于瑩　陶磊　許華平

(清華大學化學系高分子化學與物理研究所 清華大學化學系基礎化學實驗教學中心　北京 100084)

全新設計的現(xiàn)代高分子化學實驗課程建設

于瑩陶磊許華平

(清華大學化學系高分子化學與物理研究所 清華大學化學系基礎化學實驗教學中心北京 100084)

摘要理科院系高分子化學實驗教學發(fā)展緩慢，急需緊跟學科發(fā)展的前沿、注入新鮮而實用的內容。全新設計建設的現(xiàn)代高分子化學實驗覆蓋眾多傳統(tǒng)實驗課鮮有涉及、但在科研中極為重要的前沿理念與技術，旨在提高學生科研素養(yǎng)和對學科前沿的把握能力，其成功開發(fā)為理科院系針對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的高分子化學實驗提出了全新思路。

關鍵詞高分子化學實驗教學活性聚合綜合型實驗

A Newly Designed Course: Lab of Contemporary Polymer Chemistry

Yu YingTao LeiXu Huaping

(InstituteofPolymerChemistry&Physics,ExperimentalChemistryCenter,DepartmentofChemistry,TsinghuaUniversity,

Beijing100084,China)

AbstractLab course of polymer chemistry in science faculties is not updated enough because that polymer science developed so much since last 90′s. It deserves more attention to develop a polymer chemical lab course referred to more novel polymerization techniques and characterization methods. A wholly new designed course, lab of contemporary polymer chemistry, introduced in this article focuses on the training of some important but newly developed techniques and ideas in polymer science. It proves to be feasible and helpful in improving the research quality and scientific interest of students in science faculties, and builds a new way for the development of the lab course of polymer chemistry suitable for the education of creative research students.

Key WordsPolymer chemistry; Undergraduate laboratory; Living polymerization; Integrated laboratory

高分子化學是化學學科中最年輕的一個二級學科。1950年，提出小分子單體間以化學鍵連接形成單個大分子理論的德國科學家H.Staudinger被授予諾貝爾獎，標志著高分子學科的正式建立。此后的半個多世紀以來，高分子的理論體系與合成技術一直處在令人振奮的發(fā)展中。尤其是在20世紀末，多種“活性”/可控自由基聚合方法的逐一提出[1-4]以及導電高分子的發(fā)現(xiàn)[5]等研究成果，使得高分子學科面貌一新，而且在超分子化學、材料化學、分子生物學、納米科學等交叉前沿學科中發(fā)揮著日益重要的作用。

在基礎科學人才培養(yǎng)方面，化學學科下的所有二級學科都有對應的實驗教學體系，與有機化學實驗、無機化學實驗、分析化學實驗、物理化學實驗這4個學科成熟的實驗教學體系相比，高分子化學實驗顯得比較薄弱，教學效果一直不盡如人意。國內高分子化學實驗起源于化工、材料等工科院系，這些院系的高分子化學實驗工業(yè)實踐特色鮮明，重視工藝調整對材料的影響，為將來可能要進入石油化工、車輛、材料等生產行業(yè)的工科學生打下了扎實的基礎[6-7]，課程本身仍在不斷地尋求改革與創(chuàng)新[8]，非常具有生命力。理科院系的高分子專業(yè)起步較晚，高分子化學實驗往往是從工科實驗借鑒刪減而來，大量的工藝調整、工業(yè)實踐對于將來可能要從事科學研究的理科生而言，既不簡單也不適用，學生興趣不高，教學效果不夠理想。進入21世紀后，高分子合成及表征技術的一些重大進展已經成為科學研究領域的常規(guī)、基礎技術，然而高分子實驗教學卻沒有與時俱進，把新鮮實用的內容引入到教學領域，仍舊單純弱化工科特色，實驗訓練與科學前沿嚴重脫節(jié)，對于學生將要從事的科研工作的實用性遠遠不夠。很多高分子化學與物理專業(yè)的本科生盡管做過高分子實驗，卻并不熟悉活性聚合技術、沒用過GPC，進入研究生階段往往需要一段很長的適應期。

與此同時，很多交叉學科、前沿領域如超分子化學、藥物化學、催化化學等已有了自己相應的理論體系并加入理科院系本科生的教學體系。學生要學的東西越來越多，在眾多有的放矢的科學訓練中，定位不明確的高分子實驗越來越不被重視。一些學生更由于本科實驗階段的印象不佳而不愿選擇從事高分子領域的研究，這在一定程度上影響了該學科研究型人才的儲備和長期的發(fā)展。

