯餐盒使用是有很大差異的。由于知識(shí)普及不到位，許多人把一次性聚苯乙烯泡沫飯盒在高溫下加熱，在微波爐使用，造成飯盒溶化變形，并伴有刺激性氣味。如果我們知道使用說明，一次性聚苯乙烯餐盒在一定條件下使用是無毒，綠色，安全且價(jià)廉，比如，在外就餐，我們可以用價(jià)廉的一次性聚乙烯發(fā)泡餐盒打包你的冷卻后的剩飯剩菜而無需采用價(jià)格昂貴的替代產(chǎn)品。我們?cè)谥v解聚苯乙烯高分子分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，就應(yīng)該把分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)引導(dǎo)到聚苯乙烯作為現(xiàn)實(shí)包裝材料由于分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)所帶來的優(yōu)缺點(diǎn)。同理，我們講解聚氯乙烯分子[8]時(shí)，就需要結(jié)合高分子物理中分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)來講解的塑化劑溶出。講解聚乙烯醇（PVA）時(shí)，就應(yīng)該把高聚物的結(jié)晶與分子之間的氫鍵作用引入到結(jié)晶與分子材料透氣透氧之間的關(guān)系上。

三、改進(jìn)了教學(xué)手段，有效利用多媒體資源和化學(xué)作圖軟件，運(yùn)用多種方法加深學(xué)生的理解

高分子化學(xué)與物理的基本概念繁多，有些概念很容易混淆，還有些概念很抽象，難于理解。針對(duì)抽象的概念，我們可以有效利用多媒體資源和化學(xué)作圖軟件，使基本概念的理解變得容易，大大增強(qiáng)了記憶的效果，避免了死記硬背。比如，高分子應(yīng)力松弛與蠕變講述。對(duì)于蠕變，只是通過經(jīng)典的教科書上的舉例，“如在懸掛的軟質(zhì)PVC絲下面勾住一段一定質(zhì)量的砝碼，軟絲會(huì)慢慢伸長，撤銷砝碼后，軟絲會(huì)慢慢地回縮”這種書本講解，筆者覺得不足以讓學(xué)生加深印象。而是應(yīng)該通過形象的多媒體實(shí)驗(yàn)演示或現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)來講解。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，筆者在課前對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行錄像，然后在課堂上進(jìn)行視頻演示，能很好地幫助學(xué)生理解。利用實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生充分理解高分子聚合物的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

例如，結(jié)晶概念的詮釋，是比較難比喻生動(dòng)而且易懂的。高聚物結(jié)晶分子的排列在書中被用很小的部分來講述，但是高分子結(jié)晶對(duì)高分子薄膜材料物理性質(zhì)影響顯著，對(duì)于食品包裝的學(xué)生，急切需要知道結(jié)晶度與透氣性的構(gòu)效關(guān)系，但是如此小的篇幅根本不能讓學(xué)生掌握高分子結(jié)晶的知識(shí)點(diǎn)。書本上的高分子晶體圖學(xué)生很難理解，這就需要我們教師去尋找更好的化學(xué)物質(zhì)單晶圖，我們可以找剛性的芳香有機(jī)物的單晶圖來闡述分子間的各種力造成的分子有序堆積。通過這種舉例，可以讓學(xué)生更好的理解高分子鏈之間相互作用力造成的部分鏈段的有序堆積?？梢?，生動(dòng)的舉例對(duì)于抽象概念的理解是有很大幫助的。

使用多媒體可以將枯燥乏味的理論知識(shí)直觀和形象化，可以將教學(xué)過程生動(dòng)地展示給學(xué)生，使學(xué)生更容易理解所學(xué)內(nèi)容。對(duì)于高分子化學(xué)與物理中一些概念的講述，我們需要CAI教學(xué)[9]，多利用化學(xué)分子結(jié)構(gòu)軟件制作課件。通過化學(xué)軟件制作三維空間構(gòu)型，再結(jié)合三維動(dòng)畫，動(dòng)態(tài)演示分子骨架旋轉(zhuǎn)，能輕松地帶學(xué)生進(jìn)入微觀的分子世界，讓抽象的分子結(jié)構(gòu)與概念形象化，有利我們教學(xué)。比如高分子鏈的柔性是由于分子內(nèi)各個(gè)化學(xué)鍵和原子在不停地轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，高分子鏈的形狀時(shí)刻在變化著而造成的。如果我們制作動(dòng)態(tài)三維的大分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)圖，讓學(xué)生親眼目睹這個(gè)“動(dòng)”，才能更好促進(jìn)學(xué)生對(duì)分子動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)以及高分子柔性的理解。

四、創(chuàng)設(shè)開放性的交流空間，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)

在課程教學(xué)過程中，除老師引入實(shí)例教學(xué)、有效利用多媒體資源等教學(xué)措施以外，有時(shí)引申話題，創(chuàng)設(shè)開放性的交流空間，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)也是非常重要的[10]。采取讓學(xué)生分組討論，查找文獻(xiàn)，撰寫小報(bào)告的形式拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。如，高分子聚合的教學(xué)中，結(jié)合聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說明其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出問題：“為什么限制聚氯乙烯在食品包裝保鮮膜上的應(yīng)用？”“為什么限制聚碳酸酯在嬰兒奶瓶上的應(yīng)用？”“為何聚苯乙烯餐盒只能在70度以下使用？”以及“為何聚乙烯醇容易結(jié)晶以及吸水，這些性質(zhì)會(huì)給作為包裝材料的它帶來哪些優(yōu)缺點(diǎn)？”然后學(xué)生分組從聚合物分子結(jié)構(gòu)、柔韌性等角度討論，積極參與到教學(xué)活動(dòng)中。每一個(gè)問題都與高分子的基礎(chǔ)知識(shí)息息相關(guān)，都是從一些實(shí)際現(xiàn)象引出問題，再通過理論分析加以解釋、歸納；這樣不僅可以引起學(xué)生興趣，重要的是可以加深學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)的理解和掌握，達(dá)到事半功倍的效果。

五、結(jié)語

高分子化學(xué)與物理是一門理論性強(qiáng)、概念抽象難懂且較難掌握的課程，作為包裝工程專業(yè)，特別是偏重食品包裝技術(shù)的學(xué)生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生需要在有限的學(xué)時(shí)里掌握高分子的基本概念和理論，教師則需要不斷地探索教學(xué)方法，采用多種手段提高教學(xué)的交互性和生動(dòng)性，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，才能取得令人滿意的教學(xué)效果。

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G642.0

A

1674-9324（2014）20-0268-03

杜斌（1980-），男，浙江衢州人，就職于北京農(nóng)學(xué)院，博士，中級(jí)二級(jí)，主要從事《高分子化學(xué)及物理》、《包裝材料學(xué)》等課程的教學(xué)工作，研究方向?yàn)楣δ苄园b材料以及果蔬保鮮。