在這樣的背景下，不再在原有工科實驗的基礎上單純弱化工科成分或增減修補，而是從理科院系培養(yǎng)科學研究型人才的需求出發(fā)，重新設計符合理科人才培養(yǎng)需要的、契合時代與科學發(fā)展的、被學生喜愛與重視的高分子化學實驗，顯得很重要。本文介紹的正是基于這樣一個定位之下而設計、建設、初步運行且效果良好的實驗課程體系，我們目前將其命名為“現(xiàn)代高分子化學實驗”。

1實驗設計思路

針對前面提到的問題，我們將“現(xiàn)代高分子化學實驗”定位為：面向將要從事高分子學科基礎研究的學生進行的、以綜合型實驗為主的橋梁實驗課。所謂橋梁實驗課是指在基礎實驗教學與科學研究之間搭建橋梁，幫助學生在專業(yè)基礎課的學習基礎之上，在科研素質、實驗技能、對學科前沿的把握等方面適應科研工作者的需要，在進入到科學研究工作的時候盡快進入角色。

基于此定位，課程設計和實驗選擇應該體現(xiàn)以下幾方面特點：

① 前沿：近年來發(fā)展起來的、對高分子科學乃至整個科學發(fā)展有重大意義的技術，如活性聚合[4,9-11]、導電高分子[5,12-13]、基于動態(tài)共價鍵的高分子材料[14]等。

② 基礎：一方面是指兼顧傳統(tǒng)高分子實驗中的經典，另一方面也指涉及前沿技術中一些有普適性的、已經成為科學研究基礎技能的技術。以活性聚合方法為例，之所以被稱為前沿，很大程度上是因為在本科生教學實驗中涉及很少，但它已經是合成相對分子質量可控聚合物的一個基本手段，是高分子科學研究的基礎技術。再如GPC，這是最基本的表征高分子的手段，但是化學系的本科生接觸GPC的機會卻比較少。因此，在實驗設計中更多地涉及這樣有普遍應用性的技術，學生即使離開我們的院系或學校，所學的技術仍有用武之地。

③ 特色：部分實驗體現(xiàn)了清華大學化學系高分子所的特長，讓學生了解并掌握清華大學化學系高分子所特有的方向，比如導電高分子、高分子自組裝等，這些在本科生教學實驗里都是鮮有涉及的。以此確保了所有的實驗都能夠有相關領域的資深教師作為顧問，提高實驗的含金量，保證教學效果。

④ 展示度和趣味性：傳統(tǒng)工科高分子實驗吸引人的地方在于很多實驗都能夠得到一個個實在的產品，我們也希望把這種趣味性保留下來，在引起學生興趣的同時，將功能材料的工作原理、工藝控制的要素等問題集成到材料制作的過程中，使學生感受高分子學科實用、貼近生活的特點。

2課程訓練重點

在以上的定位和設計思路的基礎上，實驗課將訓練的重點集中在以下3個方面：

① 訓練重點一——聚合方法。

聚合反應是高分子化學的核心。在現(xiàn)代高分子化學實驗課程中，每個實驗都會讓學生學習到一種聚合方法，且盡可能涵蓋不同的聚合類型(圖1)。

不難發(fā)現(xiàn)，在聚合方法的訓練方面，“活性”/可控自由基聚合是訓練的重點?！盎钚浴?可控自由基聚合在大多數(shù)高校的高分子化學實驗課程中并不占重要的地位，尤其是RAFT聚合，作為最有望工業(yè)化的“活性”/可控自由基聚合，其在教學領域的受重視程度顯然是不夠的。我們希望通過這種課程設計培養(yǎng)學生掌握活性聚合的基本操作要點，并在將來的科研工作中能夠從容地運用此技術合成相對分子質量可控、結構可設計的各種高分子。此外，我們用大量的課時為學生提供接觸前沿、特殊聚合技術的機會，如聚二甲基硅氧烷的印章制備[15]、細乳液聚合[16]、動態(tài)共價鍵引入制備可塑熱固性環(huán)氧樹脂[14]等實驗，這些新穎的實驗在國內外實驗教學中都鮮有涉及，大大拓寬了學生的視野，讓學生感到學有所得，因而更加喜歡這門實驗課，也對高分子學科產生更多的興趣。

② 訓練重點二——儀器表征。

在儀器表征方面，現(xiàn)代高分子化學實驗課程的訓練既包括高分子學科獨有的表征手段，如GPC，DMA等，也包括普通儀器在高分子研究方面的應用，如紫外可見光譜，電化學等(表1)。我們強調要讓每個學生能夠得到自己上機操作的機會，而不僅是聽過名字卻不會自己操作。對于一些測樣時間較長且不便于多人使用的儀器，如DMA、電化學工作站、變溫紫外可見光譜等，在十幾人同時進行的實驗課上安排訓練是非常有挑戰(zhàn)性的。我們?yōu)榇苏{整了實驗的組織形式(詳見本文中“實驗組織形式”部分所述)，使得每堂課只有4名學生同時使用同樣的儀器，一些對大型儀器依賴性非常強的實驗因此得以成功開設，如在“可塑熱固性環(huán)氧樹脂的合成及其性質”實驗中讓學生進行DMA的實際操作等。此外，針對高分子化學常用的表征手段如GPC、DLS等，我們給每位學生安排了多次表征的機會以強化訓練，以便學生真正掌握操作方法，在今后的科研中能夠隨時上手使用。

圖1　現(xiàn)代高分子化學實驗課已經正式授課的8個實驗及其反應類型

儀器名稱表征內容GPC(凝膠滲透色譜)RAFT、ATRP中表征相對分子質量及其相對分子質量分布進而驗證聚合機理;共聚合中表征相對分子質量及共聚物嵌段數(shù)DLS(動態(tài)光散射粒度儀)乳液、細乳液聚合中表征多相聚合體系粒徑;共聚物合成中表征高分子聚集體或組裝體尺寸DMA(動態(tài)力學分析儀)表征環(huán)氧樹脂玻璃化轉變溫度及高溫下材料力學性能DSC(示差掃描量熱儀)表征環(huán)氧樹脂的玻璃化轉變溫度其他表征方法變溫紫外可見光譜熒光顯微鏡電化學工作站表征溫敏聚合物的臨界轉變溫度觀察微接觸印刷的圖案實施電化學聚合并觀察導電高分子驅動性能

③ 材料工藝。

工藝是傳統(tǒng)工科高分子化學實驗的訓練重點。本實驗課保留了傳統(tǒng)高分子化學實驗課的有機玻璃的鑄模聚合，另外結合幾個新穎的聚合方法所得到的材料的特點，將工藝訓練部分融入到實驗當中。如電化學聚合得到的聚吡咯薄膜如何剝落、展平，環(huán)氧樹脂的熔融聚合中如何掌握模壓溫度對材料性能的影響，PDMS印章的制備與加工中如何避免氣泡，如何忠實復制模版的圖案等，這些訓練一方面讓學生學到了這些新穎材料的制備方法與功能，另一方面也使學生了解到在聚合過程中，除了基礎化學之外，加工工藝同樣對高分子材料的性能起重要的作用，同時也讓學生感受制備出具有特定功能的材料產品的樂趣。部分學生自己得到的材料及其性能如圖2所示。

圖2　部分學生成品及實驗過程展示a) 學生在實驗中聚合、脫模制得的有機玻璃成品；b) 利用DMA的薄膜拉伸夾具對實驗中熔融聚合所得的可塑熱固性材料進行力學性能表征；c) 交聯(lián)成型時表面復制了微米級圖案的硅橡膠材料；d) 電化學聚合所得到的聚吡咯薄膜在循環(huán)伏安條件下的卷曲驅動。

3實驗組織形式

如前所述，現(xiàn)代高分子化學實驗是涵蓋了制備—表征—性能測試全過程的綜合性實驗，制備部分強調有機化學實驗的基本功，而表征部分則更接近儀器分析實驗，性能測試方面則試圖體現(xiàn)傳統(tǒng)高分子實驗的工藝特色以及高分子學科的前沿領域。因此，此實驗課宜采取分組循環(huán)實驗的組織形式，即將16個學生分為4組分別進行4個實驗，每個實驗只有4個人同時做。此方法降低了儀器配備的數(shù)量，提高了儀器使用效率；同時使得實驗人數(shù)不再受到儀器設備的限制，對DMA、GPC、電化學工作站等儀器依賴性非常強的實驗都得以成功開設。當然，同時開設4個實驗，對整個課程的規(guī)劃安排以及帶課老師的素質提出了很高的要求。

4實驗內容及評價方法

目前正在運行的實驗課程體系總共開設8個實驗，每個實驗需6～8學時，總計為64學時。具體實驗名稱可以參考圖1。在這8個實驗中，只有“一個半”實驗來自于傳統(tǒng)的高分子化學實驗教學(甲基丙烯酸甲酯的本體聚合、苯乙烯乳液/細乳液聚合的乳液聚合部分)，其他實驗都來自于清華大學化學系高分子所的教師結合自己科研與教學經驗的潛心設計，強調了活性聚合、GPC表征相對分子質量等重要而又沒有被教學充分重視的技術訓練，此外，其中的電化學聚合、共聚物自組裝、細乳液聚合、動態(tài)共價鍵合成可塑熱固性材料等實驗更是國內高分子實驗教學少有涉及、卻又對整個現(xiàn)代高分子科學的學習非常重要的內容。

實驗課的暫行評價方式為單次實驗平均分作為總成績的方式，而單次實驗由于所涉及內容較前沿，一般不以產品的質量作為評價標準，而主要是以學生完成實驗后對相關領域是否有了清晰的認識、對所用儀器是否能夠正確操作、對所得到數(shù)據(jù)的意義能否正確進行解釋為主要評價對象。成績由實驗操作和實驗報告兩部分決定。操作部分注重督促提升學生作為科研型人才應有的實驗素養(yǎng)與實驗習慣；實驗報告部分則要求學生完成一篇小型科技論文，闡述實驗相關領域的基本概念及其發(fā)展現(xiàn)狀，清楚地表述實驗材料、步驟和方法、對實驗得到的數(shù)據(jù)進行客觀的分析，并討論其與理論的差異及原因。這種方式可在督促學生查閱文獻、嘗試撰寫科學論文的同時，很好地體現(xiàn)學生對于該領域的理解程度。

該實驗課程不僅新穎的實驗所占比重大，更是一個針對理科院系的科學研究類人才培養(yǎng)所設計的全新體系，代表著高分子化學發(fā)展的前沿，涵蓋了高分子科學研究所需的重要技能。其中大部分實驗有很大的升級空間。隨著實驗課的實施，我們會根據(jù)學生的興趣和科學研究課題的需要開設研究型實驗。這樣一個全新設計、綜合型為主、含有大量研究設計性實驗素材的實驗課程，必將對高分子學科的人才培養(yǎng)、乃至高分子研究的發(fā)展本身起到良好的作用。

本實驗課程體系于2013年11月進行了試運行，參加人員為清華大學清華學堂基礎學科創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃中的15名大四本科生，此后正式列入清華大學化學系化學專業(yè)的學生培養(yǎng)計劃。在2014年3～6月進行了第一學期的運行，共有30名本科生和兩名博士研究生參加了這門64學時的8個實驗的授課，學生對于實驗的設計、與理論課的相互促進、自身的收獲、實驗課軟硬件的配置水平等各方面給予熱烈而積極的反應。

這樣一個高含金量的實驗課程的建設與實施需要各方面人員的通力合作，需要教授和研究員頂著壓力從繁忙的科研工作中擠出時間來參與實驗教學的設計與實施，更需要有素質過硬、責任心強的實驗技術人員付出大量的時間精力從事實驗室建設管理、實驗儀器維護培訓以及實驗教學，這對所有人來說都需要奉獻精神、難以一蹴而就，實際操作起來也的確會遇到很多問題。但正如本文開頭所提到的，高分子科學研究領域的面貌早已進入新的紀元，而理科院系的高分子化學實驗的尷尬處境已經如此影響人才培養(yǎng)乃至學科的發(fā)展，現(xiàn)在正是一個不得不做的時機。

致謝感謝化學系系主任張希院士、清華學堂創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃負責人劉冬生教授、高分子化學與物理研究所所長石高全教授、基礎化學實驗教學中心主任張四純教授對本實驗課程建設的大力推動與支持。感謝高分子所袁金穎教授、李春副研究員、楊忠強副研究員、吉巖副研究員以及實驗中心張連慶老師在具體實施過程中的有益討論。感謝本課程的第一批學生張旭、白赟昊提供的實驗現(xiàn)象及成品圖片。

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中圖分類號O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150309